逆向工程在汽車制造中的應用

肖冰,孟凡榮

(長春汽車工業高等專科學校，吉林長春 130000)

逆向工程在汽車制造中的應用

肖冰,孟凡榮

(長春汽車工業高等?？茖W校，吉林長春 130000)

針對汽車設計中所存在的周期長、成本高等問題，介紹逆向工程在汽車制造方面的應用流程。以CATIA逆向處理模塊為例，對逆向工程的點云處理過程進行說明。通過點云采集、點云處理、曲面構建以及模型質量評價等，最終形成新產品。

逆向工程；汽車制造；CATIA軟件；點云處理；模型質量評價

0 引言

傳統的產品設計往往是一個由概念設計到圖紙，最后加工成產品的過程。而逆向工程恰好相反，它是在只有產品模型或者實物但沒有產品的定義和圖紙的情況下，通過測量建立起數學模型，然后將這些模型和表征用于產品的分析、模具制造和加工生產的過程。它不僅可以重塑產品原型，還可以挖掘原產品的產品設計、制造等一系列的方法、手段以及技術等。

近年來，隨著計算機技術的發展，逆向工程在制造業中得到了迅猛發展。在汽車制造方面也得到了廣泛應用，例如車身設計、模具設計、快速成型以及NC加工等。

1 逆向工程在汽車制造中的實現

在當下汽車的造型設計中，設計者往往在概念設計部分使用油泥模型對車身進行設計，不斷完善后，利用3D掃描技術對其進行數據采集;隨后，經過一系列步驟對點云進行處理，經過快速成型等新制作方法最終形成新產品。逆向工程流程如圖1所示。

1.1 數據采集

數據采集是指通過測量設備把產品表面轉化成離散的幾何坐標數據，數據采集精度直接影響到建模精度，所以采集高精度的數據對提高反求精度非常重要[1]。采集的數據通常是點云數據。

圖1 逆向工程流程圖

如圖2所示，數據采集方法通常分為接觸式和非接觸式。接觸式測量往往是對待測目標采用點測試，通過測量探頭與待測目標進行表面接觸，記錄目標物體X、Y、Z的坐標值，通過每一次的測量點反映物體表面特征，從而實現物體數據的測量。設備一般有三坐標測量儀和柔性關節臂。其中，三坐標測量儀的精度較高，適用于高精度的產品檢測領域，但測量速度緩慢，并不適用于大數量的數據采集，對于采集物體的形狀也具有一定局限性。

圖2 數據采集常用方法

非接觸式測量近年來發展迅速，目前常用的有激光掃描和面掃描兩種。激光掃描采用激光三角法位移測量計算待測目標表面三維坐標點，目前市場上常用的有臺式激光三維掃描儀、手持式三維掃描儀、附加式激光測量頭等,其精度相對較差，只適用于中小型物體。面掃描則利用條紋光柵圖像的相移和解相技術進行數據采集，其精度較高，速度快，數據信息量大。隨著新技術發展，新型設備還具有標志點全自動拼接、全局誤差控制等功能來保證數據的完整性和精確性。

1.2 點云的處理

點云數據在采集的過程中，受到測量設備、待測目標不規則性等的影響，往往不能一次成功。這就需要對采集到的點云進行一系列的處理。這是逆向工程中的關鍵環節，它的結果將直接影響后期曲面重構的質量[3]。隨著當前逆向工程的發展，各種點云處理的軟件應運而生。在CATIA、Geomagic Studio、ImageWave、RapidForm等中都集成了點云處理模塊。由于CATIA軟件在汽車制造領域的特殊地位，以及其強大的集成設計功能[4]，文中將以CATIA進行舉例說明。

1.2.1 點云預處理

點云的預處理是處理點云的前期工作，包括點云拼合、噪點去除、點云勻化、過濾等。

點云拼合是將兩個或者多個獲取的點云，根據其局部明顯的幾何特征，經過一定的計算方法進行拼合得到整體點云。在得到整個點云的同時，會出現與模型無關的噪點，這時候就需要進行噪點去除。如果得到的點云數據量過大，或者密度不均勻，往往會加大計算機的計算量，影響計算速度，這時候就需要進行點云勻化和過濾。此外，有些情況還需要人為進行點云補充、點云調整等，最后得到所需要的點云，為點云網格化做準備。

