逆向工程技術(shù)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(shù)據(jù)信息及進行數(shù)據(jù)化預處理，用UG軟件實現(xiàn)模型重建，并對其中的關鍵技術(shù)作進一步的分析與研究。實踐證明，基于逆向工程技術(shù)的產(chǎn)品重構(gòu)可提高產(chǎn)品的研發(fā)速度，縮短產(chǎn)品上市的周期。
關鍵詞：逆向工程；車門；數(shù)字化處理；UG軟件；三維重建
1前言
傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計是從概念設計到產(chǎn)生工程圖紙，通過工程圖紙指導加工制造出產(chǎn)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(tǒng)的產(chǎn)品設計流程提出的，它是先有實物模型（產(chǎn)品原型或油泥模型），通過相關的數(shù)字化技術(shù)采集到實物表面的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過相關逆向軟件處理后導入三維幾何造型軟件建立CAD數(shù)字模型，然后根據(jù)CAD模型仿造出相同的實物產(chǎn)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(chǎn)品。隨著計算機技術(shù)在制造領域的廣泛應用，逆向工程技術(shù)在航天、汽車、電子產(chǎn)品、工藝品行業(yè)及醫(yī)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(chǎn)品設計，它在提高產(chǎn)品設計的精度、修復還原損壞或磨損零件、檢測產(chǎn)品、縮短新產(chǎn)品設計周期、加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度及減少企業(yè)設計開發(fā)新產(chǎn)品的成本等方面起到了舉足輕重的作用。逆向工程技術(shù)被企業(yè)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(yōu)勢，特別是對提高企業(yè)產(chǎn)品競爭力方面具有巨大的推動作用，已經(jīng)引起了國內(nèi)外眾多企業(yè)的關注和應用。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，逆向工程技術(shù)常被企業(yè)認為是消化、吸收先進技術(shù)的重要方法之一，是企業(yè)推進自身快速發(fā)展的一條捷徑，更是企業(yè)實現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)并迅速推向市場的一種技術(shù)手段。本文以某企業(yè)項目中的車門零件開發(fā)為例，通過對其產(chǎn)品原型進行數(shù)據(jù)采集、預處理、CAD模型重建及優(yōu)化設計，詳細分析了逆向工程在產(chǎn)品設計中的應用。
2數(shù)據(jù)采集與預處理
2.1數(shù)據(jù)采集
在逆向工程技術(shù)設計時，需要從樣件中提取三維數(shù)據(jù)信息。樣件表面的空間數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，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(chǎn)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(zhì)為硬質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)的ATOS光學掃描儀來進行掃描，該系統(tǒng)采用的是結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)點信息，必須經(jīng)過仔細分析選擇盡可能少的裝夾次數(shù)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(zhuǎn)到任意角度后系統(tǒng)在此位置上能找到多于4個以上的參照點，保證測量系統(tǒng)在任意位置隨機掃描時各次所掃得的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)能構(gòu)成整個樣件的數(shù)值模型。對于大件物體，結(jié)合GOM公司的TRITOP照相技術(shù)，能夠輕易掃描完整的零件表面。
2.2數(shù)據(jù)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(gòu)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(gòu)功能，人工參與較少，主要應用于玩具和工藝品等領域。根據(jù)軟件的特點，本文選擇Imageware軟件對點云數(shù)據(jù)進行處理，具體步驟如下：
�。�1）首先導入由掃描儀處理后的數(shù)據(jù)。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(nèi)外板一起進行掃描，所以需要對點云進行分割。其中內(nèi)板、外板的`點云需分開單獨進行存放，方便后續(xù)的模型重構(gòu)。
（3）由于整個掃描數(shù)據(jù)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(chǎn)生數(shù)據(jù)噪聲，噪聲不僅會增加曲率或法矢的估算誤差，影響數(shù)據(jù)分塊，而且還會破壞曲面模型的光順性，需對點云進行數(shù)據(jù)除噪。
�。�4）降噪后的點云有可能存在大量的冗余數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)采樣，減少測量點的數(shù)量，以便后續(xù)建模的需要。
3實體造型重構(gòu)和檢查
3.1實體造型重構(gòu)
實體造型重構(gòu)是逆向工程的最關鍵、最復雜的環(huán)節(jié)，因為后續(xù)的產(chǎn)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(gòu)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(chǎn)品的設計思想，分析模型的類型、品質(zhì)與建模思路。好的逆向設計，需要對產(chǎn)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(gòu)建還是按照平面構(gòu)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(diào)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(zhuǎn)、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(nèi)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(diào)整的同時動態(tài)更新檢測結(jié)果。最后結(jié)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(xiàn)創(chuàng)新設計，工作中盡可能地做到提高建模的質(zhì)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(chuàng)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�！蹦K進行逆向設計，可以方便而快速地創(chuàng)建曲面和特征。首先重構(gòu)特征線并調(diào)整其光順度，通過“掃掠”和“網(wǎng)格曲面”構(gòu)建出產(chǎn)品的大體外觀輪廓，其次構(gòu)建細部特征，比如窗框等，最后進行適當?shù)牡箞A、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(shù)據(jù)經(jīng)過曲線提取、曲面構(gòu)建、特征構(gòu)建等逐步完成的，在各步驟中不可避免的會產(chǎn)生一些誤差。所以利用點云分析功能，將最終逆向而得的產(chǎn)品表面與點云數(shù)據(jù)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(jù)設計經(jīng)驗并結(jié)合產(chǎn)品的特性，針對誤差較大的區(qū)域進行分析，決定是否有必要進行修正和優(yōu)化。
4結(jié)語
本文通過ATOS掃描儀對車門零件進行數(shù)據(jù)采集，利用Im-ageware軟件對所獲取的表面點云數(shù)據(jù)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(yè)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(fā)展趨勢。其次，逆向工程技術(shù)與設計師的經(jīng)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(shù)的繼承和應用的借鑒，所設計的產(chǎn)品具有起點高、周期短、成效快、成本低等的優(yōu)勢。因此，在市場經(jīng)濟競爭機制日益激烈的未來，逆向工程將在制造業(yè)中必將得到更廣泛的應用。
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