基于逆向工程的汽車覆蓋件多點成型研究＊

裴永生 張亮亮 吳丹丹

（燕山大學(xué)）

1 前言

多點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）組成柔性多點模具，取代了傳統(tǒng)沖壓成型模具，實現(xiàn)了對金屬板材的柔性加工[1,2]。雖然國內(nèi)外學(xué)者對多點成型方法有一定的研究，但大多處于實驗室研究階段，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)動機罩為例，運用逆向工程（Reverse Engineering，RE）[3,4]方法重構(gòu)了轎車發(fā)動機罩的三維曲面模型，考慮到現(xiàn)有多點成型設(shè)備的工作臺面限制，對重構(gòu)的三維曲面模型按幾何相似原理進行了1∶4的縮小，然后對縮小的模型進行了多點成型工藝研究。

2 數(shù)據(jù)采集

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

3.1 點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

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

3.1.1 濾除噪聲點

在測量過程中，由于受鏡頭畸變、儀器設(shè)備抖動、測量時環(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，嚴(yán)重影響后續(xù)的曲面重構(gòu)，必須對點云數(shù)據(jù)進行降噪處理。去除噪聲點常采用程序判斷濾波法、N點平均濾波法及自適應(yīng)濾波法等。Geomagic Studio軟件提供了手動刪除噪聲點和用Reduce Noise命令自動過濾噪聲點等2種處理方法。

3.1.2 多視點云的拼合

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

3.2 提取特征線

點云數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，可將零件的點陣模型轉(zhuǎn)換成三角面片模型進行特征線提取，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量出來的空間散亂點集用三角bezier曲面片進行產(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)格控制點列；Wi，j為相應(yīng)控制點的權(quán)因子；Ni，p（u）和 Nj，q（v）為在節(jié)點矢量上定義的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)。

對測得的數(shù)據(jù)點陣 Qi，j，i=0，1，…m；j=0，1，…n，利用向心參數(shù)法對u向第i行數(shù)據(jù)點進行參數(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個參數(shù)方向的節(jié)點矢量U、V可確定如下。

節(jié)點失量U：

節(jié)點矢量V：

由于逆向工程測量得到的是曲面上的型值點，因此需要對已有的數(shù)據(jù)點進行反算求出曲面的控制點及其相關(guān)的權(quán)因子。為簡化運算，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)點矢量U、V，首先對u向的m+1組型值點，在節(jié)點矢量V上進行 NURBS 曲線插值，求得控制頂點 Di，j，j=0，…，n；再以 v 向控制頂點 Di，j，j=0，…，n 為型值點，在節(jié)點矢量U上進行曲線插值，從而得到曲面的控制頂點，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，否則得到的曲面會太碎；曲面片也不應(yīng)劃分的過大，否則不能很好地捕捉點云形狀，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命令來對零件進行分塊，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厚度來對曲面進行增厚，這樣生成的是零件的實體模型。

4 轎車發(fā)動機罩沖壓成型試驗研究

4.1 多點成型軟硬件系統(tǒng)

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

表1 多點成型設(shè)備參數(shù)

設(shè)備型號 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)動機罩多點成型試驗

先將按1∶4比例縮小的某轎車發(fā)動機罩的三維CAD模型導(dǎo)入多點成型CAD/CAM系統(tǒng)軟件中,然后進行發(fā)動機罩試驗可行性計算分析。由于多點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)動機罩邊緣成型的效果，將邊緣以外未接觸的基本體按照發(fā)動機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，可以進行成型件的壓制。

在多點成型中，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)動機罩就是由上、下基本體群所構(gòu)成的包絡(luò)面來沖壓成型的。圖5所示為壓制成型時下基本體群所構(gòu)成的三維曲面包絡(luò)面。

多點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，本文只針對發(fā)動機罩沖壓成型的一道工序進行試驗，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)動機罩如圖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。

對最后所得沖壓件厚度進行測量，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，因此不會影響零件的成型質(zhì)量。從工程實際的角度來看，對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)計為背景，運用逆向工程技術(shù)快速重構(gòu)出汽車發(fā)動機罩的三維曲面模型，并對其進行了多點成型工藝的研究。試驗結(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，仍需要進一步研究。

1 李明哲，蔡中義，崔相吉.多點成型－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.板材變路徑多點成型的理論分析與實現(xiàn).農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，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)字化檢測方法研究.中國機械工程，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線面的曲面重建.煤礦機械，2008（6）.