基于Geomagic Studio的汽車引擎蓋的逆向設(shè)計

陳堰芳

（上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院，上?！?00240）

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基于Geomagic Studio的汽車引擎蓋的逆向設(shè)計

陳堰芳

（上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院，上海200240）

摘要：使用逆向工程軟件Geomagic Studio對汽車引擎蓋進(jìn)行逆向設(shè)計，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的處理以及曲面重構(gòu)，得到汽車引擎蓋的曲面模型，最后將曲面模型進(jìn)行精度分析，與初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)比較。結(jié)果表明：這種設(shè)計方式可以比較精確地還原實(shí)體的各項(xiàng)特征，能夠?yàn)槠囈嫔w的后續(xù)分析和優(yōu)化設(shè)計提供可靠的曲面模型。

關(guān)鍵詞：汽車引擎蓋；逆向工程；Geomagic Studio

1　汽車引擎蓋及逆向工程技術(shù)應(yīng)用

車身是汽車上四大總成（底盤、車身、發(fā)動機(jī)、電器設(shè)備）之一，而引擎蓋作為汽車車身的一個重要組成部分，與汽車眾多零部件具有嚴(yán)格的裝配關(guān)系，因而汽車引擎蓋的設(shè)計和制造具有十分重要的地位。汽車引擎蓋是一個形狀復(fù)雜的空間薄壁殼體，在設(shè)計過程中不僅要運(yùn)用機(jī)械設(shè)計知識，而且還要考慮空氣動力、人機(jī)工程和材料工程等方面的因素，傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代汽車引擎蓋的設(shè)計要求。

逆向工程（Reverse Engineering）也稱反求工程，是近年來迅速發(fā)展的一種產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計制造技術(shù)，它是指設(shè)計人員對現(xiàn)有實(shí)物模型進(jìn)行測量、數(shù)據(jù)處理及模型重構(gòu)，最后經(jīng)過CAD/CAE/CAM系統(tǒng)改進(jìn)舊產(chǎn)品、創(chuàng)造新產(chǎn)品的過程。這種設(shè)計制造技術(shù)給設(shè)計人員提供了方便快捷的產(chǎn)品開發(fā)途徑，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計制造周期，在汽車產(chǎn)品開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用。趙毅、王明輝基于Geomagic Studio軟件，運(yùn)用逆向工程技術(shù)研究了汽車連桿鍛件的NURBS曲面造型；何新毅、張庭芳等依據(jù)逆向設(shè)計的原理，對保時捷汽車模型車身進(jìn)行了研究，得到了良好質(zhì)量的汽車車身CAD模型，完成了逆向工程在車身設(shè)計中的應(yīng)用初步研究；武振鋒、謝坤等借助CATIA V5軟件，研究了轎車引擎蓋的逆向設(shè)計過程。本文運(yùn)用逆向工程技術(shù)，對某型號汽車的引擎蓋進(jìn)行掃描獲取其表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用Geomagic Studio軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精確處理和曲面造型，得到了比較可靠的曲面模型，完成了該汽車引擎蓋的曲面造型設(shè)計。

2　逆向工程

逆向工程是一個從有到無的過程，根據(jù)已存在的產(chǎn)品模型或?qū)嵨铮ㄟ^各種測量手段、數(shù)據(jù)處理軟件及三維幾何建模方法，將原有的實(shí)物模型轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計圖紙數(shù)據(jù)。圖1為逆向工程流程。從圖1可以看出，在逆向工程設(shè)計的過程中，實(shí)物模型表面數(shù)據(jù)的測量、處理、曲面模型重構(gòu)等三個方面的技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)。

圖1　逆向工程流程

實(shí)物模型表面數(shù)據(jù)測量是逆向工程設(shè)計的首要環(huán)節(jié)，是指通過特定的測量方法和設(shè)備，將實(shí)物模型表面形狀轉(zhuǎn)換成幾何空間坐標(biāo)點(diǎn)，從而得到逆向建模和尺寸評價所需要的數(shù)據(jù)。測量得到的數(shù)據(jù)結(jié)果一般稱為點(diǎn)云。然而測量方法和設(shè)備有很多種，每種測量方法和設(shè)備都有其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。我們需要根據(jù)實(shí)物模型表面形狀的特點(diǎn)來選取合適的測量方法和設(shè)備，來進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，從而給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和曲面重構(gòu)提供一個精確的質(zhì)量良好的點(diǎn)云。

實(shí)物模型表面測量數(shù)據(jù)的處理是逆向工程設(shè)計的中間環(huán)節(jié)，是指對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除錯誤點(diǎn)、降噪拉回偏離的雜點(diǎn)和噪聲點(diǎn)、過濾一部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)以節(jié)省計算機(jī)內(nèi)存提高處理速度、修補(bǔ)數(shù)據(jù)漏洞等處理。無論是哪一種測量方法和設(shè)備，也無論是哪一位操作者進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，都會產(chǎn)生錯誤點(diǎn)、雜點(diǎn)和噪聲點(diǎn)，而且最終所需的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)量、點(diǎn)云之間的距離均有不同要求，因而要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理。

