基于Geomagic的汽車零件的逆向建模技術(shù)及誤差檢測(cè)分析與研究

胡麗華　王濤　任少蒙

摘 ?要：文章以國(guó)產(chǎn)小轎車的配件為原型，針對(duì)結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜以及誤差檢測(cè)復(fù)雜的問題，利用逆向工程的方法實(shí)現(xiàn)快速精度檢測(cè)與分析。文章通過天遠(yuǎn)OKIO掃描儀獲取零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用Geomagic Studio逆向建模軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)NURBS曲面重建。最后利用Geomagic Control X檢測(cè)軟件將逆向建模形成的NURBS曲面與原始設(shè)計(jì)模型進(jìn)行3D和2D比較，分析偏差來源，從而為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)，通過數(shù)據(jù)得到修模方案，縮短調(diào)模周期。

關(guān)鍵詞：逆向工程;數(shù)據(jù)掃描;數(shù)據(jù)處理;曲面重構(gòu);檢測(cè)分析

中圖分類號(hào)：TP391.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）31-0034-02

Abstract： In this paper， with the domestic automobile parts as the prototype， aiming to solve the problems such as complex structure and complex error detection， this paper uses Geomagic Studio reverse engineering to achieve fast precision detection and analysis.In this paper， the point cloud data of the product is obtained through the TIANYUAN OKIO scanner， and Using Geomagic Studio reverse modeling software， this paper realizes the reconstruction of NURBS surface. Finally， using Geomagic Control X detection software， the reverse NURBS surface is compared with the original design model in 3D and 2D， and the deviation source is analyzed， which provides technical basis for actual design improvement， thereby greatly shortens the design cycle.

Keywords： reverse engineering; data scanning; data processing; surface reconstruction; detection analysis

引言

在汽車領(lǐng)域，汽車外形零件具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自由曲面多等特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的沖壓成形后易產(chǎn)生回彈現(xiàn)象以及型面磨損現(xiàn)象，造成實(shí)際生產(chǎn)的零件與其設(shè)計(jì)要求的CAD模型之間有一定的誤差，在生產(chǎn)達(dá)到一定批量之后會(huì)影響零件的成形質(zhì)量，最終影響汽車的裝配性能。隨著逆向建模技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車的外觀和性能要求也越來越嚴(yán)格，使得其在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也越來越廣泛。

1 逆向工程的工作流程

在本次研究中，利用三維掃描技術(shù)與逆向工程技術(shù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品逆向建模，逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)包括了零件的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、最終曲面擬合等過程。擬合完得到的模型保存為IGS格式，可以進(jìn)行下一步的創(chuàng)新設(shè)計(jì)或者直接加工等后續(xù)工作。本次研究主要是針對(duì)零件的檢測(cè)而做的逆向掃描，所以只需要通過技術(shù)手段得到最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為后續(xù)導(dǎo)入Geomagic Control X軟件打下基礎(chǔ)。

2 逆向工程的誤差來源

逆向工程的誤差可以兩個(gè)部分，偶然誤差和系統(tǒng)誤差。偶然誤差可以人為控制，一般是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中多次不確定性因素而產(chǎn)生的差異，誤差隨機(jī)分布且不能預(yù)測(cè)，正常情況下通過多次試驗(yàn)可以完全消除;系統(tǒng)誤差具有系統(tǒng)性，造成系統(tǒng)誤差的因素有儀器誤差、裝置條件誤差、試驗(yàn)方法理論誤差和個(gè)人誤差等，系統(tǒng)誤差消除比較困難，一般需要分析每個(gè)原理、每臺(tái)設(shè)備、每個(gè)步驟才能找到誤差的來源。

由于本次主要分析的是制造誤差，所以不管是在測(cè)量過程中產(chǎn)生誤差、數(shù)據(jù)處理誤差還是模型重構(gòu)產(chǎn)生的誤差都應(yīng)該將誤差控制在最小范圍內(nèi)，有利于更加準(zhǔn)確地分析零件在制造過程中產(chǎn)生的誤差。

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 掃描前處理

本次掃描的是某型號(hào)國(guó)產(chǎn)汽車的配件，如圖1所示，圖中圓圈所畫的部位是本次精度分析中的關(guān)鍵尺寸，通過調(diào)整零件放置的角度和位置，準(zhǔn)確得到這幾個(gè)彎曲部位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描前將被測(cè)物體噴涂白色顯像劑和貼標(biāo)識(shí)點(diǎn)，通過對(duì)零件的觀察與分析，找出可能形成的測(cè)量盲區(qū)，進(jìn)行多次掃描，通過調(diào)整零件的位置和角度減少盲區(qū)。

