基于逆向工程的汽車前圍板曲面重構(gòu)

彭廣威

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

0 引言

汽車前圍板為典型的覆蓋件零件，其形狀和結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，它是汽車發(fā)動機(jī)艙與車廂之間的隔板，功能是為了隔離行車時發(fā)動機(jī)艙里的高溫、廢氣及噪聲，以保證駕駛室的舒適性，如圖1所示。

逆向工程（Reverse Engineering）也稱反求工程，是相對正向設(shè)計而定義的一種新的設(shè)計方法。在汽車制造領(lǐng)域，逆向工程主要是針對實(shí)物樣件反求，通過精密測量獲得零件的結(jié)構(gòu)與尺寸相關(guān)數(shù)據(jù)，再利用CAD曲面重構(gòu)技術(shù)快速準(zhǔn)確地重構(gòu)出三維數(shù)字模型，從而應(yīng)用于CAE成形工藝分析和CAM加工，開發(fā)并制造出新產(chǎn)品，從而解決了傳統(tǒng)汽車復(fù)雜曲面零部件設(shè)計過程中樣件制作和試驗(yàn)耗費(fèi)時間過長的問題。運(yùn)用RE獲得的零件CAD模型是CAE分析、模具設(shè)計與制造以及產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)等整個設(shè)計生產(chǎn)過程的基本依據(jù)。逆向工程在汽車設(shè)計與制造中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：1）新車型的開發(fā)以及對原有車型的改款設(shè)計；2）車身零件的CAE模型分析，確定零件加工工藝；3）車身零件的模具設(shè)計及修復(fù)；4）汽車零部件損壞磨損后的還原。其中，汽車覆蓋件的逆向設(shè)計尤為典型和重要，通過RE獲得的CAD模型不僅需要結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化，還要在CAE進(jìn)行沖壓工藝模擬分析后進(jìn)行工藝改進(jìn)與優(yōu)化，從而通過CAD數(shù)模有效地將覆蓋件的設(shè)計與生產(chǎn)緊密結(jié)合起來。

某企業(yè)承接了某新款國產(chǎn)汽車的前圍板零件的生產(chǎn)。該型車前圍板所用材料為高強(qiáng)度鋼板H220BD。零件的長、寬、高的尺寸為1 068 mm×300 mm×210 mm，材料厚度為1.6 mm。本文利用三坐標(biāo)測量儀采集汽車前圍板零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后直接應(yīng)用三維CAD進(jìn)行曲面重構(gòu)，最終得到前圍板零件的三維曲面模型，為后續(xù)該零件的沖壓成形工藝模擬優(yōu)化及沖壓模具設(shè)計提供數(shù)字模型。

1 零件數(shù)據(jù)采集

1.1 逆向數(shù)據(jù)采集方法分類

逆向工程數(shù)據(jù)采集又稱為抄數(shù)，指的是通過各測量儀器對實(shí)物或樣件的表面形狀進(jìn)行測量，把表面形狀信息用離散點(diǎn)數(shù)據(jù)表示并且轉(zhuǎn)化到三維坐標(biāo)系中。目前，數(shù)據(jù)的采集方法主要分為接觸式和非接觸式。接觸式測量是利用接觸式測量設(shè)備對樣件表面進(jìn)行測量，如三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）通過傳感器測頭測量樣件表面位置點(diǎn)的坐標(biāo)值，其測量精度高，并可根據(jù)工件的形狀特點(diǎn)靈活設(shè)定測量路徑及數(shù)據(jù)點(diǎn)的多少，后續(xù)不需要拼接和其它處理，可直接用三維軟件造型，曲面重構(gòu)方便快捷，缺點(diǎn)就是測量速度較慢。非接觸式測量方法主要是利用光學(xué)原理對樣件表面的三維形貌進(jìn)行快速掃描，獲得密集的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)。非接觸式測量沒有力的作用，適用于測量柔軟物體，其取樣效率高，但受到物體表面物理特征的影響，在多數(shù)情況下其測量誤差比接觸式探頭要大，故僅適用于表面形狀復(fù)雜，精度要求不高的未知曲面的測量。

1.2 確定數(shù)據(jù)采集方法及設(shè)備

在逆向數(shù)據(jù)采集設(shè)備選用中，一般優(yōu)先考慮接觸式測量，特別是在只測量樣件的尺寸、位置等要求的情況下。

圖2 海克斯康Inspector三坐標(biāo)測量機(jī)

