基于逆向工程的汽車輪胎擋泥罩溫控形變檢測技術(shù)研究

姜海英，姜繼春，青格勒，梁嵬

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.長春設(shè)備工藝研究所，長春 130012）

基于逆向工程的汽車輪胎擋泥罩溫控形變檢測技術(shù)研究

姜海英1，姜繼春2，青格勒1，梁嵬1

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.長春設(shè)備工藝研究所，長春 130012）

汽車輪胎擋泥罩結(jié)構(gòu)復雜，曲面很多，采用傳統(tǒng)方法無法檢測其溫度發(fā)生變化時的形變。通過對汽車輪胎擋泥罩的溫控形變檢測實驗，提出將逆向工程技術(shù)運用在其檢測技術(shù)方法中，采用三維激光掃描儀Handyscan3D獲取輪胎擋泥罩點云數(shù)據(jù)，將輪胎擋泥罩點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，進而利用NURBS方法在CATIA V5軟件平臺上重構(gòu)輪胎擋泥罩三維模型。就逆向結(jié)果對比標準數(shù)據(jù)進行精度分析，獲得符合精度要求的輪胎擋泥罩擬合精度，確立該檢測技術(shù)的正確性及實用性，并在此基礎(chǔ)上進行形變后的汽車輪胎擋泥罩檢測以獲取其溫控形變參數(shù)。

汽車輪胎擋泥罩；點云數(shù)據(jù)；重構(gòu)模型；精度分析；溫控形變

汽車的安全性能一直是用戶選擇汽車的重要標準，汽車輪胎擋泥罩是汽車的重要配件，與輪胎的緊密程度和外形形變對汽車運行的安全性與舒適性有較大影響。汽車輪胎擋泥罩受不同溫度影響會發(fā)生變形，如果變形量較大，在特殊天氣特殊地區(qū)，如暴雨雪天氣的地區(qū)，汽車輪胎擋泥罩與輪胎之間摩擦增大，長期使用不僅降低汽車輪胎的壽命，增大噪聲污染，還會增加行車阻力，從而影響行車的安全性及舒適性。故要求準確測量模擬整車環(huán)境，檢測擋泥罩在不同溫度的形變量，成為整車廠對相應(yīng)配套廠商的供貨要求。

1 輪胎擋泥罩溫控形變檢測實驗

1.1 輪胎擋泥罩溫控檢測實驗方案的制定

本次實驗的對象是某企業(yè)新研制的未上市產(chǎn)品，如圖1所示，它由過去單一弧形金屬罩體演變成新型材料的弧形輪轂擋泥罩體，其特征在于，輪胎擋泥罩體的外表面周向設(shè)置有凹凸加強結(jié)構(gòu)，采用高密度石灰棉（纖維隔音材料），使其具有吸震隔音的功效。一般的檢測方法要耗費大量的時間及人員精力，工序復雜，相當浪費資源，而本次研究的目的是將逆向工程方法引進到溫控形變檢測實驗，它改變了以前的理念，縮短了工作周期。

圖1 檢測所用的輪胎擋泥罩

輪胎擋泥罩溫控檢測實驗工藝制定，對應(yīng)某企業(yè)要求，需制定檢測實驗的實驗標準、環(huán)境要求、精度要求等。

1.1.1 檢測實驗標準

根據(jù)輪胎擋泥罩廠商的實驗執(zhí)行標準PV1200，輪胎擋泥罩氣候交變穩(wěn)定性實驗箱（+80/-40）℃PV-1200，具體實驗要求如表1所示。

表1 PV1200實驗要求

一周期具體實驗設(shè)置要求為：（1）60min，升溫相位，溫度為+80℃，相對濕度為80%RH；（2）240min，保持時間，溫度為+80℃，相對濕度為80%RH；（3）120min，降溫相位，在-40℃處，當達到凍點附近30%空氣濕度時，從T＜0℃起保持空氣濕度不變，即不再調(diào)節(jié)溫度（由于設(shè)備條件的限制，從T＜10℃開始，濕度調(diào)節(jié)失效是允許的）；（4）240min，保持時間，在-40℃左右，保持空氣濕度不變，不調(diào)節(jié)溫度；（5）60min，升溫相位，在+23℃處，約在T=0℃，相對濕度調(diào)到30%。

