基于逆向工程的汽車覆蓋件多點(diǎn)成型研究＊

裴永生 張亮亮 吳丹丹

（燕山大學(xué)）

1 前言

多點(diǎn)成型是一種新型板材柔性加工技術(shù)，通過一系列規(guī)則排列的基本體（也稱為沖頭）組成柔性多點(diǎn)模具，取代了傳統(tǒng)沖壓成型模具，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬板材的柔性加工[1,2]。雖然國內(nèi)外學(xué)者對(duì)多點(diǎn)成型方法有一定的研究，但大多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚未將其應(yīng)用于汽車覆蓋件的成型過程。為此，以某轎車發(fā)動(dòng)機(jī)罩為例，運(yùn)用逆向工程（Reverse Engineering，RE）[3,4]方法重構(gòu)了轎車發(fā)動(dòng)機(jī)罩的三維曲面模型，考慮到現(xiàn)有多點(diǎn)成型設(shè)備的工作臺(tái)面限制，對(duì)重構(gòu)的三維曲面模型按幾何相似原理進(jìn)行了1∶4的縮小，然后對(duì)縮小的模型進(jìn)行了多點(diǎn)成型工藝研究。

2 數(shù)據(jù)采集

汽車覆蓋件實(shí)物三維數(shù)據(jù)的采集有接觸式和非接觸式2種測(cè)量方法。接觸式測(cè)量方法精度較高，操作容易，抗干擾性好，成本低，但由于測(cè)量時(shí)有接觸壓力，存在測(cè)頭半徑三維補(bǔ)償問題，因而不適于對(duì)軟質(zhì)材料或薄形物體進(jìn)行掃描。非接觸式測(cè)量方法測(cè)頭不接觸實(shí)物表面，數(shù)據(jù)傳遞通常依靠傳遞介質(zhì)（激光、聲波、電磁場(chǎng)等），如以激光為媒介的激光三角形法和層攝影法，因而該測(cè)量方法具有測(cè)量速度快、不刮傷零件表面、不存在測(cè)頭半徑三維補(bǔ)償問題，可最大限度地反映被測(cè)表面的真實(shí)形狀。本文采用非接觸式測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 數(shù)據(jù)處理

逆向工程中獲取的表面數(shù)據(jù)具有數(shù)量大、散亂等特點(diǎn)，被稱為“點(diǎn)云數(shù)據(jù)”。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是逆向工程中最重要的環(huán)節(jié)，處理質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到后續(xù)的模型重構(gòu)，本文采用Geomagic Studio軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

Geomagic Studio軟件具有非常強(qiáng)大的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的渲染、濾除噪聲點(diǎn)、多視點(diǎn)云的拼合、數(shù)據(jù)補(bǔ)缺以及測(cè)量物體初始輪廓的確定等。

3.1.1 濾除噪聲點(diǎn)

在測(cè)量過程中，由于受鏡頭畸變、儀器設(shè)備抖動(dòng)、測(cè)量時(shí)環(huán)境光、圖像處理的算法等的影響，采集到的數(shù)據(jù)往往含有較多的噪聲點(diǎn)，嚴(yán)重影響后續(xù)的曲面重構(gòu)，必須對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。去除噪聲點(diǎn)常采用程序判斷濾波法、N點(diǎn)平均濾波法及自適應(yīng)濾波法等。Geomagic Studio軟件提供了手動(dòng)刪除噪聲點(diǎn)和用Reduce Noise命令自動(dòng)過濾噪聲點(diǎn)等2種處理方法。

3.1.2 多視點(diǎn)云的拼合

在測(cè)量過程中，由于測(cè)量設(shè)備的局限性和被測(cè)件的復(fù)雜性，往往不能在1個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)將汽車覆蓋件表面幾何數(shù)據(jù)1次測(cè)出，這樣就會(huì)產(chǎn)生多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為了將這些局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合成在一個(gè)視角下的物體完整輪廓，Geomagic Studio軟件提供了單點(diǎn)拼合和3點(diǎn)拼合算法。單點(diǎn)拼合是通過調(diào)整兩片局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)使其大致在一個(gè)視角下，然后選中它們重合部分的1個(gè)特征點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)拼合；3點(diǎn)拼合是基于空間中不在同1條直線上的3個(gè)點(diǎn)可以確定1個(gè)坐標(biāo)系的原理來實(shí)現(xiàn)的。拼合過程中由于局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在重疊，拼合后的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)還需要設(shè)置1個(gè)閾值由軟件自動(dòng)濾除掉重疊的點(diǎn)，圖1為預(yù)處理完的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2 提取特征線

