汽車復(fù)雜曲面零件的快速參數(shù)化逆向設(shè)計(jì)分析*

汝春波， 曹 恬

（1.江西科技學(xué)院 人工智能學(xué)院， 江西 南昌 330098；2.江西省交通高級(jí)技工學(xué)校， 江西 南昌 330104）

對(duì)于車輛來(lái)說(shuō)，其中最主要的零部件之一就是汽車的復(fù)雜曲面零件，汽車的復(fù)雜曲面零件的品質(zhì)與汽車的使用壽命息息相關(guān)，不僅如此，其品質(zhì)的好壞還關(guān)系著汽車能否正常進(jìn)行工作。汽車對(duì)于復(fù)雜曲面零部件的要求是質(zhì)量要輕、抗腐蝕性強(qiáng)、韌性好，強(qiáng)度能夠滿足汽車的使用要求。隨著汽車行業(yè)的興盛，市場(chǎng)對(duì)于汽車復(fù)雜曲面零部件的需求也越來(lái)越高。汽車中潤(rùn)滑系統(tǒng)中最關(guān)鍵的裝置是機(jī)油泵，它被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于機(jī)油泵來(lái)說(shuō)，它的殼體是最關(guān)鍵的組成部分，機(jī)油泵的殼體表面的特征非常的復(fù)雜，這也意味著它的正向設(shè)計(jì)周期是非常長(zhǎng)的，設(shè)計(jì)難度也要比逆向設(shè)計(jì)建模高。采用逆向工程設(shè)計(jì)以及快速成型技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)油泵殼體這一零部件，與傳統(tǒng)的零部件設(shè)計(jì)是不一樣的，使用這兩項(xiàng)技術(shù)來(lái)生產(chǎn)零部件，零部件生產(chǎn)的周期會(huì)縮短，生產(chǎn)的效率也會(huì)有所提高。最近，國(guó)家加大對(duì)創(chuàng)新的重視，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)戰(zhàn)略開始實(shí)施，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者加大了對(duì)逆向工程這一創(chuàng)新的零部件設(shè)計(jì)技術(shù)的研究。

在國(guó)內(nèi)的一系列研究中，王春香等人利用實(shí)體獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在這一基礎(chǔ)上，對(duì)某進(jìn)口品牌的汽車使用正逆向混合建模技術(shù)來(lái)快速實(shí)現(xiàn)實(shí)體的重構(gòu)[1]。萬(wàn)長(zhǎng)東等人通過(guò)對(duì)某電動(dòng)車前懸架滑柱結(jié)構(gòu)的逆向設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上提出了一項(xiàng)規(guī)范化流程，是關(guān)于汽車懸架零件的逆向設(shè)計(jì)，這一流程具有非常強(qiáng)的可實(shí)用價(jià)值[2]。張晨亮采用三維掃描技術(shù)對(duì)異形曲面零件的快速逆向參數(shù)化建模，然后使用Hypermill軟件來(lái)完成數(shù)控加工程序的編寫，利用這一實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證逆向設(shè)計(jì)與五軸加工技術(shù)融合的有效性[3]。陳建洲在汽車覆蓋件這一基礎(chǔ)上提出分析零部件的表面形態(tài)的特征以及區(qū)域劃分，并結(jié)合正向建模方法可以實(shí)現(xiàn)零部件的快速參數(shù)建模[4]。劉賽將汽車轉(zhuǎn)向節(jié)作為研究對(duì)象，利用汽車轉(zhuǎn)向節(jié)來(lái)比較三維點(diǎn)云模型和逆向重構(gòu)模型的重合度，并分析零部件的復(fù)雜曲面的重構(gòu)品質(zhì)[5]。

在國(guó)外的研究中，Beniere在較早的時(shí)間提出了一個(gè)綜合自動(dòng)化的逆向工程，這一技術(shù)主要使用在機(jī)械對(duì)象離散化初始獲得的三維網(wǎng)格[6]。Nabil等人通過(guò)在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中增加形狀獲取和處理技術(shù)的使用這一方法來(lái)強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)和制造這一方面中逆向工程和形狀重構(gòu)技術(shù)的重要性[7]。Vijaya等人采用了逆向工程技術(shù)對(duì)曲軸建模并對(duì)此進(jìn)行了優(yōu)化和分析，同時(shí)評(píng)價(jià)和比較了汽車曲軸的疲勞性能[8]。

