汽車零部件參數化逆向設計研究

陳建洲 吳婷

摘 要：針對傳統逆向工程設計無法參數化的問題，利用正逆向相結合的設計思想，對某汽車零部件的參數化逆向設計建模進行研究。通過點云預處理、區域劃分、特征提取、實體重建，有效提取出各部分結構單元的原始特征信息，重構出較高準確的產品參數化實體模型。研究結果表明，該方法具有進一步參數化的修改能力，能夠為后續產品的創新和優化設計提供基礎，對于提高汽車零部件新產品開發的速度和質量具有重要意義。

關鍵詞：逆向工程；參數化；特征提取；汽車零部件

中圖分類號：U463 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0134-03

Abstract： For the problem that the traditional reverse engineering design can not be parameterized， the parametric reverse design modeling of some automobile parts is studied using the idea of combining positive and reverse design. Through point cloud preprocessing， region division， feature extraction and entity reconstruction， the original feature information of each part of the structure unit is extracted effectively， and the product parameterized entity model with high accuracy is reconstructed. The results show that the method has the ability of further parameterization modification and can provide the basis for the innovation and optimization design of subsequent products， which is of great significance to improving the speed and quality of the new product development of automobile parts.

Keywords： reverse engineering； parameterization； feature extraction； automotive parts

1 概述

隨著計算機技術和汽車行業的蓬勃發展，逆向工程技術在汽車產品開發領域中的應用日趨廣泛。逆向工程是根據已經存在的產品實物模型，通過三維掃描和重構形成產品數據模型的過程[1]。運用逆向工程可以縮短產品的設計周期，降低設計成本，提升產品的市場競爭力，拓展設計師的設計思維，同時可對工藝產品的改良或再開發設計具有高效的便捷性和操作性[2]。

目前，逆向工程設計流程大部分是將掃描儀獲得的零件點云數據進行曲面擬合，以重建出產品的CAD模型[3-5]。這種方法雖然簡單快速，但無法進行參數化編輯，對后續的生產和創新造成很大的不便[6]。將正向設計和逆向設計有機的結合起來的參數化設計方法是設計研發領域的必然趨勢[7]。

2 汽車零部件參數化逆向設計

本文以某汽車差速器殼為例，對其參數化的逆向設計問題展開研究，運用正逆向相結合的設計思想，在Geomagic Design X軟件平臺下實現該零件的參數化逆向建模。

2.1 數據采集和預處理

差速器殼是一種外部形狀復雜，內部為厚度均勻的回轉表面零件，因此對此類零件的數據采集只需利用掃描儀掃描外部表面數據，薄殼厚度可通過測量工具獲得，這樣可以減少掃描時間以及點云數據文件的大小。掃描完成后，通過降噪、網格封裝、修補等功能對數據進行優化處理，最后得到精簡的差速器網格模型如圖1所示。

2.2 區域劃分和特征提取

由于掃描后的模型坐標系為設備全局坐標系，遠離物體表面，因此對該模型的表面形態特征進行分析和提取，方便后續建模。首先對該差速器殼網格模型進行曲率分析，以將模型表面形態特征進行區域劃分，將相同類型的特征區域進行合并組合，對不同類型的特征區域進行手動調整，其結果如圖2所示。分別將區域1和區域2 擬合為平面，由于這兩個平面相互垂直，因此可以基于它們作為坐標系中的兩個坐標面方向；然后，提取區域3回轉面的回轉軸作為坐標軸。最后利用這三個特征將模型對齊到世界坐標系方向。

2.3 參數化實體結構重建

差速器殼的主體結構為回轉體，首先利用過回轉軸的平面截取網格模型來獲得初始截面輪廓，并進行輪廓曲線擬合和參數化修改以及添加約束關系，來勾勒出精確的回轉輪廓，如圖3（a）所示。利用該輪廓，在“回轉”命令下進行回轉建模重建出差速器殼主體結構，如圖3（b）所示。

差速器殼的內部表面，根據測量得到的薄殼厚度對主體結構進行抽殼處理。對于零件兩側的平面凸臺以及圓弧狀凹面結構，首先截取該位置的截面輪廓，然后利用拉伸和鏡像來獲得，如圖4（a）所示。差速器殼的所有孔特征，同樣利用拉伸切割功能來實現。對于差速器殼的鑄造圓角特征，利用軟件中的 “面片估算圓角”測量功能估算圓角區域的曲率半徑，進行參數化倒圓角，其最終結果如圖4（b）所示。

2.4 誤差分析

為保證重構后的產品CAD模型符合精度要求，需要對重構后的CAD模型進行誤差檢測。誤差分析主要是從定量的角度實現對逆向模型的質量檢查，即原有模型與逆向模型之間到底偏離了多少，在實際應用中是否可被接受[8]。

將重構的差速器殼實體模型與原始點云數據進行比較，得出如圖5所示的誤差分布圖。可以看出，本研究重構的模型外表面與原始點云之間的偏差大部分在±0.1mm的公差范圍內，設計精度要求較高。對于偏差較大的區域，其原因可能是在特征提取以及輪廓擬合過程中存在一定的誤差，因此，可以返回到設計界面對所構建的特征進行參數化局部調整，直到滿足要求為止。

3 結束語

隨著數字化的高速發展，逆向工程不管是在創新型企業或者非創新型企業都得到了廣泛的應用。本文以 Geomagic Design X 軟件為平臺，通過分析某汽車差速器殼的表面形態特征，有效地提取出各個結構單元的原始形狀特征，重構出較高準確的產品參數化實體模型；并以原始采集數據為依據，對參數化模型進行了誤差分析。該方法可使工程師更加清楚的了解產品的原始設計意圖，從而對模型的信息掌握更加明確，結合正向建模思路可以解決一些復雜模型的創新設計，有效提高產品的開發速度，縮短開發周期，具有較好的應用價值。

參考文獻：

[1]王沁峰，胡志超，張火土，等.汽車覆蓋件逆向工程設計研究與應用[J].機械設計與制造，2011（4）：83-85.

[2]周小東，成思源，楊雪榮，等.基于參數化逆向建模的仿真優化設計[J].組合機床與自動化加工技術，2015（11）：13-18.

[3]孫文濤，董斌.產品設計中逆向工程技術應用研究[J].包裝工程，2014，35（12）：80-83.

[4]劉賽.汽車轉向節逆向重構與誤差檢測應用技術研究[J].制造業自動化，2017，39（9），75-78.

[5]李丹.基于逆向工程的汽車覆蓋件曲面重構技術研究[J].機械設計，2016，33（8）：113-116.

[6]黃兵鋒.汽車零部件逆向設計中的參數化建模方法研究[J].機電工程，2013，30（11）：1345-1349.

[7]王喬，成思源，楊雪榮，等.基于Geomagic Design Direct的正逆向混合建模創新設計[J].組合機床與自動化加工技術，2016（5）：59-61.

[8]金濤，匡繼勇.產品反向工程的誤差分析[J].機械設計與制造，2000，12（6）：66-68.