在進(jìn)行正式掃描之前需要對(duì)掃描儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，調(diào)整拍攝距離、調(diào)整相機(jī)亮度和標(biāo)定系統(tǒng)等。對(duì)掃描儀進(jìn)行標(biāo)定時(shí)， 先通過調(diào)整相機(jī)的高度將兩個(gè)攝像頭的焦距重合，然后調(diào)整相機(jī)亮度，將背景曝光度調(diào)整到-2，在轉(zhuǎn)臺(tái)上貼一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，用于轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定，準(zhǔn)備工作完成后，按照操作步驟對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定。

3.2 掃描

轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定完畢之后，將被測(cè)零件放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，在3D-SCAN軟件中新建一個(gè)拼接測(cè)量工程，點(diǎn)擊轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量，將轉(zhuǎn)盤設(shè)置為中等速度勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臺(tái)每轉(zhuǎn)45度相機(jī)掃描一次，掃描儀能自動(dòng)獲取零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并在軟件主頁(yè)面同步顯示采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)，最后軟件會(huì)自動(dòng)拼接每次掃描的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存?zhèn)溆谩?/p>

4 點(diǎn)云處理及數(shù)模重構(gòu)

所有的點(diǎn)云信息采集完之后會(huì)自動(dòng)保存在我們的新建工程里，我們運(yùn)用Geomagic studio軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在 Geomagic studio軟件導(dǎo)入掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)汽車零件的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要包括： 簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)、注冊(cè)合并、清除噪點(diǎn)和填充孔、面片光順、生成曲面等。點(diǎn)云處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云處理結(jié)果

5 模型對(duì)比分析

將原有的CAD模型和擬合好的曲面分別導(dǎo)入Geomagic Control X（原Geomagic qualify）軟件中，將原有的CAD模型設(shè)置為REF，作為參考對(duì)象，將重構(gòu)好的模型設(shè)置為TEST，作為本次的檢測(cè)對(duì)象，在最新版本中軟件默認(rèn)數(shù)字模型為參考對(duì)象，導(dǎo)入的重構(gòu)模型為測(cè)試對(duì)象。下一步應(yīng)該把兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊，常用的對(duì)象對(duì)齊方式有初始對(duì)齊、最佳擬合對(duì)齊、N點(diǎn)對(duì)齊等，通過分析本次模型的特征，首先用最佳擬合對(duì)齊方式使重構(gòu)模型和CAD模型的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)齊，然后采用N點(diǎn)對(duì)齊使兩個(gè)模型貼合，對(duì)某些細(xì)節(jié)部位要求嚴(yán)格的零件單獨(dú)對(duì)齊來減小偏差。

5.1 3D偏差分析

本次研究的模型是一個(gè)多角度彎曲的沖壓零件，對(duì)彎曲圓角部分的尺寸要求比較嚴(yán)格，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)對(duì)彎曲成型后的要求進(jìn)行零件尺寸的檢測(cè)，設(shè)置最大、最小偏差值（本次測(cè)試合格公差設(shè)置為±0.3mm），通過3D對(duì)比頻譜結(jié)果分析，可以大致地分析出不合格區(qū)域，從而為更精確的2D偏差分析提供參考依據(jù)。如圖3所示為3D偏差分析結(jié)果。

5.2 2D偏差分析

從3D偏差頻譜分析結(jié)果中，選取幾個(gè)超差范圍比較多的截面單獨(dú)作2D偏差分析，選取要求比較嚴(yán)格的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，得出以下結(jié)果：所測(cè)節(jié)點(diǎn)具體的偏差數(shù)值，最大的偏差為1.7354，最小的偏差為-0.0241，結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際用途，偏差在允許范圍內(nèi)。

廠家通過得到的檢測(cè)報(bào)告，找出偏差比較大的區(qū)域?qū)δ＞叩耐?、凹模或者沖壓參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而得到更精確的尺寸。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用先進(jìn)的三維掃描技術(shù)，對(duì)模型進(jìn)行全尺寸測(cè)量，再借助于逆向建模軟件以及檢測(cè)軟件Geomagic Control X，將這種先進(jìn)的檢測(cè)方法應(yīng)用于檢測(cè)零件型面的精度和誤差，為汽車零部件的沖壓回彈數(shù)據(jù)提供了可靠的依據(jù)，同時(shí)也為大批量零件質(zhì)量抽檢提供了修模依據(jù)。

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