就汽車前圍板零件而言，其表面積雖較大但沒有自由曲面，測量對象大多為輪廓邊線及較規(guī)則的曲面，所需測量的數(shù)據(jù)量并不很大，而精度要求相對較高。為方便后續(xù)參數(shù)化造型設(shè)計，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有測量設(shè)備條件，本文選取三坐標(biāo)觸發(fā)式測量法。測量設(shè)備為海克斯康Inspector 10-21-08型CMM，其行程范圍為1 000 mm×2 100 mm×800 mm，可滿足較大尺寸的汽車覆蓋件測量，如圖2所示。

1.3 前圍板數(shù)據(jù)采集的技術(shù)要點(diǎn)

在利用三坐標(biāo)對前圍板進(jìn)行數(shù)據(jù)測量時,需要對零件的面片進(jìn)行劃分，詳細(xì)分析測量路徑，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集規(guī)劃,確定數(shù)據(jù)采集的方法及該采集哪些數(shù)據(jù)點(diǎn)，既要采到足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)以保證后續(xù)CAD重構(gòu)曲面的精度和質(zhì)量，又要避免測得過多的重復(fù)數(shù)據(jù)點(diǎn)，以提高測量效率和保證數(shù)據(jù)的有效性。

對前圍板進(jìn)行三坐標(biāo)數(shù)據(jù)測量時應(yīng)注意幾個基本原則：1）順著產(chǎn)品各曲面的形狀特征方向走，沿著曲面法線方向采集數(shù)據(jù)；2）各復(fù)雜曲面的過渡轉(zhuǎn)角處的采點(diǎn)要精確密集，次要部位如平面和圓孔等適當(dāng)取點(diǎn)；3）復(fù)雜部位密集取點(diǎn)，簡單部位稀疏取點(diǎn)；4）先采外輪廓數(shù)據(jù)，后采內(nèi)部凸凹面數(shù)據(jù)。

在對前圍板進(jìn)行采集數(shù)據(jù)時，不僅應(yīng)考慮其外形特征，還應(yīng)考慮其形狀的變化趨勢。對于直線，一般采集3～5個點(diǎn)，可利用多余點(diǎn)進(jìn)行誤差分析與檢測；對于圓弧曲線，采集點(diǎn)數(shù)一般為5～8個點(diǎn)，以保證采集點(diǎn)的均勻分布；對于未知樣條，則要根據(jù)其曲率變化進(jìn)行采集，曲率大的位置采集點(diǎn)相對密集，曲率小的位置采集點(diǎn)應(yīng)相對稀疏。對于平面和曲面的數(shù)據(jù)測量，主要采用均勻的網(wǎng)格數(shù)據(jù)測量，根據(jù)面的大小確定采集點(diǎn)的數(shù)量，如大面網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)間距在5～20 mm之間，小面的網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)間距在1～8 mm之間為宜。采集時，各線條數(shù)據(jù)點(diǎn)和面數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分層和著色處理，以利于后續(xù)的逆向建模。

CMM測量的汽車前圍板數(shù)據(jù)經(jīng)配套的PC-DMIS軟件將所采的點(diǎn)導(dǎo)出成IGS格式，如圖3所示，以備后續(xù)的CAD逆向建模。

圖3 汽車前圍板點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2UG NX逆向建模

汽車前圍板零件是壁厚均勻的鈑金件，故只需進(jìn)行曲面重構(gòu)即可，曲面數(shù)模用于后續(xù)的沖壓成形模擬及模具設(shè)計，實(shí)體零件用曲面加厚即可。利用UG或Pro/E等三維CAD軟件進(jìn)行零件重構(gòu)，是為了實(shí)現(xiàn)零件所有特征曲面的參數(shù)化，從而對曲線和曲面特征進(jìn)行分析和優(yōu)化，獲得重構(gòu)的參數(shù)化數(shù)字模型。

2.1 CAD逆向建模一般流程

模型重建過程主要包括：點(diǎn)云處理、曲線的創(chuàng)建及修改和曲面處理。

1）點(diǎn)云處理。主要是讀入點(diǎn)云數(shù)據(jù)、通過觀察去除雜亂點(diǎn)，將屬于不同類型的數(shù)據(jù)點(diǎn)劃分成組。

2）曲線的創(chuàng)建及修改。根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)創(chuàng)建曲線，首先要確定曲線的類型，一般可以創(chuàng)建直線、簡單二次曲線（如圓和橢圓等）和樣條曲線等，創(chuàng)建各類線條時，采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)一般要超過特征造型所需參照點(diǎn)數(shù)，多余的點(diǎn)則作為精度檢測點(diǎn)，通過檢測點(diǎn)對曲線進(jìn)行檢查和精度的修改。對于曲線，通常要檢查其精度誤差和光順度是否滿足要求，若未達(dá)到要求，則應(yīng)對曲線的階數(shù)和控制頂點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。曲率變化多的線條，應(yīng)將其分解為多條曲線，并要考慮它們之間的相對位置關(guān)系，以保證其位置的連續(xù)性或相切等。

