逆向工程技術(shù)在車門設(shè)計(jì)中的運(yùn)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(jìn)行數(shù)據(jù)化預(yù)處理，用UG軟件實(shí)現(xiàn)模型重建，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)作進(jìn)一步的分析與研究。實(shí)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(guān)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(shè)計(jì)是從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)生工程圖紙，通過(guò)工程圖紙指導(dǎo)加工制造出產(chǎn)品，它是一個(gè)正向或順向的設(shè)計(jì)過(guò)程。而逆向工程是相對(duì)于傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程提出的，它是先有實(shí)物模型（產(chǎn)品原型或油泥模型），通過(guò)相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)采集到實(shí)物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)相關(guān)逆向軟件處理后導(dǎo)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(shí)物產(chǎn)品或在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上制作出功能相近，但又不完全一樣的新產(chǎn)品。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(xué)等方面得到了較大程度的應(yīng)用，特別適合具有復(fù)雜形狀的零部件產(chǎn)品設(shè)計(jì)，它在提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的精度、修復(fù)還原損壞或磨損零件、檢測(cè)產(chǎn)品、縮短新產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度及減少企業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)間，歷史雖短，但是它具有廣闊的應(yīng)用前景和搶占市場(chǎng)先機(jī)的優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)提高企業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力方面具有巨大的推動(dòng)作用，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外眾多企業(yè)的關(guān)注和應(yīng)用。在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，逆向工程技術(shù)常被企業(yè)認(rèn)為是消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的重要方法之一，是企業(yè)推進(jìn)自身快速發(fā)展的一條捷徑，更是企業(yè)實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)并迅速推向市場(chǎng)的一種技術(shù)手段。本文以某企業(yè)項(xiàng)目中的車門零件開發(fā)為例，通過(guò)對(duì)其產(chǎn)品原型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、CAD模型重建及優(yōu)化設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了逆向工程在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
2數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理
2.1數(shù)據(jù)采集
在逆向工程技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，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(shè)備對(duì)樣件進(jìn)行測(cè)量來(lái)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(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N。其中，接觸式測(cè)量常用的設(shè)備有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和機(jī)械手等，主要依靠測(cè)頭與模型表面相接觸進(jìn)行掃描獲取零件的表面數(shù)據(jù)，其測(cè)量精度高、成本低，缺點(diǎn)是測(cè)量速度慢，接觸掃描過(guò)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(dǎo)致測(cè)量誤差，對(duì)細(xì)微部分的測(cè)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(jiǎn)單、容易定位的物體。非接觸式測(cè)量方法有激光掃描、照片掃描和斷層掃描，其中激光測(cè)量速度快、精度高，不會(huì)產(chǎn)生由測(cè)量摩擦力和接觸壓力造成的測(cè)量誤差，獲得的點(diǎn)云信息量大，精度高，能最大限度地反映被測(cè)表面的真實(shí)形狀，適用于各種軟硬材料的各種復(fù)雜曲面模型的三維高速測(cè)量。本文采用GOM公司生產(chǎn)的ATOS光學(xué)掃描儀來(lái)進(jìn)行掃描，該系統(tǒng)采用的是結(jié)構(gòu)光投影測(cè)量法，它被認(rèn)為是目前三維形狀測(cè)量中最好的方法之一。它擁有掃描速度較快，對(duì)于大曲面的掃描精度較高。由于測(cè)量設(shè)備有一定的測(cè)量范圍限制，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中不可能通過(guò)一次定位獲取待測(cè)模型所有表面的數(shù)據(jù)點(diǎn)信息，必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析選擇盡可能少的裝夾次數(shù)進(jìn)行裝夾，分塊測(cè)量。由于掃描是采用光學(xué)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(diǎn)。參考點(diǎn)的布置應(yīng)保證被測(cè)物轉(zhuǎn)到任意角度后系統(tǒng)在此位置上能找到多于4個(gè)以上的參照點(diǎn)，保證測(cè)量系統(tǒng)在任意位置隨機(jī)掃描時(shí)各次所掃得的數(shù)據(jù)能重合成一整體，保證測(cè)量坐標(biāo)系的準(zhǔn)確定位及分部分掃描的合并數(shù)據(jù)能構(gòu)成整個(gè)樣件的數(shù)值模型。對(duì)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(yù)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(qiáng)大的點(diǎn)云處理和NURBS曲面重構(gòu)功能，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空和消費(fèi)家電等領(lǐng)域，Geomagic軟件具有NURBS曲面重構(gòu)功能，人工參與較少，主要應(yīng)用于玩具和工藝品等領(lǐng)域。根據(jù)軟件的特點(diǎn)，本文選擇Imageware軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體步驟如下：
（1）首先導(dǎo)入由掃描儀處理后的數(shù)據(jù)。合并點(diǎn)云，刪除多余點(diǎn)云，刪除零件體外的雜點(diǎn)。
