逆向工程技術在車門設計中的運用論文

　　摘要：以車門為例，采用三維激光掃描方式提取三維數據信息及進行數據化預處理，用UG軟件實現模型重建，并對其中的關鍵技術作進一步的分析與研究。實踐證明，基于逆向工程技術的產品重構可提高產品的研發速度，縮短產品上市的周期。

　　關鍵詞：逆向工程；車門；數字化處理；UG軟件；三維重建

　　1前言

　　傳統的產品設計是從概念設計到產生工程圖紙，通過工程圖紙指導加工制造出產品，它是一個正向或順向的設計過程。而逆向工程是相對于傳統的產品設計流程提出的，它是先有實物模型（產品原型或油泥模型），通過相關的數字化技術采集到實物表面的點云數據，經過相關逆向軟件處理后導入三維幾何造型軟件建立CAD數字模型，然后根據CAD模型仿造出相同的實物產品或在原有設計基礎上制作出功能相近，但又不完全一樣的新產品。隨著計算機技術在制造領域的廣泛應用，逆向工程技術在航天、汽車、電子產品、工藝品行業及醫學等方面得到了較大程度的應用，特別適合具有復雜形狀的零部件產品設計，它在提高產品設計的精度、修復還原損壞或磨損零件、檢測產品、縮短新產品設計周期、加快產品的更新換代速度及減少企業設計開發新產品的成本等方面起到了舉足輕重的作用。逆向工程技術被企業接受已有近十年左右的時間，歷史雖短，但是它具有廣闊的應用前景和搶占市場先機的優勢，特別是對提高企業產品競爭力方面具有巨大的推動作用，已經引起了國內外眾多企業的關注和應用。在產品開發過程中，逆向工程技術常被企業認為是消化、吸收先進技術的重要方法之一，是企業推進自身快速發展的一條捷徑，更是企業實現新產品快速開發并迅速推向市場的一種技術手段。本文以某企業項目中的車門零件開發為例，通過對其產品原型進行數據采集、預處理、CAD模型重建及優化設計，詳細分析了逆向工程在產品設計中的應用。

　　2數據采集與預處理

　　2.1數據采集

　　在逆向工程技術設計時，需要從樣件中提取三維數據信息。樣件表面的空間數據采集是逆向工程中的重要階段，它是用一定的設備對樣件進行測量來獲取物體的空間表面數據，目前常用的采集方法主要分為接觸式測量和非接觸式測量兩種。其中，接觸式測量常用的設備有三坐標測量機和機械手等，主要依靠測頭與模型表面相接觸進行掃描獲取零件的表面數據，其測量精度高、成本低，缺點是測量速度慢，接觸掃描過程中因摩擦力和彈性變形的存在易引起模型產生變形從而導致測量誤差，對細微部分的測量也受到限制，因此適合掃描材質為硬質且形狀較為簡單、容易定位的物體。非接觸式測量方法有激光掃描、照片掃描和斷層掃描，其中激光測量速度快、精度高，不會產生由測量摩擦力和接觸壓力造成的測量誤差，獲得的點云信息量大，精度高，能最大限度地反映被測表面的真實形狀，適用于各種軟硬材料的各種復雜曲面模型的三維高速測量。本文采用GOM公司生產的ATOS光學掃描儀來進行掃描，該系統采用的是結構光投影測量法，它被認為是目前三維形狀測量中最好的方法之一。它擁有掃描速度較快，對于大曲面的掃描精度較高。由于測量設備有一定的測量范圍限制，數據采集過程中不可能通過一次定位獲取待測模型所有表面的數據點信息，必須經過仔細分析選擇盡可能少的裝夾次數進行裝夾，分塊測量。由于掃描是采用光學原理，為了反光，掃描前在可在模型表面均勻噴涂一層顯影劑，并在平緩的樣件表上上粘貼上參考點。參考點的布置應保證被測物轉到任意角度后系統在此位置上能找到多于4個以上的參照點，保證測量系統在任意位置隨機掃描時各次所掃得的數據能重合成一整體，保證測量坐標系的準確定位及分部分掃描的合并數據能構成整個樣件的數值模型。對于大件物體，結合GOM公司的TRITOP照相技術，能夠輕易掃描完整的零件表面。

　　2.2數據預處理

　　Imageware和Geomagic是著名的專用逆向工程軟件，其中Imageware軟件具有強大的點云處理和NURBS曲面重構功能，被廣泛應用于汽車、航空和消費家電等領域，Geomagic軟件具有NURBS曲面重構功能，人工參與較少，主要應用于玩具和工藝品等領域。根據軟件的特點，本文選擇Imageware軟件對點云數據進行處理，具體步驟如下：