1.1.2 檢測環(huán)境和精度要求

檢測環(huán)境直接影響輪胎擋泥罩的檢測實驗的準確性，本次主要以石灰棉為原料的隔音棉與硬質(zhì)塑料復合而成的輪胎擋泥罩，來測量其溫控變形系數(shù)，故應(yīng)避免除環(huán)境箱外一切產(chǎn)生環(huán)境影響的因素。其次結(jié)合掃描儀Handyscan3D的正常測量環(huán)境范圍，輪胎擋泥罩檢測實驗環(huán)境應(yīng)保持在恒定的范圍內(nèi)，考慮輪胎擋泥罩材料、檢測設(shè)備及廠房條件制定穩(wěn)定環(huán)境標準：溫度區(qū)間應(yīng)在25.79-26.22℃，濕度區(qū)間應(yīng)在63.35-70.20%，氣壓宜在948.17-950.99mpars。

為保證輪胎擋泥罩溫控形變系數(shù)的準確性，廠商對輪胎擋泥罩檢測提出了最大允許偏差為5%，即單方向誤差不得超過該方向產(chǎn)品尺寸的5%，為此需要輪胎擋泥罩的尺寸數(shù)據(jù)來推導輪胎擋泥罩檢測實驗的檢測精度要求，通過廠商提供輪胎擋泥罩設(shè)計原始數(shù)模，得出輪胎擋泥罩外形尺寸數(shù)據(jù)，如表2所示。

結(jié)合輪胎擋泥罩尺寸數(shù)據(jù)及企業(yè)最大偏差比，推算輪胎擋泥罩檢測誤差應(yīng)小于0.2mm。

1.2 輪胎擋泥罩檢測實驗

數(shù)據(jù)獲取是逆向工程的第一步，也是輪胎擋泥罩形變檢測實驗的基礎(chǔ)，因此，數(shù)據(jù)獲取的好壞直接影響整個工程質(zhì)量。輪胎擋泥罩含有多種異形曲面，還有多種紋理，給檢測實驗增加了難度。為獲得精準輪胎擋泥罩曲面數(shù)據(jù)，結(jié)合企業(yè)實驗標準PV1200建立合理高效的實驗流程，如圖2所示。

圖2 輪胎擋泥罩檢測實驗流程圖

測量轎車輪轂擋泥罩溫控形變的目的是模擬所測產(chǎn)品在實車狀態(tài)下的形變情況，通過測量獲得形變數(shù)據(jù)，因此所測轎車輪胎擋泥罩嚴格按照裝車狀態(tài)安裝在相應(yīng)工裝上，安裝方式、連接狀態(tài)與整車狀態(tài)一一對應(yīng)。以確保由于卡具對所測數(shù)據(jù)的影響最小，在輪胎擋泥罩工裝確定無誤后，根據(jù)產(chǎn)品貼點原則，進行輪胎擋泥罩表面光點布局。

待Handyscan3D掃描儀設(shè)備組裝、調(diào)試、校準后，Handyscan3D結(jié)合雙目立體視覺測量方法，采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行標定，掃描儀對輪胎擋泥罩表面光點進行識別收錄，標定數(shù)據(jù)采集的坐標系，以零件表面光點整體空間定位的中心位置建立三個坐標值（X/Y/Z）陣列，輪胎擋泥罩的外形，是通過點位識別建立空間坐標模型，劃分空間網(wǎng)格。將點云數(shù)據(jù)保存為STL格式，如圖3所示，導出進行處理，將輪胎擋泥罩推入溫控環(huán)境箱，進行溫控實驗。

