汽車零部件逆向設(shè)計(jì)中的參數(shù)化建模方法研究

於旭

摘 要：由于受工作任務(wù)繁重以及CATIA軟件逆向設(shè)計(jì)功能有限等現(xiàn)實(shí)因素的限制，致使新車研發(fā)階段的競(jìng)爭(zhēng)車型分析環(huán)節(jié)無法依據(jù)現(xiàn)實(shí)條件建立相應(yīng)的參數(shù)化模型。同樣，在對(duì)其他汽車零部件的逆向設(shè)計(jì)中也受到此方面限制。為此，汽車行業(yè)專門研究出了一套能夠支持曲面擬合的自動(dòng)化操作模式，能夠通過對(duì)汽車零件的逆向設(shè)計(jì)來獲取高精度的汽車零件參數(shù)，從而為三維模型的制作提供必要條件。這種方式便是聯(lián)合了Geomagic Studio與CATIA V5軟件所實(shí)現(xiàn)，具體采用了EXAScan激光掃描儀對(duì)零件進(jìn)行了掃描。由此便可獲取到建立參數(shù)化模型所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，就以國(guó)內(nèi)某汽車輕型發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸蓋罩逆向三維設(shè)計(jì)為例。結(jié)合上文所述，利用激光掃描儀EXAScan對(duì)零件進(jìn)行掃描，將獲取到的三維數(shù)據(jù)傳輸至Geomagic Studio之中，經(jīng)過Geomagic Studio對(duì)點(diǎn)云的前處理與曲面擬合，將處理結(jié)果導(dǎo)入到CATIA V5之中，由此便可完整整個(gè)曲面加工過程。最后，依據(jù)前期獲取到了高精度數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)提出優(yōu)化建設(shè)。此方式被廣泛運(yùn)用到了汽車零部件的設(shè)計(jì)之中，且大量的實(shí)踐還表明了該方式能夠?yàn)樾庐a(chǎn)品的研發(fā)提供巨大便利。因此也備受汽車研發(fā)領(lǐng)域的高度關(guān)注。

關(guān)鍵詞：汽車零部件 逆向設(shè)計(jì) 參數(shù)化建模

隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)與汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，逆向工鞥技術(shù)也被廣泛運(yùn)用到了汽車產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域中。而所謂的逆向工程，即一種依據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品實(shí)物模型，利用三維掃描對(duì)數(shù)據(jù)模型的形成過程予以重構(gòu)，如此既能讓產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期得以大幅縮短，又能對(duì)工藝產(chǎn)品進(jìn)行改良，從而讓開發(fā)設(shè)計(jì)過程變得更加高效且便捷。

基于上文所述，目前，逆向工程被廣泛運(yùn)用到了汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)領(lǐng)域之中，且該技術(shù)對(duì)汽車新產(chǎn)品的研發(fā)有著極為突出的作用，尤其是在設(shè)計(jì)外車身與內(nèi)飾等具有自由曲面特征的汽車零部件時(shí)，如今的解決方案已然是以遵循A級(jí)曲面標(biāo)準(zhǔn)的逆向設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，在新車研發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)車型分析階段，大多數(shù)廠商大多是基于逆向設(shè)計(jì)來建立有關(guān)車身鈑金件、發(fā)動(dòng)機(jī)以及底盤結(jié)構(gòu)件等重要汽車零部件的參數(shù)化模型，以此為車型分析提供參考。

相較于早期以尺卡、皮尺直接測(cè)量尺寸的方式，汽車零件產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)不僅過程簡(jiǎn)單，且能將測(cè)量的誤差控制在合理的范圍。如圖1所示，左側(cè)所呈現(xiàn)的Geomagic Studio處理點(diǎn)云與參數(shù)化曲面擬合的過程，右側(cè)所示則是將前期處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA V5后的處理步驟。

1 汽車零部件逆向參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

1.1 逆向掃描

本研究的逆向掃描過程使用的EXAscan手持式自定位三維激光掃描儀設(shè)備是由Creaform公司所研發(fā)。正式掃描前，需要對(duì)掃描對(duì)象作一系列的預(yù)處理工作，具體包括清理零件表面以及將參考點(diǎn)無規(guī)律的貼在被掃描對(duì)象的曲面平緩處。以上處理工作，前者是為了確保零件表面所反射的激光能夠被激光掃描儀充分接收；后者則是要為掃描儀定位掃描位置提供參考，以此來為掃描的精準(zhǔn)度提供保障。除此之外，考慮到黑色或過于光潔的表面還會(huì)影響到激光的反射，故針對(duì)此類掃描面還需預(yù)先在其表面噴涂一層可以產(chǎn)生漫反射的白色粉劑。如圖2所示便是已經(jīng)完成噴粉與貼點(diǎn)工作的汽缸蓋罩事務(wù)，從圖中可知，該實(shí)物表面同時(shí)具有平面、圓柱與諸多孔特征，因此需要諸如噴涂噴粉一類的白色粉劑，而白色圓點(diǎn)所示便是后續(xù)貼上的Marker點(diǎn)。

