基于Geomagic Studio的汽車引擎蓋的逆向設計

陳堰芳

（上海電機學院高職學院，上海　200240）

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基于Geomagic Studio的汽車引擎蓋的逆向設計

陳堰芳

（上海電機學院高職學院，上海200240）

摘要：使用逆向工程軟件Geomagic Studio對汽車引擎蓋進行逆向設計，對點云數據進行精確的處理以及曲面重構，得到汽車引擎蓋的曲面模型，最后將曲面模型進行精度分析，與初始點云數據比較。結果表明：這種設計方式可以比較精確地還原實體的各項特征，能夠為汽車引擎蓋的后續分析和優化設計提供可靠的曲面模型。

關鍵詞：汽車引擎蓋；逆向工程；Geomagic Studio

1　汽車引擎蓋及逆向工程技術應用

車身是汽車上四大總成（底盤、車身、發動機、電器設備）之一，而引擎蓋作為汽車車身的一個重要組成部分，與汽車眾多零部件具有嚴格的裝配關系，因而汽車引擎蓋的設計和制造具有十分重要的地位。汽車引擎蓋是一個形狀復雜的空間薄壁殼體，在設計過程中不僅要運用機械設計知識，而且還要考慮空氣動力、人機工程和材料工程等方面的因素，傳統的設計方法已經難以滿足現代汽車引擎蓋的設計要求。

逆向工程（Reverse Engineering）也稱反求工程，是近年來迅速發展的一種產品開發設計制造技術，它是指設計人員對現有實物模型進行測量、數據處理及模型重構，最后經過CAD/CAE/CAM系統改進舊產品、創造新產品的過程。這種設計制造技術給設計人員提供了方便快捷的產品開發途徑，縮短了產品的設計制造周期，在汽車產品開發中得到廣泛的應用。趙毅、王明輝基于Geomagic Studio軟件，運用逆向工程技術研究了汽車連桿鍛件的NURBS曲面造型；何新毅、張庭芳等依據逆向設計的原理，對保時捷汽車模型車身進行了研究，得到了良好質量的汽車車身CAD模型，完成了逆向工程在車身設計中的應用初步研究；武振鋒、謝坤等借助CATIA V5軟件，研究了轎車引擎蓋的逆向設計過程。本文運用逆向工程技術，對某型號汽車的引擎蓋進行掃描獲取其表面的點云數據，然后利用Geomagic Studio軟件對點云數據進行精確處理和曲面造型，得到了比較可靠的曲面模型，完成了該汽車引擎蓋的曲面造型設計。

2　逆向工程

逆向工程是一個從有到無的過程，根據已存在的產品模型或實物，通過各種測量手段、數據處理軟件及三維幾何建模方法，將原有的實物模型轉化為三維數字模型，反向推出產品的設計圖紙數據。圖1為逆向工程流程。從圖1可以看出，在逆向工程設計的過程中，實物模型表面數據的測量、處理、曲面模型重構等三個方面的技術是關鍵技術。

圖1　逆向工程流程

實物模型表面數據測量是逆向工程設計的首要環節，是指通過特定的測量方法和設備，將實物模型表面形狀轉換成幾何空間坐標點，從而得到逆向建模和尺寸評價所需要的數據。測量得到的數據結果一般稱為點云。然而測量方法和設備有很多種，每種測量方法和設備都有其各自的優點和缺點。我們需要根據實物模型表面形狀的特點來選取合適的測量方法和設備，來進行數據測量，從而給后續的數據處理和曲面重構提供一個精確的質量良好的點云。

實物模型表面測量數據的處理是逆向工程設計的中間環節，是指對測量數據進行剔除錯誤點、降噪拉回偏離的雜點和噪聲點、過濾一部分數據點以節省計算機內存提高處理速度、修補數據漏洞等處理。無論是哪一種測量方法和設備，也無論是哪一位操作者進行數據測量，都會產生錯誤點、雜點和噪聲點，而且最終所需的點云數據的數量、點云之間的距離均有不同要求，因而要對測量數據進行必要的處理。

實物模型的曲面模型重構是逆向工程設計的后續環節，是指從一個已有的物理模型或實物零件產生出相應的CAD模型的過程，即物體離散點的網格化、特征提取、表面分片和曲面生成等操作，是逆向工程設計過程中最關鍵、最復雜的一個環節，為后續的結構設計、CAE分析和CAM加工制造等應用提供數字模型。