（2）本次掃描是車門內(nèi)外板一起進(jìn)行掃描，所以需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分割。其中內(nèi)板、外板的`點(diǎn)云需分開單獨(dú)進(jìn)行存放，方便后續(xù)的模型重構(gòu)。
�。�3）由于整個(gè)掃描數(shù)據(jù)是由一張張圖像拼接而成，且在掃描過(guò)程中不可避免受到振動(dòng)、鏡面反射或零件粗糙的表面等因素的影響，測(cè)量中會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)噪聲，噪聲不僅會(huì)增加曲率或法矢的估算誤差，影響數(shù)據(jù)分塊，而且還會(huì)破壞曲面模型的光順性，需對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)除噪。
�。�4）降噪后的點(diǎn)云有可能存在大量的冗余數(shù)據(jù)，過(guò)密的點(diǎn)云不但存在計(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，減少測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量，以便后續(xù)建模的需要。
3實(shí)體造型重構(gòu)和檢查
3.1實(shí)體造型重構(gòu)
實(shí)體造型重構(gòu)是逆向工程的最關(guān)鍵、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)，因?yàn)楹罄m(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(shí)體造型重構(gòu)不僅需要設(shè)計(jì)師能熟練應(yīng)用軟件，還要盡可能地了解到原有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想，分析模型的類型、品質(zhì)與建模思路。好的逆向設(shè)計(jì)，需要對(duì)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(lái)是平面的地方會(huì)變形為曲面，因此就需要多方面評(píng)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(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖。在逆向設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)自由曲面考慮具有方便調(diào)整曲線和曲面的模塊，對(duì)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(jiǎn)單的建模命令完成。其次了解樣件曲面是A級(jí)曲面（如汽車、摩托車的車身外表件）、B級(jí)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(duì)于A級(jí)曲面考慮對(duì)曲面調(diào)整的同時(shí)動(dòng)態(tài)更新檢測(cè)結(jié)果。最后結(jié)合樣件的特點(diǎn)選擇合理的建模方法，必要時(shí)再進(jìn)行改進(jìn)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，工作中盡可能地做到提高建模的質(zhì)量與效率。常用的實(shí)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(shí)體造型。打開UG軟件，選擇“導(dǎo)入”——“STL”，將之前處理好的STL文件導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件，使用軟件中的“建�！蹦K進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，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(guò)“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(xì)部特征，比如窗框等，最后進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡箞A、裁剪，并將曲面進(jìn)行加厚和實(shí)體化，得到車門零件的實(shí)體造型.
3.2模型檢查
車門的造型曲面是由點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(huì)產(chǎn)生一些誤差。所以利用點(diǎn)云分析功能，將最終逆向而得的產(chǎn)品表面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較是很有必要的。通過(guò)云圖將偏差顯示出來(lái)，可直觀地看到三維模型與點(diǎn)云之間的差別，如圖5所示，最后由設(shè)計(jì)師根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合產(chǎn)品的特性，針對(duì)誤差較大的區(qū)域進(jìn)行分析，決定是否有必要進(jìn)行修正和優(yōu)化。
4結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)ATOS掃描儀對(duì)車門零件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用Im-ageware軟件對(duì)所獲取的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪和壓縮處理，并利用UG軟件強(qiáng)大的曲面造型和特征設(shè)計(jì)功能完成實(shí)體建模，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程需要多種設(shè)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(jī)交互工作，專業(yè)性很強(qiáng)，因此提高軟件的智能化水平是今后逆向工程的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。其次，逆向工程技術(shù)與設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)與水平有著密切的關(guān)系，但由于其蘊(yùn)含著對(duì)已有科學(xué)、技術(shù)的繼承和應(yīng)用的借鑒，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有起點(diǎn)高、周期短、成效快、成本低等的優(yōu)勢(shì)。因此，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制日益激烈的未來(lái)，逆向工程將在制造業(yè)中必將得到更廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn):
[1]王宵.逆向工程技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.
[2]UGS.ImagewareComponentsHelp[K].美國(guó):UGS,2004.
[3]諸剛.逆向工程技術(shù)在汽車后視鏡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用,2015,3(43):76-79.
[4]修國(guó)基,王宇華,劉桂雄,等.基于Imageware的虹吸式坐便器的逆向設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與信息工程,2009,(4):17-20.
【逆向工程技術(shù)在車門設(shè)計(jì)中的運(yùn)用論文】相關(guān)文章：
工業(yè)設(shè)計(jì)中的逆向工程技術(shù)論文11-16
逆向工程技術(shù)的曲面零件設(shè)計(jì)論文11-07
逆向工程技術(shù)在公路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用論文摘要11-19
淺談“逆向思維”在語(yǔ)文教學(xué)中的運(yùn)用01-20
VI設(shè)計(jì)中的色彩運(yùn)用研究論文05-07
建筑工程管理中工程技術(shù)的運(yùn)用論文12-06
巖土勘察在巖土工程技術(shù)中的運(yùn)用論文10-31