圖3 輪胎擋泥罩的點云數(shù)據(jù)圖

溫控實驗運行嚴格按照企業(yè)的PV1200標準，溫控環(huán)境箱如圖4所示，是可以持續(xù)保持環(huán)境箱內(nèi)的溫度值的設(shè)備。經(jīng)過標準溫控實驗要求周期之后，停止運行溫控環(huán)境箱，待箱內(nèi)溫度為正常值時，取出被測產(chǎn)品。重新進行上面的輪胎擋泥罩數(shù)據(jù)獲取實驗步驟，獲得溫控實驗之后的被測產(chǎn)品點云數(shù)據(jù)。

圖4 溫控環(huán)境箱

2 逆向工程技術(shù)的實例應(yīng)用

2.1 輪胎擋泥罩表面點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于在獲取輪胎擋泥罩的點云數(shù)據(jù)過程中，影響因素有很多，比如三維激光掃描儀的精度及調(diào)試、儀器掃描范圍的局限性、掃描物件的表面光潔度等，采集的輪胎擋泥罩點云數(shù)據(jù)必然含有雜點（噪聲），故需對已得到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，主要工作包括：去除雜點，數(shù)據(jù)精簡，數(shù)據(jù)光順，補洞處理，劃分網(wǎng)格及優(yōu)化等［2］。如圖5、圖6、圖7及表3所示。

圖5 雜點噪音去除對比

圖6 補洞處理

圖7 優(yōu)化后的輪胎擋泥罩網(wǎng)格

2.2 輪胎擋泥罩曲面重構(gòu)

利用CATIA V5R20進行曲面重建，該軟件具有強大的逆向處理功能模塊和造型設(shè)計［3］。快速曲面重建就是將點云數(shù)據(jù)經(jīng)過人為干預(yù)來形成多邊形，在多邊形化模型基礎(chǔ)上直接進行曲面片擬合。主要包括兩部分：一是對輪胎擋泥罩點云數(shù)據(jù)進行曲線重構(gòu)；二是在曲線重構(gòu)的基礎(chǔ)上進行曲面重構(gòu)［4］。相比傳統(tǒng)點-線-面的曲面造型方法，最大優(yōu)點是簡單、速度快，且能夠達到G1連續(xù)曲面。結(jié)果如圖8所示。

表3 輪胎擋泥罩數(shù)據(jù)網(wǎng)格對比

圖8 曲面重構(gòu)后的輪胎擋泥罩

2.3 輪胎擋泥罩數(shù)模誤差對比分析

將輪胎擋泥罩擬合模型導入到Geomagic Stu?dio2013軟件平臺，將二者分別設(shè)定為原始數(shù)據(jù)方和測試數(shù)據(jù)方。將原始數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)進行點位擬合，然后標出輪胎擋泥罩的不同顏色區(qū)域的偏差值，如圖9所示。由于在整個逆向過程一定會產(chǎn)生誤差，現(xiàn)場掃描所得的數(shù)據(jù)和輪胎擋泥罩的真實值之間，必然存在差異。通過輪胎擋泥罩檢測實驗中可能產(chǎn)生誤差的原因分析，采取必要措施以降低誤差，提高精度。對完成擬合后進行偏差對比，是根據(jù)企業(yè)對輪胎擋泥罩檢測誤差要求設(shè)定對比公差帶表示區(qū)間及整體誤差分布，結(jié)果如圖10所示。

圖9 輪胎擋泥罩的初次逆向偏差圖

圖10 輪胎擋泥罩改進前后偏差對比圖

由圖10可知，改進后的輪胎擋泥罩擬合模型的允許誤差在0.2mm內(nèi)，輪胎擋泥罩標定為倒三角，大于0.2為其他形狀，如圖所示。由對比曲線圖可知，輪胎擋泥罩檢測逆向整體誤差在允許誤差范圍內(nèi)，滿足輪胎擋泥罩的檢測精度要求，這項檢測技術(shù)可以用于輪胎擋泥罩的溫控形變檢測中。