3　汽車引擎蓋點云數據處理

在Geomagic Studio軟件中導入測量得到的點云數據，查看點云的信息，觀察其大致形狀。引擎蓋點云數據處理過程如下：首先通過選擇非連接項/體外孤點命令，手動刪除誤采集到的意外點和體外孤點。其次通過減少噪音命令，將點移至統計的正確位置以彌補掃描誤差，使點的排列更加平滑。然后通過統一采樣命令，設置采樣間距和曲率，以規定密度來減少平坦曲面上的點數目。圖2為降噪過濾后的引擎蓋點云。

圖2　降噪過濾后的汽車引擎蓋的點云圖

通過封裝命令，將點云網格化，使點對象轉換成多邊形對象。這時的多邊形對象是一個比較完整的點云數據，但存在一些孔洞需要進一步修復。可以先清除孔洞周圍的點云數據，再通過填充孔命令，完成孔洞的修補，得到完整的點云數據。然后通過快速光順/砂紙/松弛命令，可以使三角網格的大小一致而且更平滑。最后通過網格醫生命令，修復三角網格內的缺陷，得到一個質量良好的三角網格點云，如圖3所示。

圖3　汽車引擎蓋的三角網格點云圖

4　汽車引擎蓋曲面模型重構

Geomagic Studio軟件中構造曲面模型的方法有兩種，即精確曲面和參數化曲面。通過分析汽車引擎蓋的形狀特征，引擎蓋表面是一個不規則的復雜曲面，而參數化曲面方法適合構建規則曲面，因此本文選擇精確曲面方法來實現引擎蓋的曲面模型重構。

進入精確曲面模塊后，首先通過探測輪廓線命令，設置曲率敏感度和分隔符敏感度，來構造引擎蓋的輪廓線。然后輔助于編輯輪廓線操作，優化輪廓線效果，使輪廓線的形態更加貼合于引擎蓋的實際形狀特征，從而以輪廓線為依據，將引擎蓋模型進行區域分隔。然后通過輪廓線和邊界線構造每個區域的曲面片，并利用移動命令來調整每個區域的曲面片的排列，使所有曲面片的排列在整體上趨于均勻一致。利用松弛命令，使曲面片的輪廓線更加平滑，增加曲面片之間的光順性。最后通過擬合曲面命令生成一個NURBS曲面，完成汽車引擎蓋的曲面模型重構，如圖4所示。

圖4　汽車引擎蓋的曲面模型

通過偏差分析命令，將構造的汽車引擎蓋曲面模型與初始點云數據進行比較，得出了如圖5所示的擬合曲面偏差分布彩圖。

圖5　汽車引擎蓋曲面模型的偏差分析

從圖5可以看出，擬合曲面的偏差很小，最大偏差分別為0.012mm、-0.013mm，分別出現在曲面過渡處和結構特征復雜處，平均偏差分別為0.001mm、-0.003mm，相對于汽車引擎蓋整體尺寸來說可以忽略不計。這表明了構造的汽車引擎蓋曲面模型與初始點云數據的重合度很高，滿足汽車引擎蓋曲面重構的精度要求。

5　結語

本文介紹了逆向工程的流程及關鍵技術，并以某型號汽車的引擎蓋為例，利用Geomagic Studio軟件對采集的點云數據進行優化處理和曲面模型重構，最后對擬合的曲面模型進行偏差分析。分析結果表明，重構的曲面模型可以完全呈現與實體一致的特征，能夠為后續汽車引擎蓋的優化設計做準備。這種設計方式能夠滿足汽車零部件逆向設計的需求，可以為實際汽車車型設計和型號改造提供參考。

The Reverse Design of Automobile Bonnet Based on Geomagic Studio

CHEN Yan-fang
（Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China）

Abstract:The reverse engineering software Geomagic Studio is used in reverse design of automobile bonnet，cloud data is carefully dealt with and surface reconstruction is done to build the surface model of automobile bonnet.Finally，precision analysis of surface model is compared with original data.The result shows that this design can accurately simulate characteristics of the material object and can provide reliable surface model.

Key words:automobile bonnet；reverse engineering；Geomagic Studio

作者簡介：陳堰芳（1989-），女，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向：機械設計制造及其自動化。

收稿日期：2015-12-29

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）01-0061-02