1.2 三維激光掃描

三維激光掃描是一種全自動(dòng)、高精度的立體掃描技術(shù)，而因該技術(shù)是基于面的數(shù)據(jù)采集，故也被稱作實(shí)景復(fù)制技術(shù)。該技術(shù)主要運(yùn)用了三維激光掃描儀，該掃描儀最核心的部分則有動(dòng)作捕捉儀、手持激光頭與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，每秒可掃描36000個(gè)測(cè)量點(diǎn)，精度則能達(dá)到0.05mm。當(dāng)然，為了確保數(shù)據(jù)掃描的精準(zhǔn)度，掃描前也要對(duì)掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的過程需要在掃描對(duì)象上張貼3個(gè)以上的特征點(diǎn)，貼放的標(biāo)志點(diǎn)不能影響到被掃描物的主要特征且相互之間至少要間隔5mm，以此來保證掃描數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。此外，掃描時(shí)的動(dòng)作捕捉儀需與被掃描對(duì)象保持2m以上的距離，同時(shí)還要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)節(jié)的光照度予以適當(dāng)調(diào)整。過高的量度必定會(huì)影響到激光的反射。因此，選擇環(huán)境的光照度應(yīng)越低越好。必要時(shí)可用篷布遮擋光源，以此減少其他光纖對(duì)掃描儀的干擾。功率方面也要合理調(diào)整。通常情況下，掃描儀的極光設(shè)置功率應(yīng)保持在額定功率的80%，而與被測(cè)物體之間的距離也要保持在300mm左右，這樣才能保證掃描圖像的清晰，以此保證高質(zhì)量的掃描結(jié)果。

1.3 點(diǎn)云的前期處理

利用激光掃描儀掃描所得的點(diǎn)云難免會(huì)存在諸多噪音點(diǎn)，又或是受其他干擾因素而出現(xiàn)漏掃的情況，致使掃描結(jié)果出現(xiàn)諸多空洞，這便需要相應(yīng)的裁剪與修理來對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行前期處理。

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件上傳至Geomagic Studio，利用軟件的自動(dòng)生成功能，便可獲取到相應(yīng)的多邊形對(duì)象，之后便可利用多邊形操作來處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。首先，基于Geomagic Studio軟件的“多邊形”Ribbon頁面，此頁面囊括了諸如“刪除”、“簡(jiǎn)化”“流形創(chuàng)建”、“剪裁”等多項(xiàng)處理工作，利用處理工作便可進(jìn)行“單個(gè)孔填充”與“丁狀物”等修補(bǔ)操作。除此之外，軟件還自帶一項(xiàng)便捷性的修補(bǔ)功能，即“網(wǎng)格醫(yī)生”，該功能可讓同一界面集成各項(xiàng)修補(bǔ)功能，以便大批量的完成自動(dòng)修補(bǔ)工作，從而減輕人工操作的負(fù)擔(dān)。

使用EXAscan掃描儀還將面臨無法設(shè)定基準(zhǔn)坐標(biāo)的問題。對(duì)此，通常的解決方式為手工擬合3個(gè)相互垂直的平面，利用Geomagic Studio軟件“對(duì)齊頁面”嵌入的“Global registery”功能，讓三個(gè)平面組成的坐標(biāo)系與所有點(diǎn)云及多邊形對(duì)齊。當(dāng)然，期間不要要對(duì)3個(gè)基準(zhǔn)普平面的精度予以省慎考量外，也要考慮零件整體性變與其他特征對(duì)擬合精度的影響。

1.4 參數(shù)化曲面的建立

在Geomagic Studio軟件的早期版本中，參數(shù)化曲面是被嵌入到了Fashion功能之中。當(dāng)頁面的所有功能均被激活，接下來便要執(zhí)行“探索區(qū)域”的命令，該命令所囊括的區(qū)域具體如圖3所示，從圖中可知，不同區(qū)域經(jīng)過擬合轉(zhuǎn)換都將被轉(zhuǎn)換為一塊獨(dú)立的參數(shù)化曲面，這便意味著在轉(zhuǎn)換前期便要合理劃分轉(zhuǎn)換區(qū)域，否則將影響到點(diǎn)云的獲取質(zhì)量。除此之外，在執(zhí)行“編輯輪廓線”命令時(shí)也要提前調(diào)整好區(qū)域的邊界形狀，這樣才能降低參數(shù)化曲面的建立誤差，繼而為逆向設(shè)計(jì)的高質(zhì)量提供保障。

在執(zhí)行“擬合曲面”功能之前，所有的區(qū)域都要用鼠標(biāo)滑過，目的便是要讓軟件通過識(shí)別鼠標(biāo)的運(yùn)行軌跡來生成參數(shù)化曲面，再經(jīng)由“擬合連接”與“分類連接”功能，兩個(gè)參數(shù)曲面的過渡面也由此生成。圖4所示便可完成初步擬合的曲面，由圖可知，輪廓線主要起到分隔不同曲面的作用。