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，可將零件的點(diǎn)陣模型轉(zhuǎn)換成三角面片模型進(jìn)行特征線提取，也可以直接提取特征線。在Geomagic Studio軟件中有2種特征線提取方法：一種方法是使用切割（Cross Section）抽取零件表面的曲線特征；另外一種方法是將軟件自動(dòng)抽取的零件特征、邊界轉(zhuǎn)換成特征線。本文采用后一種方法提取特征線。

3.3 曲面重建

曲面重建是逆向工程的重要階段。目前曲面重建領(lǐng)域主要分為三角域曲面建模和四邊域網(wǎng)格曲面建模。三角域曲面建模是將測(cè)量出來的空間散亂點(diǎn)集用三角bezier曲面片進(jìn)行產(chǎn)品外形擬合[5]。NURBS方法是目前應(yīng)用廣泛的四邊區(qū)域曲面重建技術(shù)，它不僅能表示自由曲面，而且可以精確表示二次曲面、旋轉(zhuǎn)曲面和直紋面等，且NURBS還為曲面提供了統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

雙參數(shù)變量分段有理多項(xiàng)式定義的NURBS曲面為：

式中，Pi，j為矩形域上特征網(wǎng)格控制點(diǎn)列；Wi，j為相應(yīng)控制點(diǎn)的權(quán)因子；Ni，p（u）和 Nj，q（v）為在節(jié)點(diǎn)矢量上定義的u向與v向的P階和q階的B樣條基函數(shù)；Ri，p，j，q（u，v）為 NURBS 曲面的雙變量有理基函數(shù)。

對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)陣 Qi，j，i=0，1，…m；j=0，1，…n，利用向心參數(shù)法對(duì)u向第i行數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化，公共的u向參數(shù)化可取所有行的相同列參數(shù)的算術(shù)平均值，公共的v向參數(shù)化按照相同方法求出，則2個(gè)參數(shù)方向的節(jié)點(diǎn)矢量U、V可確定如下。

節(jié)點(diǎn)失量U：

節(jié)點(diǎn)矢量V：

由于逆向工程測(cè)量得到的是曲面上的型值點(diǎn)，因此需要對(duì)已有的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行反算求出曲面的控制點(diǎn)及其相關(guān)的權(quán)因子。為簡(jiǎn)化運(yùn)算，將曲面的反算問題轉(zhuǎn)化為兩階段的曲線反算問題。已知節(jié)點(diǎn)矢量U、V，首先對(duì)u向的m+1組型值點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)矢量V上進(jìn)行 NURBS 曲線插值，求得控制頂點(diǎn) Di，j，j=0，…，n；再以 v 向控制頂點(diǎn) Di，j，j=0，…，n 為型值點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)矢量U上進(jìn)行曲線插值，從而得到曲面的控制頂點(diǎn)，然后由式（1）擬合出所需要的曲面。

在Geomagic Studio中則是根據(jù)編輯好的多邊形數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合成NURBS曲面，如圖2所示。Geomagic中曲面片的劃分是以曲面分析為基礎(chǔ)。曲面片不應(yīng)劃分過小，否則得到的曲面會(huì)太碎；曲面片也不應(yīng)劃分的過大，否則不能很好地捕捉點(diǎn)云形狀，得到的曲面質(zhì)量也較差。

劃分曲面片的基本原則[6]是:使每塊曲面片的曲率變化盡量均勻；盡可能使每塊曲面片的形狀與零件各部分的輪廓形狀一致。用戶可以在Geomagic Studio軟件中使用Construct Boundaries命令來對(duì)零件進(jìn)行分塊，通過Target PatchCount來確定分塊數(shù)，最后可使用Fit Surfaces命令生成NURBS曲面。在曲面生成后需要檢查曲面高斯曲率，如果曲率不滿足要求則需要返回到上一步，然后再重新編輯零件特征線和曲面分塊數(shù)。

3.4 重建CAD模型

零件的曲面模型創(chuàng)建完成后，使用Shell命令通過設(shè)置Thickness厚度來對(duì)曲面進(jìn)行增厚，這樣生成的是零件的實(shí)體模型。

4 轎車發(fā)動(dòng)機(jī)罩沖壓成型試驗(yàn)研究

4.1 多點(diǎn)成型軟硬件系統(tǒng)

本文中的軟件系統(tǒng)主要是CAD/CAM多點(diǎn)成型軟件，與之適用的多點(diǎn)成型設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 多點(diǎn)成型設(shè)備參數(shù)