以上的一系列研究，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在零部件的逆向設(shè)計(jì)中，但是將這些方法應(yīng)用在工程應(yīng)用中還是存在著許多的不足。對(duì)于逆向工程的汽車復(fù)雜曲面零部件的研發(fā)仍然淺顯，因此還是要深入研究將逆向工程技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜曲面零部件進(jìn)行快速設(shè)計(jì)的這一方法。所以，本篇文章將會(huì)對(duì)某汽車的機(jī)油泵殼體進(jìn)行研究分析，基于機(jī)油泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，來(lái)對(duì)機(jī)油泵殼體進(jìn)行區(qū)域的劃分以及特征的識(shí)別，最后提出關(guān)于逆向工程的復(fù)雜形面零部件快速逆向設(shè)計(jì)的方法。

1 汽車機(jī)油泵殼體逆向設(shè)計(jì)方法

轉(zhuǎn)子式機(jī)油泵殼體是機(jī)油泵中重要的組成部分，機(jī)油泵的殼體表面分布著許多的柱狀孔和錐形孔，還具有軸承連接處，它們的形狀沒(méi)有規(guī)則，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但是具有典型性。如圖1所示為機(jī)油泵零部件圖。

圖1 機(jī)油泵殼體

在三維掃描硬件設(shè)備上，利用先臨Shining3DScanner雙目型三維掃描儀采集機(jī)油泵殼體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在掃描前，要做好充分準(zhǔn)備工作，先要觀察殼體表面的結(jié)構(gòu)，同時(shí)思考標(biāo)記點(diǎn)的公共部分掃描后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)該如何更好地進(jìn)行拼接，同時(shí)殼體的表面標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量多的那一部分應(yīng)該放在光柵投影正中心，一切準(zhǔn)備就緒以后點(diǎn)擊掃描鍵，同時(shí)觀察軟件的掃描界面是否存在多的雜點(diǎn)，如果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該及時(shí)將點(diǎn)刪除和修改，處理好了后還應(yīng)該點(diǎn)擊右下方“√”進(jìn)行保存，以免出現(xiàn)錯(cuò)誤；然后，就需要有規(guī)律地將殼體進(jìn)行移動(dòng)來(lái)依次獲得三維云數(shù)據(jù)，對(duì)每一張的云數(shù)據(jù)都要進(jìn)行細(xì)致觀察，出現(xiàn)雜點(diǎn)就進(jìn)行刪除和修改，然后保存，如果沒(méi)有出現(xiàn)雜點(diǎn)就直接進(jìn)行保存；最后，將全部掃描處理完成后，觀察軟件界面中三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型導(dǎo)出，保存格式一律采取.asc格式，隨后采用Geomagic Wrap軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，再利用Geomagic Design X這一軟件來(lái)進(jìn)行機(jī)油泵殼體曲面重構(gòu)。

2 殼體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用三維掃描儀Shining3D-Scanner來(lái)掃描獲取殼體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件中，然后根據(jù)點(diǎn)云模型的規(guī)模來(lái)選擇一個(gè)合適的采樣比例以及合適的數(shù)據(jù)單位。本次殼體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型設(shè)置了100%的采樣比率，數(shù)據(jù)的指定單位是毫米（mm），此外還對(duì)殼體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了涂色這一步驟，如圖2展示的就是步驟都設(shè)置完成的汽車零部件轉(zhuǎn)子式機(jī)油泵殼體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖2 設(shè)置完成的殼體點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.1 點(diǎn)階段處理

1） 去除體外孤點(diǎn)。在掃描殼體的時(shí)候，因?yàn)槿S掃描儀器自身以及各方面不可避免的因素，難免出現(xiàn)誤差，如環(huán)境光線不均勻和顯像劑涂局部不均勻等不足，這些不足會(huì)導(dǎo)致殼體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)上產(chǎn)生雜點(diǎn)。這時(shí)候就需要利用套索功能來(lái)盡可能地刪除大量的雜點(diǎn)，然后依次點(diǎn)擊非連接項(xiàng)和體外孤點(diǎn)，來(lái)設(shè)置好參數(shù)，最后刪除。去除體外孤點(diǎn)如圖3所示。