使用Geomagic Studi內(nèi)置智能程序，不僅可以對(duì)創(chuàng)建的CAD曲面予以優(yōu)化，且能快速提出其設(shè)計(jì)意圖，從而自動(dòng)擬合出各種機(jī)遇草圖規(guī)則的平面與柱面。當(dāng)然，這些自由形狀的表面也可被隨意的提取或擠壓，輪廓曲線也能被轉(zhuǎn)化為三維CAD參數(shù)化建模。此外，在Geomagic Studi2012中還新增了一項(xiàng)“草圖”的功能，該功能不僅能直觀展示出點(diǎn)云及多邊形模型的橫截面曲線，且支持直接編輯，由此也能為參數(shù)化曲面的建立提供巨大便利。

在獲取點(diǎn)云時(shí)難免會(huì)因額外因素導(dǎo)致誤差出現(xiàn)，對(duì)此，為盡可能縮短與期望曲面類型間的差距，可在擬合曲面前進(jìn)行調(diào)整修改，具體則是運(yùn)用如圖5所示“曲面修復(fù)”界面的“曲面修復(fù)”、“曲面編輯”以及“草圖編輯”等功能，對(duì)所選的曲面進(jìn)行修復(fù)。除此之外，Geomagic Studio還會(huì)控制網(wǎng)絡(luò)異常并給出提示，用戶則根據(jù)提示進(jìn)行修復(fù)，以此也能縮短所選取面與預(yù)期類型的差距。

相較于Geomagic Studio的“修復(fù)曲面”功能，CATIA V5的快速曲面重建（Quick Surface Recognition）工作臺(tái)所提供的曲面擬合功能便遜色許多。首先從工作點(diǎn)云的選擇范圍來看，CATIA V5需要手動(dòng)控制擬合的精度，以此過程也極不方便。但Geomagic Studio也有其缺點(diǎn)，即該軟件在對(duì)參數(shù)面曲面進(jìn)行擬合時(shí)會(huì)占用極大的內(nèi)存資源。因此，應(yīng)用Geomagic Studio同時(shí)對(duì)操作系統(tǒng)與系統(tǒng)內(nèi)存有著較高要求。

1.5 參數(shù)化實(shí)體模型的生成

基于圖6所示的CATIA參數(shù)全面，為給后續(xù)的參考提供便利，筆者又將點(diǎn)云導(dǎo)入到了CAITA V5的DSE之中，由此重建出了能夠凸顯實(shí)體特征的創(chuàng)成式曲面?；诖耍罄m(xù)的實(shí)體模型創(chuàng)建過程只需對(duì)封閉的實(shí)體進(jìn)行加厚，再以手動(dòng)的方式創(chuàng)建少部分特征，這種便可完成實(shí)體模型的最終重建，期間的工作量將大幅減輕。

2 技巧與建議

為保證汽車零部件模型擁有較高的精準(zhǔn)度，且無法繁瑣的操作過程，本研究也將依據(jù)前期時(shí)間提出如下建議：

（1）基于后續(xù)所有的工作效果均是由初始階段的點(diǎn)云掃描質(zhì)量所決定。因此，必須經(jīng)過嚴(yán)密的前處理來保證掃描結(jié)果的高質(zhì)量。

（2）雖然，利用軟件的批處理功能能夠自動(dòng)完成劃分輪廓曲線以及曲面擬合等流程，但過程卻容易受到各種因素的影響而導(dǎo)致處理結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。因此，最合適的處理方式應(yīng)是將批處理與交互處理相結(jié)合，并以手動(dòng)的方式來對(duì)輪廓線、曲線類型以及參數(shù)值等數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。這樣既能避免因零部件變形或掃描過程存在誤差而導(dǎo)致了結(jié)果偏差，又能不受軟件智能化程度有限的限制。對(duì)此，以手動(dòng)的方式修改其尺寸，使之與同類型的柱體及孔特征保持一致，這樣便可盡可能減少掃描誤差并保證最終結(jié)果的精準(zhǔn)性。

（3）Geomagic Studio軟件應(yīng)盡量將曲面擬合的所有功能，讓軟件的點(diǎn)云處理與曲面擬合優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。至于CATIA V5軟件則在曲面的修剪加工與實(shí)體生成等環(huán)節(jié)更加適用。

（4）基于CATIA V5每次只能對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行處理。因此，參數(shù)化曲面的生成與導(dǎo)入也要分批次完成。以此方能提高擬合的精度并與電腦的處理適度相適應(yīng)。

（5）對(duì)于螺釘孔與銷控直徑、鈑金件參數(shù)等需要手動(dòng)設(shè)定擬合參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合汽車的結(jié)構(gòu)原理及經(jīng)驗(yàn)來保證逆向設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語

總之，研究結(jié)果表明，運(yùn)用Geomagic Studio和CATIA V5軟件可以為汽車零部件的逆向參數(shù)化設(shè)計(jì)提供巨大便利。因此，汽車零部件制造廠商也應(yīng)對(duì)Geomagic Studio和CATIA V5軟件的聯(lián)合運(yùn)用給予高度重視，繼而切實(shí)制造出高質(zhì)量的汽車零件來為用車人的生命安全提供保障。

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