　　（1）首先導入由掃描儀處理后的數據。合并點云，刪除多余點云，刪除零件體外的雜點。

　　（2）本次掃描是車門內外板一起進行掃描，所以需要對點云進行分割。其中內板、外板的`點云需分開單獨進行存放，方便后續的模型重構。

　　（3）由于整個掃描數據是由一張張圖像拼接而成，且在掃描過程中不可避免受到振動、鏡面反射或零件粗糙的表面等因素的影響，測量中會產生數據噪聲，噪聲不僅會增加曲率或法矢的估算誤差，影響數據分塊，而且還會破壞曲面模型的光順性，需對點云進行數據除噪。

　　（4）降噪后的點云有可能存在大量的冗余數據，過密的點云不但存在計算工作量大，而且可能影響其光順性。因此，在曲面造型前需要按一定要求進行數據采樣，減少測量點的數量，以便后續建模的需要。

　　3實體造型重構和檢查

　　3.1實體造型重構

　　實體造型重構是逆向工程的最關鍵、最復雜的環節，因為后續的產品加工制造、快速成型與虛擬仿真都需要CAD模型的支持。實體造型重構不僅需要設計師能熟練應用軟件，還要盡可能地了解到原有產品的設計思想，分析模型的類型、品質與建模思路。好的逆向設計，需要對產品有足夠的理解，需要了解零件及零件特征的使用功能、判斷零件是否存在變形等多方面因素。比如，零件在焊接成總成后，原來是平面的地方會變形為曲面，因此就需要多方面評估此處是按照曲面構建還是按照平面構建。這樣做出的逆向模型，才能符合原設計者的設計意圖。在逆向設計時，首先了解其曲面是自由或初等解析曲面（如平面、圓柱面或圓錐面等），對自由曲面考慮具有方便調整曲線和曲面的模塊，對初等解析曲面件則考慮直接利用旋轉、拉伸、掃描、混合等簡單的建模命令完成。其次了解樣件曲面是A級曲面（如汽車、摩托車的車身外表件）、B級曲面（不重要的表面，比如汽車的內飾件表面）或其他要求更低的曲面，對于A級曲面考慮對曲面調整的同時動態更新檢測結果。最后結合樣件的特點選擇合理的建模方法，必要時再進行改進實現創新設計，工作中盡可能地做到提高建模的質量與效率。常用的實體建模軟件有Pro/E、UG、CATIA等，本案例主要采用UG軟件創建三維實體造型。打開UG軟件，選擇“導入”——“STL”，將之前處理好的STL文件導入UG軟件，使用軟件中的“建模”模塊進行逆向設計，可以方便而快速地創建曲面和特征。首先重構特征線并調整其光順度，通過“掃掠”和“網格曲面”構建出產品的大體外觀輪廓，其次構建細部特征，比如窗框等，最后進行適當的倒圓、裁剪，并將曲面進行加厚和實體化，得到車門零件的實體造型.

　　3.2模型檢查

　　車門的造型曲面是由點云數據經過曲線提取、曲面構建、特征構建等逐步完成的，在各步驟中不可避免的會產生一些誤差。所以利用點云分析功能，將最終逆向而得的產品表面與點云數據進行比較是很有必要的。通過云圖將偏差顯示出來，可直觀地看到三維模型與點云之間的差別，如圖5所示，最后由設計師根據設計經驗并結合產品的特性，針對誤差較大的區域進行分析，決定是否有必要進行修正和優化。

　　4結語

　　本文通過ATOS掃描儀對車門零件進行數據采集，利用Im-ageware軟件對所獲取的表面點云數據進行降噪和壓縮處理，并利用UG軟件強大的曲面造型和特征設計功能完成實體建模，整個設計過程需要多種設備和多種軟件配合完成，軟件集成化程度低，需要大量的人機交互工作，專業性很強，因此提高軟件的智能化水平是今后逆向工程的一個發展趨勢。其次，逆向工程技術與設計師的經驗與水平有著密切的關系，但由于其蘊含著對已有科學、技術的繼承和應用的借鑒，所設計的產品具有起點高、周期短、成效快、成本低等的優勢。因此，在市場經濟競爭機制日益激烈的未來，逆向工程將在制造業中必將得到更廣泛的應用。

　　參考文獻:

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