圖3 去除體外孤點(diǎn)

2） 減少噪聲。因?yàn)镾hining3D-Scanner在掃描和采集數(shù)據(jù)的時(shí)候儀器工作會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，而減少噪聲會(huì)讓掃描到的物體的表面特征更加細(xì)致，在物體表面不太明顯的云點(diǎn)就會(huì)減少，因此在掃描時(shí)，要在軟件工具欄那一側(cè)點(diǎn)擊“減少噪聲”，然后根據(jù)零部件自身的條件來(lái)設(shè)置好參數(shù)，同時(shí)由于殼體自身的體積比較小，它的表面也屬于復(fù)雜的曲面，因此在選擇“自由曲面形狀”中“菱柱形（積極）”，“平滑度水平”滑標(biāo)到無(wú)，“迭代”為2，“偏差限制”為0.1mm和選擇“預(yù)覽”選框的“采樣”選項(xiàng)取消。經(jīng)過(guò)這一系列操作后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型的表面將會(huì)更加平滑，具體的對(duì)比如圖4所示。

圖4 減少噪聲前后對(duì)比

3） 采樣。在不移動(dòng)任何點(diǎn)的情況下來(lái)減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)量，這樣做可以讓點(diǎn)云數(shù)據(jù)在軟件中的處理速度更快，大大提高了點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的效率。具體操作是在軟件界面選擇采樣中的“統(tǒng)一采樣”，在“統(tǒng)一采樣”中選“絕對(duì)”定義“間距”為0.6mm，最后的結(jié)果就如圖5中完成統(tǒng)一采樣所示。

兩年前，我班轉(zhuǎn)來(lái)了一名特殊的孩子——小宇。他母親病逝，父親外出謀生，禍不單行，外公突遭事故痛失三指，撫養(yǎng)他的舅媽體弱多病，家中的頂梁柱舅舅又重病在身。在“童孫未解供耕織”的懵懂歲月里，他已飽嘗喪母之痛，留守之苦；在“忙趁東風(fēng)放紙鳶”的無(wú)憂時(shí)光中，他已初見歲月艱辛，人情冷暖；在“溪頭臥剝蓮蓬”的童趣年華中，他已體驗(yàn)?zāi)抑行邼畈灰住?/p>

圖5 采樣前后

4） 封裝點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在統(tǒng)一采樣這一步驟完成以后點(diǎn)擊軟件工具欄中封裝這一功能，然后將噪聲設(shè)置為無(wú)，三角形的數(shù)量調(diào)整為最大25萬(wàn)，封裝這一步驟結(jié)束以后就會(huì)自動(dòng)形成多邊形的工作欄。

2.2 多邊形階段處理

1） 釘狀物的刪除。有些物體在掃描之后很容易出現(xiàn)釘狀物，這種物體主要出現(xiàn)在物體較小的表面特征中，如果想要?jiǎng)h除就可以點(diǎn)擊工具欄中“刪除釘狀物”，隨后會(huì)出現(xiàn)對(duì)話框，然后設(shè)置參數(shù)平滑級(jí)別為最高，最后點(diǎn)擊確認(rèn)就完成了。刪除釘狀物前后對(duì)比如圖6所示。

圖6 刪除釘狀物前后對(duì)比

2） 孔洞的填充。因?yàn)榱悴考んw在掃描前需要貼好標(biāo)記點(diǎn)，同時(shí)掃描的角度不夠充分也很容易出現(xiàn)孔洞，從而導(dǎo)致掃描獲取到的點(diǎn)數(shù)存在缺漏，因此需要在軟件上選擇孔洞填充來(lái)對(duì)殼體表面的孔洞進(jìn)行填充。孔洞填充也存在不同的類型，分別為全部填充和單孔填充，同時(shí)單孔填充中有曲率、平面、切線、內(nèi)部孔、邊界孔和搭橋6個(gè)選項(xiàng)。填充的步驟為先用“填充單個(gè)孔”來(lái)填充形狀較為規(guī)范的孔洞，而在處理一些較大的孔洞時(shí)為了避免影響云數(shù)據(jù)的精度，我們需要使用搭橋功能來(lái)處理。具體情況如圖7所示。在處理完大孔以及一些形狀規(guī)則的孔洞以后，使用“全部填充”來(lái)處理一些小的孔洞。圖8展示了孔洞填充時(shí)的模型。