在滿足廠商的精度要求后，對放置環(huán)境箱內(nèi)一周期的輪胎擋泥罩重新進行檢測實驗，實驗過程及標準嚴格按照實驗工藝制定標準進行，對一周期實驗后的擋泥罩點云數(shù)據(jù)進行偏差對比，對比結(jié)果如圖11所示。

圖11 輪胎擋泥罩溫控形變檢測結(jié)果

由圖11可知，輪胎擋泥罩發(fā)生了明顯彎曲卷邊現(xiàn)象，因為偏差標定閾值是0.2mm，則偏差值小于0.2mm的區(qū)域，即滿足企業(yè)精度要求區(qū)域，在輪胎擋泥罩縱向前側(cè)邊角處發(fā)生明顯凹陷，如圖11（a），在側(cè)邊邊角處明顯卷邊，即圖11（b），將輪胎擋泥罩發(fā)生形變區(qū)域標示，針對一周期每一溫度區(qū)間進行檢測，記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度分段測量，比對兩次測量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計計算形變偏差值如表4所示。

表4 一周期輪胎擋泥罩形變偏差值

3 結(jié)論

本文創(chuàng)新性地研究逆向工程技術(shù)在汽車輪胎擋泥罩的溫控形變檢測技術(shù)中的應(yīng)用，結(jié)合企業(yè)要求制定擋泥罩的溫控形變檢測實驗方案，嚴格按照實驗標準進行其外形表面數(shù)據(jù)采集實驗，并進行數(shù)據(jù)處理，曲面重構(gòu)。最后就逆向結(jié)果進行精度分析和溫控形變檢測實驗結(jié)果對比分析，得出擋泥罩的受溫度變化的形變偏差值，這對實際生產(chǎn)中的汽車配件廠商具有指導性實際意義。

［1］ 趙勇力，李忠元，董成文，等.基于逆向工程技術(shù)的列車零部件模型重建方法研究［J］.鐵路計算機應(yīng)用，2015（6）：9-13.

［2］ 黃國權(quán)，楊顯惠.采用逆向工程技術(shù)對葉輪建模的研究［J］.機械設(shè)計與制造，2010（2）：227-229.

［3］ 王銀冰，黃皖蘇，屈新懷，等.基于CATIA的逆向工程中的曲面重建［J］.現(xiàn)代機械，2005（6）：65-66.

［4］ 姜珍珠.扭曲自由曲面散亂測量點NURBS曲面重構(gòu)［D］.天津：天津大學，2013.

［5］ 成思源，謝韶旺.Geomagic Studio逆向工程技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：清華大學出版社，2010.

Research on Temperature Control Deformation Detection Technology of Automobile Tire Mud Shield Based on Reverse Engineering

JIANG Haiying1，JIANG Jichun2，QING Gele1，LIANG Wei1
（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun Institute of Equipment Technology，Changchun 130012）

The structure of the automobile tire mud cover is complex and has many curved surfaces.The traditional method can’t detect the deformation when its temperature changes.By retaining temperature deformation detection experiment of mud cover of automobile tires，the innovation proposed reverse engineering technology in the use of the technology of detection method.The 3D laser scanner Handyscan3D obtains the data of tire mud cover point cloud，and preprocess the data of the tire mud cover cloud，then use the NURBS method in the CATIA V5 software platform of the tire mud cover of 3D model reconstruction.Preci?sion analysis is carried out on the reverse results compared to the standard data，meet the accuracy requirements of the tyre mud?guard fitting precision，accuracy and practicality of the establishment of the detection technology of automobile tires，and on the basis of deformed mud cover detection to obtain the temperature deformation parameters.

automobile tire mud cover；point cloud data；reconstruction model；precision analysis；temperature control defor?mation

TH391.7

A

1672-9870（2017）03-0043-05

2016-12-05

姜海英（1991-），女，碩士研究生，E-mail：jhyjhy0927@163.com