3）曲面創(chuàng)建及修改。基于CMM數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的UG逆向曲面造型主要通過曲線來創(chuàng)建曲面。如平面、球面、圓柱面和圓錐面等規(guī)則曲面一般通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等方法創(chuàng)建，而復(fù)雜的不規(guī)則曲面可通過網(wǎng)格曲面創(chuàng)建。通過曲線來創(chuàng)建曲面比直接用點(diǎn)擬合生成曲面更容易控制和調(diào)整曲面的精度和光順性要求。

2.2 UG逆向曲面造型過程

本文中采用NX8.0版對前圍板進(jìn)行逆向設(shè)計。

1）點(diǎn)云導(dǎo)入。新建UG零件模型后，直接利用【文件】【導(dǎo)入】【IGES】命令，選中含有點(diǎn)數(shù)據(jù)的所有圖層，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，仔細(xì)觀察，去除板上附件產(chǎn)生的干擾數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2）方案確定。一般簡單零件的模型重建是先逐一建好零件的各個曲面，且使曲面范圍大于相應(yīng)的點(diǎn)云區(qū)域，然后再利用各種手段把曲面修剪到合適的范圍，即可得到整個零件。汽車前圍板零件尺寸大，曲面特征繁多，要重建的曲面很多且面與面之間的關(guān)系復(fù)雜，為理清設(shè)計思路，采用分區(qū)設(shè)計、整體拼接的方法進(jìn)行曲面重構(gòu)。即首先根據(jù)產(chǎn)品形狀和功能特點(diǎn)將其分成形狀相對簡單的多個部分，然后分別造型，最后進(jìn)行拼接縫合、過渡連接。根據(jù)地前圍板產(chǎn)品分析，可將其點(diǎn)云劃分為9個區(qū)域，如圖4所示。各部分之間的連接多為圓角過渡面。

圖4 前圍板點(diǎn)云分區(qū)

3）確定對稱平面。前圍板零件是個半對稱零件，經(jīng)測量左凹面部分與右凹面部分左右對稱，故建模前確定好中間對稱面，以便曲面編輯和測量。對稱平面位置通過測量左右對稱點(diǎn)的距離來確定，并通過多個對稱點(diǎn)來檢測其準(zhǔn)確性，保證誤差在0.2 mm之內(nèi)。

4）各部分曲面重構(gòu)。曲面重構(gòu)遵循由點(diǎn)到線，由線到面。線的擬合精度決定了面的精度，故在擬合線的時候也需反復(fù)檢測各點(diǎn)到線的誤差，在創(chuàng)建面之后，檢測點(diǎn)到面的誤差，以此判斷面的創(chuàng)建方法是否正確。平面一般通過直線拉伸創(chuàng)建，曲面通過網(wǎng)格曲面創(chuàng)建。做面的次序一般來講，先做大面，后做過渡面與圓角面。

各部分重建的結(jié)果如圖5所示。

5）各部分重建模型的整合。將完成重構(gòu)曲面的各部分導(dǎo)入UG同一模型，首先通過曲面延伸、曲面剪裁和曲面縫合等方法將各曲面連接成片，再通過區(qū)域補(bǔ)面和倒圓角操作把各個部分重建的曲面連接起來，保證各連接的過渡部分的平順和精度要求。完成后的前圍板曲面如圖6所示。

3結(jié)語

在整個汽車前圍板逆向工程工作流程中，零件的三坐標(biāo)數(shù)據(jù)測量是基礎(chǔ)，也是逆向工程整個過程的首要前提，測量數(shù)據(jù)點(diǎn)云的好壞直接影響到CAD模型重建的效率和質(zhì)量，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，CAD重構(gòu)建模人員應(yīng)參與和指導(dǎo)，從而使得數(shù)據(jù)采集既省時又符合曲面重構(gòu)精度要求。曲面重構(gòu)逆向造型是當(dāng)中最繁瑣、最困難的一步，要求對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝和成型工藝具備分析經(jīng)驗(yàn)，從而準(zhǔn)確地理解和把握產(chǎn)品原型的構(gòu)造和功能，采用科學(xué)合理的方案進(jìn)行造型設(shè)計，同時設(shè)計者必須對CAD逆向設(shè)計的功能及操作技巧相當(dāng)熟練。

圖5 各部分曲面重構(gòu)

圖6 前圍板UG逆向設(shè)計結(jié)果

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