圖7 搭橋處理

圖8 全部填充處理

3） 網(wǎng)格的松弛。在對(duì)孔洞進(jìn)行填充以后，模型的表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不夠平整的問(wèn)題，因此還需要對(duì)模型進(jìn)行松弛處理。圖9展示了模型在經(jīng)過(guò)松弛處理以后的效果圖，在軟件上按默認(rèn)參數(shù)，最后點(diǎn)擊應(yīng)用按鈕就處理完成了。

圖9 松弛前后效果圖

4） 特征的去除。如果殼體的表面存在明顯的突起或者凹陷，這時(shí)候我們可以使用去除特征來(lái)幫助解決這類問(wèn)題。去除特征的步驟具體如下：先在軟件中套索工具中選擇殼體上不平整的部分然后點(diǎn)擊工具欄中的“去除特征”這一步驟就完成了，特征去除后的的效果對(duì)比如圖10所示。

圖10 特征去除前后的效果圖

5） 網(wǎng)格醫(yī)生。葉輪多邊形網(wǎng)格存在的各種缺陷可以利用網(wǎng)格醫(yī)生來(lái)進(jìn)行修復(fù)處理，網(wǎng)格醫(yī)生會(huì)根據(jù)網(wǎng)格狀態(tài)自動(dòng)分析非流形邊、自相交、高度折射邊、釘狀物、小組件、小通道、小孔等特征。網(wǎng)格醫(yī)生能夠自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)有什么需要修改的地方，從而讓多邊形網(wǎng)格更加精確，具體的步驟為點(diǎn)擊網(wǎng)格醫(yī)生的對(duì)話框，然后點(diǎn)擊確定就可以完成操作，網(wǎng)格醫(yī)生處理完成以后就可以以.stl格式保存導(dǎo)出，為接下來(lái)的曲面重構(gòu)做好準(zhǔn)備，圖11所示為預(yù)處理完成好的模型圖。

圖11 預(yù)處理完成的模型圖

3 機(jī)油泵殼體的逆向建模

殼體的逆向建模是利用逆向軟件Geomagic Design X處理操作的。

3.1 殼體的結(jié)構(gòu)特征分析

圖12 殼體的結(jié)構(gòu)特征分析

3.2 殼體逆向模型的重構(gòu)

3.2.1 坐標(biāo)系的對(duì)齊

坐標(biāo)系的對(duì)齊方式分為兩種，一是對(duì)齊向?qū)В鞘謩?dòng)對(duì)齊。對(duì)齊向?qū)е傅氖歉鶕?jù)面片模型中的分割領(lǐng)域進(jìn)行坐標(biāo)系的對(duì)齊，而手動(dòng)對(duì)齊則指的是通過(guò)手動(dòng)的方式來(lái)選擇合適的點(diǎn)和面來(lái)進(jìn)行坐標(biāo)系的對(duì)齊。手動(dòng)對(duì)齊也分為兩種類型，一種是3-2-1，另一種是X-Y-Z。經(jīng)過(guò)專業(yè)的分析以后，決定對(duì)殼體模型采用手動(dòng)對(duì)齊“3-2-1”這一對(duì)齊方式，具體如圖13所示。