1.2.2 點云網格化

點云處理的最后一步是生成網格化點云。所謂網格化點云是點云中所有數據點均與參數域中一個均勻網格的頂點相對應，對采集的散亂數據進行網格化插值，即為點云網格化[5]。點云的網格化將直接影響數據分塊和曲面創建，因此正確建立各點之間拓撲關系，形成三角平面是網格化點云的關鍵。在曲面曲率比較大的范圍內合理增加三角面片的密度。

圖3是汽車整體掃描后，原始點云與經過預處理、網格化所得的數據對比，可以發現原始點云數據量較大、存在噪點和缺陷；預處理后，可以將缺陷與噪點去除，得到均勻、平滑的點云；在網格化后，可以形成能夠進行曲面構建的點云。

圖3 點云的預處理

2 曲面構建

在點云網格化之后，由點云一次生成曲面實現起來有一定困難，而且即便生成了在光順性上也得不到保證，因此，需要在CATIA中將所處理過的面片數據進行處理。對于特征明顯的部分可以進行特征提取，例如平面、柱面、球面等二次曲面的識別；將所有特征進行分塊，分別構造這些二次曲面；最后，對所構造的各種曲面通過橋接、過渡、裁剪等細節特征處理，最終得到大部分曲面。對于特征不明顯的部分進行人為的曲線構造，在保證其曲線連續性的前提下，創建復雜曲面，再將所有曲面進行編輯，形成最終的模型。

3 模型質量評價

初步得到模型后，需要對模型進行質量評估，主要方法是進行精度檢測。CATIA的精度檢測功能可以用不同的色塊來比較模型與點云的幾何偏差情況。

如圖4所示的汽車內腹板精度檢測中，大多數點為綠色和淺藍色，表示偏差在-0.1～0.1 mm之間，有極少數偏差為0.5～0.8 mm，這些都為設計員提供了偏差指標，為模型的質量評價提供有力依據。通過尋找壞點等方式進行曲面調整，對模型進行修改，最終得到符合標準的模型，為制造部分做準備。

圖4 汽車內腹板精度檢測

4 結論

逆向技術在汽車制造中的應用，在很大程度上縮短了汽車設計的周期，提高了汽車造型以及零部件的設計效率，節約了成本，在未來具有巨大的發展前景。

[1]彭燕軍,王霜,彭小歐.UG、Imageware在逆向工程三維模型重構中的應用研究[J].機械設計與制造,2011(5)：85-87.

PENG Y J，WANG S，PENG X O.Applied Research of UG and Imageware in 3-D Model Reconstruction of Reverse Engineering[J].Machinery Design & Manufacture,2011(5):85-87.

[2]田濤,陳揚,史延春.逆向工程與新產品設計[J].河北聯合大學學報(自然科學版),2006,28(4):37-41.

TIAN T,CHEN Y,SHI Y C.Reverse Engineering and Redesign[J].Journal of Hebei United University(Natural Science Edition)，2006,28(4):37-41.

[3]繆華,霍有朝.漫談CATIA與逆向工程[J].智能制造,2008(12):21-23.

[4]高向敏.散亂點云模型三角網格化處理算法的研究與實現[D].南京:南京師范大學，2011:25-30.

ApplicationofReverseEngineeringinAutomobileManufacturing

XIAO Bing, MENG Fanrong

(Changchun Automobile Industry Institute,Changchun Jilin 130000,China)

For the problems of long cycle, high cost in automotive designing, the application of reverse engineering in automobile manufacturing was introduced.Taking CATIA reverse processing module as an example,the process of reverse-processing point cloud was described.Through the point cloud collection, point cloud processing, surface construction and model quality evaluation,new products could be produced finally.

Reverse engineering; Automobile manufacturing; CATIA software; Point cloud processing; Model quality evaluation

2017-09-20

肖冰(1987—)，男，碩士研究生，助教，研究方向為逆向工程、3D打印技術。E-mail：403337008@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.12.020

U466

A

1674-1986(2017)12-083-03