逆向工程汽車輪轂的曲面重構

李忠宇，孫麗榮

(黑龍江省道路運輸管理局)

逆向工程汽車輪轂的曲面重構

李忠宇，孫麗榮

(黑龍江省道路運輸管理局)

采用三維光學測量系統結合逆向設計技術對現有汽車輪轂進行數據采集及三維曲面重構，解決了輪轂曲面難以測量和設計的問題，并應用Imageware對三維模型與實體進行對比分析以獲得精確的重構模型，從而提高了，產品設計的準確性，大大縮短產品研發設計和加工周期并降低了成本。

汽車輪轂;逆向設計;曲面重構;誤差分析

1 數據采集及預處理

1.1 樣件模型分析及方案制定

在產品進行三維實體重構前首先應從模型用途、零件幾何特征，用戶對曲面的精度與光順度要求來制定重構的方案。本文以某汽車配件廠家訂制的22寸汽車輪轂為研究對象，其模型在輪轂邊緣處略有磨損，客戶要求在曲面造型時曲面公差小于0.1 mm，最后給出重構后的*.STL數據以便訂做模具。

此輪轂有5幅均勻的輪幅，每輪幅由3根曲率不同的幅條構成，以中心對稱呈五邊形。輪轂中心孔與傳動軸的貼合面是基準，螺孔孔距為配合尺寸，精度要求較高。根據模型的特征決定采用光學掃描收集點云數據，后續尺規測量確定深度尺寸的方法來進行，處理數據的流程遵循點、曲線、曲面的原則，用Imageware Surface和UGNX對點云進行預處理及曲面重構。

1.2 數據收集

數據采集是通過特定的測量設備和測量方法以獲取零件表面離散點的幾何坐標數據，是曲面重構的基礎。本文采用深圳鑫磊精密儀器技術有限公司生產的LASERRE三維光學測量系統。

為保證輪轂掃描的精確性，對葉輪做必要的前期準備：(1)儀器與軟件校準;(2)把反差劑噴涂經過圓心且寬15 cm的區域上，確保輪轂其中一邊噴滿，其對面也噴上以反求輪轂的圓心。

測量方法：(1)輪轂直徑較大，掃描機的掃描深度不足以測量，因此使用平行掃描的方式，掃描步距為1 mm;(2)輪轂為中心對稱五邊形，只需掃描出其中一邊就可以造型;(3)輪轂上的孔位由于深度大且直徑小，形狀都一樣因此在點云上描出孔開口的輪廓線，在后處理時用尺規測量。

1.3 點云數據預處理

在逆向工程的數據采集過程中，通常采用密集采樣方式。由于測量得到的點云數據非常龐大，其中包含大量無用的數據給后續工作帶來了困難。這些數據的存在對零件的造型有害無益，因此需對點云數據進行預處理也即數據精簡化和規則化。

圖1為汽車輪轂原始點云數據，由于樣件較大及輪轂材料的反射性等因素的影響，從圖中可以看出點云數據比較龐大且有噪聲點。對原始點云采用倍率縮減方法，進行數據精減，用半交互半自動的方法去除噪聲點，插補肋板內側數據。圖2為處理后的網格化點云圖。

圖1 汽車輪轂原始點云數據

圖2 數據預處理后的網格化點云圖

2 曲面重構

2.1 曲線構建

根據輪轂的外形特點，劃分出二次曲面的區域，以對輪轂點云進行分割，平面可以用3點或兩相交直線來確定，圓柱面則以截面線和矢量來確定。對于自由曲面，需構造出曲面的特征線。對點云做出必要截面線，剔除截面點云的雜點進行必要的光順，最后把截面點云擬合成曲線，以便構造自由曲面。

為確保重構特征線的精度，在任何一條特征線的構建過程中，都要隨時檢測點云和曲線之間的偏差，確保特征線在偏差允許范圍內，以保證與原型的一致性。

在UG NX軟件中直接讀取Imageware軟件的* .IMW格式的文件，把在Imageware中構建好的特征曲線導入到UG NX中，要保證坐標系的一致性。對調入的曲線進行分析，并進行光順處理或進行重構和編輯。用橋節(Bridge)的方式把2條曲線光滑過度，或者利用舊曲線提取出一些特征點來重新建立一條新的曲線圖，但要注意新建的曲線誤差必須控制在允許的范圍內，不然會偏向某一曲面的精度，另外調整次數越多累積誤差會大。

2.2 曲面拼接與光順

根據輪轂不同部位的具體特征運用各種構面方法建立曲面。將調整好的曲線用Though Curve Mesh命令編織成曲面以保證曲面邊界曲率的連續性。曲面建成后，要檢查曲面的誤差，一般測量點到面的誤差，對外觀要求較高的曲面還要檢查表面的光順度。構面要注意簡潔，面要盡量做得大張數少不要太碎，有利于后面增加一些圓角、斜度、增厚等特征，也有利于下一步編程加工，刀路的計算量會減少，NC文件也小，見圖3。

圖3 曲線平滑與構面

2.3 實體重構

使用UG NX的特征造型和曲面造型功能，最終完成輪轂的三維實體造型。先偏置(Offset)外表面，用Offset指令可同時選多個面或用窗口全選，這樣會提高效率。偏置后的曲面進行裁剪、補面，用各種曲面編輯手段完成內表面的構建，最后縫合內外表面成一實體(solid)，見圖4。

圖4 汽車輪轂三維實體造型

3 三維幾何模型誤差分析

不論用何種方法加工，都需要對其加工精度進行檢驗。利用傳統的檢測手段很難準確檢測，因此同樣可利用逆向工程技術對零件進行準確、高效率的檢測。

將掃描所得的點云數據(圖1)與構建的汽車輪轂三維幾何模型圖4重新導入Imageware中，通過Measure/Surface to Cloud Difference命令，利用曲面 點云檢查(surface to cloud interrogation)功能，用彩色云圖將2個模型間的偏差差異顯示出來，檢查三維幾何模型的誤差，進行分析比較。如果誤差過大，則需要在UG NX中重新調整曲線、曲面，然后再導入到Imageware重新進行誤差分析，直到滿意為止。

圖5 模型誤差分析

圖5為點云的誤差分析圖。從誤差云圖中可以看出，重構實體與點云原始數據存在的誤差。筋板處曲面誤差0.05 mm完全達到了設計要求。而最大誤差0.3 mm發生是輪轂邊緣與胎面接觸處，主要原因是客戶所提供的輪轂樣件在邊緣處有輕微的磨損，重構時已將此處光順，所以與點云圖出現了較大誤差。

4 結束語

應用逆向工程技術，對汽車輪轂等復雜曲面采用三維光學掃描及逆向設計方法，縮短了生產周期，提高了生產效率。將此方法推廣應用于汽車其他零部件生產，在消化吸收先進生產技術的基礎上，可加快我國汽車零部件自主開發創新的步伐，在實際制造業中有重大意義。

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1008-3383(2011)09-0266-02

2011-05-19