圖13 手動(dòng)對(duì)齊

3.2.2 面片數(shù)據(jù)的領(lǐng)域劃分

預(yù)處理完成后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)面片模型還需要進(jìn)行劃分領(lǐng)域，這樣操作能夠讓實(shí)體模型更加精準(zhǔn)。將數(shù)據(jù)劃分區(qū)域也有具體的規(guī)定，需要根據(jù)點(diǎn)云模型的特征以及曲率來(lái)進(jìn)行劃分，自動(dòng)將面片模型劃分成不同的領(lǐng)域，方便以后對(duì)不同部分進(jìn)行提取和使用。雖然，劃分模式分為手動(dòng)劃分和自動(dòng)劃分這兩種類型，但是在選擇劃分類型時(shí)還是需要根據(jù)物體的具體情況來(lái)進(jìn)行劃分，經(jīng)過(guò)分析后，決定對(duì)殼體的面片模型使用自動(dòng)劃分這一方式，具體操作為將“敏感度”設(shè)置為10，然后進(jìn)行一段時(shí)間的等待，領(lǐng)域的劃分就結(jié)束了，如圖14所示。

圖14 完成領(lǐng)域劃分

3.2.3 殼體各部分的重構(gòu)

1） 底板部分的重構(gòu)。需要在殼體的底部創(chuàng)建追加的平面來(lái)創(chuàng)建面片的草圖，具體情況如圖15所示，然后再點(diǎn)擊面片草圖模型工具欄中的拉伸功能按鈕，將它拉伸至對(duì)應(yīng)的位置，具體如圖15b所示，最后再在模式工具欄里選擇切割這一功能，按要求進(jìn)行切割，保存符合要求的部分。

圖15 殼體底板部分的重構(gòu)

2） 連接孔的重構(gòu)。在相應(yīng)的連接孔處創(chuàng)立一個(gè)參考平面，然后創(chuàng)建該連接孔處的面片草圖如圖16a所示，然后在創(chuàng)建的面片草圖模型工具欄的拉伸功能中點(diǎn)擊拉伸，然后拉伸到軸孔的底部，最后再點(diǎn)擊切割功能來(lái)進(jìn)行切割，具體如圖16b所示。

圖16 連接孔的重構(gòu)

3） 中央部分重構(gòu)。殼體的中央主體的方向與軸孔的豎直的方向是相同的，因此可以在軸孔處建立面片草圖來(lái)添加參考平面，具體如圖17a所示，然后在模型工具欄里找到拉伸功能進(jìn)行點(diǎn)擊，再在中央主體部分上創(chuàng)建與軸孔的面片草圖垂直的草圖，然后對(duì)它周圍的表面特征曲面進(jìn)行領(lǐng)域的劃分，隨后再利用面片的擬合功能來(lái)生成周圍的表面特征曲面，最后再使用剪切功能來(lái)將合適的部分進(jìn)行保留。如圖17b所示，展示為殼體的主體部分實(shí)體模型。

圖17 殼體的中央主體部分重構(gòu)

4） 運(yùn)用布爾合成進(jìn)行實(shí)體模型的合成。在軟件界面找到布爾運(yùn)算功能，利用這一功能將建立好的各實(shí)體模型進(jìn)行合成，然后對(duì)局部實(shí)體模型進(jìn)行細(xì)節(jié)部分的修改和處理。如圖18a所示，展示為最終的殼體模型圖。圖18b展示的為殼體模型的顏色公差。

圖18 實(shí)體模型的合成

4 結(jié)論

1） 本文建立了含時(shí)滯主動(dòng)懸架離散控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)立了最優(yōu)的控制器，還進(jìn)行了實(shí)例仿真驗(yàn)證，給研究提供了理論依據(jù)。

2） 使用最優(yōu)控制算法在含時(shí)滯的主動(dòng)懸架離散系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)懸架振動(dòng)控制，同時(shí)它的響應(yīng)速度非?？觳⑶覄?dòng)態(tài)性能也非常好。

3） 時(shí)滯的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致很多的不良后果，會(huì)引起主動(dòng)懸架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的惡化，讓系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，同時(shí)，臨界時(shí)滯量與懸架系統(tǒng)參數(shù)及最優(yōu)控制目標(biāo)函數(shù)權(quán)重有關(guān)，所以對(duì)于某給定主動(dòng)懸架，系統(tǒng)時(shí)滯量為固定量，就可以利用調(diào)整控制器采樣時(shí)的頻率這一方法來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能以及穩(wěn)定性，對(duì)于改善主動(dòng)懸架系統(tǒng)性能，這將會(huì)提供一個(gè)全新的思路。