設(shè)備型號(hào) MPF-63基本體總數(shù) 1 280（40行×32列）基本體桿部尺寸/mm×mm 10.00×10.00基本體頭部直徑/mm 25.00基本體頭部球冠直徑/mm 9.00基本體最大行程/mm 10.00閉合高度/mm 100.00

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩多點(diǎn)成型試驗(yàn)

先將按1∶4比例縮小的某轎車發(fā)動(dòng)機(jī)罩的三維CAD模型導(dǎo)入多點(diǎn)成型CAD/CAM系統(tǒng)軟件中,然后進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)罩試驗(yàn)可行性計(jì)算分析。由于多點(diǎn)成型是采用基本體群代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具，成型曲面存在不連續(xù)現(xiàn)象，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣成型的效果，將邊緣以外未接觸的基本體按照發(fā)動(dòng)機(jī)罩曲面曲率緩慢變化，最后在成型件上沿邊緣接觸線切邊即可。圖3和圖4分別為上、下基本體群與成型件的接觸關(guān)系。從圖3和圖4可看出，系統(tǒng)顯示基本體狀態(tài)良好，上、下基本體群經(jīng)調(diào)形后構(gòu)成的三維曲面與成型件的曲面吻合良好，可以進(jìn)行成型件的壓制。

在多點(diǎn)成型中，工件的成型精度主要取決與基本體群構(gòu)成的包絡(luò)面精度。本文所要加工成型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩就是由上、下基本體群所構(gòu)成的包絡(luò)面來沖壓成型的。圖5所示為壓制成型時(shí)下基本體群所構(gòu)成的三維曲面包絡(luò)面。

多點(diǎn)成型比較適合于成型較平緩的曲面，也就是曲率半徑較大的曲面。因此，本文只針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩沖壓成型的一道工序進(jìn)行試驗(yàn)，并不包括后序修邊、翻邊等工序，最后在成型件上沿邊緣接觸線切邊即可。最終經(jīng)過壓制成型后的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)罩如圖6所示，從圖6可看出，板料目標(biāo)成型區(qū)域具有較好的表面質(zhì)量，表面無壓痕、起皺等不良現(xiàn)象。

對(duì)最后所得沖壓件厚度進(jìn)行測(cè)量，其最厚處為0.82 mm,比原來厚度（0.80 mm）增加了 0.02 mm；最薄處厚度為0.67 mm，比原來減少了0.13 mm。經(jīng)計(jì)算，零件最小變薄率為－2.5%，最大變薄率為16.3%，并且最大增厚和最大減薄位置均分布在邊緣處，因此不會(huì)影響零件的成型質(zhì)量。從工程實(shí)際的角度來看，對(duì)汽車覆蓋件及其它結(jié)構(gòu)鋼而言，板料厚度減少4%～20%是可接受的，若減少得太多則將削弱零件的剛度，且引起開裂。

5 結(jié)束語

以汽車覆蓋件逆向設(shè)計(jì)為背景，運(yùn)用逆向工程技術(shù)快速重構(gòu)出汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩的三維曲面模型，并對(duì)其進(jìn)行了多點(diǎn)成型工藝的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，板料目標(biāo)成型區(qū)域的表面質(zhì)量較好，最大增厚和最大減薄位置均分布在邊緣處，不影響零件成型質(zhì)量。關(guān)于多點(diǎn)成型技術(shù)在汽車覆蓋件成型應(yīng)用中存在的問題,如板料的回彈、起皺、壓痕等問題，仍需要進(jìn)一步研究。

1 李明哲，蔡中義，崔相吉.多點(diǎn)成型－金屬板材柔性成型的新技術(shù).金屬成型工藝，2002，20（6）:5～9.

2 裴永生，李明哲，蔡中義，等.板材變路徑多點(diǎn)成型的理論分析與實(shí)現(xiàn).農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34（2）:114～116.

3 Varadyt， MartinR， J·Cox:Reverse engineering of geometric models an introduction.ComputerAided Design， 1997（4）:255～268.

4 任玉波，孫惠學(xué)，史艷國，等.基于逆向工程的自由曲面數(shù)字化檢測(cè)方法研究.中國機(jī)械工程，2003，14 （16）:1397～1399.

5 朱心雄.自由曲面造型技術(shù).北京:科學(xué)出版社，2000.

6 胡影峰.逆向工程后處理中基于點(diǎn)線面的曲面重建.煤礦機(jī)械，2008（6）.