實(shí)物模型的曲面模型重構(gòu)是逆向工程設(shè)計的后續(xù)環(huán)節(jié)，是指從一個已有的物理模型或?qū)嵨锪慵a(chǎn)生出相應(yīng)的CAD模型的過程，即物體離散點(diǎn)的網(wǎng)格化、特征提取、表面分片和曲面生成等操作，是逆向工程設(shè)計過程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一個環(huán)節(jié)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、CAE分析和CAM加工制造等應(yīng)用提供數(shù)字模型。

3　汽車引擎蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在Geomagic Studio軟件中導(dǎo)入測量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，查看點(diǎn)云的信息，觀察其大致形狀。引擎蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過程如下：首先通過選擇非連接項(xiàng)/體外孤點(diǎn)命令，手動刪除誤采集到的意外點(diǎn)和體外孤點(diǎn)。其次通過減少噪音命令，將點(diǎn)移至統(tǒng)計的正確位置以彌補(bǔ)掃描誤差，使點(diǎn)的排列更加平滑。然后通過統(tǒng)一采樣命令，設(shè)置采樣間距和曲率，以規(guī)定密度來減少平坦曲面上的點(diǎn)數(shù)目。圖2為降噪過濾后的引擎蓋點(diǎn)云。

圖2　降噪過濾后的汽車引擎蓋的點(diǎn)云圖

通過封裝命令，將點(diǎn)云網(wǎng)格化，使點(diǎn)對象轉(zhuǎn)換成多邊形對象。這時的多邊形對象是一個比較完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但存在一些孔洞需要進(jìn)一步修復(fù)。可以先清除孔洞周圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過填充孔命令，完成孔洞的修補(bǔ)，得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后通過快速光順/砂紙/松弛命令，可以使三角網(wǎng)格的大小一致而且更平滑。最后通過網(wǎng)格醫(yī)生命令，修復(fù)三角網(wǎng)格內(nèi)的缺陷，得到一個質(zhì)量良好的三角網(wǎng)格點(diǎn)云，如圖3所示。

圖3　汽車引擎蓋的三角網(wǎng)格點(diǎn)云圖

4　汽車引擎蓋曲面模型重構(gòu)

Geomagic Studio軟件中構(gòu)造曲面模型的方法有兩種，即精確曲面和參數(shù)化曲面。通過分析汽車引擎蓋的形狀特征，引擎蓋表面是一個不規(guī)則的復(fù)雜曲面，而參數(shù)化曲面方法適合構(gòu)建規(guī)則曲面，因此本文選擇精確曲面方法來實(shí)現(xiàn)引擎蓋的曲面模型重構(gòu)。

進(jìn)入精確曲面模塊后，首先通過探測輪廓線命令，設(shè)置曲率敏感度和分隔符敏感度，來構(gòu)造引擎蓋的輪廓線。然后輔助于編輯輪廓線操作，優(yōu)化輪廓線效果，使輪廓線的形態(tài)更加貼合于引擎蓋的實(shí)際形狀特征，從而以輪廓線為依據(jù)，將引擎蓋模型進(jìn)行區(qū)域分隔。然后通過輪廓線和邊界線構(gòu)造每個區(qū)域的曲面片，并利用移動命令來調(diào)整每個區(qū)域的曲面片的排列，使所有曲面片的排列在整體上趨于均勻一致。利用松弛命令，使曲面片的輪廓線更加平滑，增加曲面片之間的光順性。最后通過擬合曲面命令生成一個NURBS曲面，完成汽車引擎蓋的曲面模型重構(gòu)，如圖4所示。

圖4　汽車引擎蓋的曲面模型

通過偏差分析命令，將構(gòu)造的汽車引擎蓋曲面模型與初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出了如圖5所示的擬合曲面偏差分布彩圖。

圖5　汽車引擎蓋曲面模型的偏差分析

從圖5可以看出，擬合曲面的偏差很小，最大偏差分別為0.012mm、-0.013mm，分別出現(xiàn)在曲面過渡處和結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜處，平均偏差分別為0.001mm、-0.003mm，相對于汽車引擎蓋整體尺寸來說可以忽略不計。這表明了構(gòu)造的汽車引擎蓋曲面模型與初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重合度很高，滿足汽車引擎蓋曲面重構(gòu)的精度要求。

5　結(jié)語

本文介紹了逆向工程的流程及關(guān)鍵技術(shù)，并以某型號汽車的引擎蓋為例，利用Geomagic Studio軟件對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理和曲面模型重構(gòu)，最后對擬合的曲面模型進(jìn)行偏差分析。分析結(jié)果表明，重構(gòu)的曲面模型可以完全呈現(xiàn)與實(shí)體一致的特征，能夠?yàn)楹罄m(xù)汽車引擎蓋的優(yōu)化設(shè)計做準(zhǔn)備。這種設(shè)計方式能夠滿足汽車零部件逆向設(shè)計的需求，可以為實(shí)際汽車車型設(shè)計和型號改造提供參考。

The Reverse Design of Automobile Bonnet Based on Geomagic Studio

CHEN Yan-fang
（Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China）

Abstract:The reverse engineering software Geomagic Studio is used in reverse design of automobile bonnet，cloud data is carefully dealt with and surface reconstruction is done to build the surface model of automobile bonnet.Finally，precision analysis of surface model is compared with original data.The result shows that this design can accurately simulate characteristics of the material object and can provide reliable surface model.

Key words:automobile bonnet；reverse engineering；Geomagic Studio

作者簡介：陳堰芳（1989-），女，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化。

收稿日期：2015-12-29

中圖分類號：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）01-0061-02