汽車轉向節逆向重構與誤差檢測應用技術研究

（上海第二工業大學 工程訓練中心，上海 201209）

0 引言

當前，隨著社會經濟的迅速發展，市場全球化使各國及各企業之間競爭愈演愈烈，國家及企業的創新、研發能力是一個國家及企業能否在激烈的市場競爭中立足的關鍵所在。逆向工程技術作為一種引進、消化、吸收國外先進制造技術的重要手段，在制造業領域，尤其是新產品的研發過程中得到了更加廣泛的關注[1]。20世紀80年代初，美國3M公司、日本名古屋工業研究所以及UVP公司提出并研究了逆向理論。逆向技術已被一些先進工業國家中，有遠見的企業所采用。Riesenfeld等人在20世紀70年代就開始研究非均勻B樣條曲線，隨后Lane和Cohen等人提出分割技術和離散β樣條，對于β樣條曲線曲面Til1er做了詳細的論證；Pigel，Tiller等人將以上方法統一于NURBS中，使之成為曲面重構的關鍵技術[4]。國外不但對逆向工程的理論有深入的研究，同時也開發了一批商業軟件。Imageware系列、Geomagic系列、CopyCAD和RapidForm等軟件一起被稱為全球四大逆向工程軟件。Imageware軟件是應用四邊域曲面重構方法的典型軟件，作為著名的逆向工程軟件，它被廣泛應用于工業領域，如汽車、航空航天、機械、計算機零部件、家電等。美國Raindrop公司出品的Geomagic Studio軟件是應用三邊域曲面重構方法的逆向工程專用軟件。該軟件可輕易從掃描所得的點云數據創建出完美的多邊形模型和網格，并可自動轉換為NURBS曲面[5]。華中科技大學1995年開發了三維激光彩色掃描系統，并獲得國家專利；對非均勻β樣條與NURBS方法，北京航空航天大學做了系統的研究，并發表了大量的學術論文；浙江大學自主研發了商用的反求軟件，并在CAD中心三角面建模方面取得很大成功。王衛東針對產品在仿生設計中進行了應用研究[6]；李紅莉，王丹對于逆向工程在快速成型的應用進行了研究[7]；王秀英，劉錫國對于點云數據處理技術有了比較好的進展[8]；代菊英，涂群章，周建釗等針對機械裝備零件如何在逆向建模中的處理數據進行了應用研究[9]；吳正洪，朱建能，盧耀暉等人基于光學三維掃描研究了逆向工程與數控加工的關系[10]。

逆向工程技術可以在缺乏原始設計圖紙和CAD模型的情況下，可以根據產品實物模型構建出產品的CAD模型，為產品的深入研發提供了素材，從而了解設計者的設計意圖，在原有模型的基礎上進行再設計，實現引進技術的消化吸收和二次創新。同時，與傳統的設計方法相比，逆向工程技術大大縮短了新產品的開發周期，產品質量得到了更加充分的保證。隨著各個領域高科技技術的發展，逆向工程技術已經在在造船、航空航天、汽車、家電、醫療器械、快速模具、玩具等現代制造業中得到了越來越廣泛的應用[2,3]。轉向節是汽車轉向系統中的關鍵零件，既承載一定的車體重量，又傳遞轉向力矩和承受前輪剎車制動力矩，是確保汽車安全行駛的重要零件之一。該產品屬于復雜枝杈類件，是形狀極不對稱、界面變化劇烈的零件[12]，因此對其模型進行逆向工程研究，可對各類轉向節乃至其他汽車零部件的研發起到很好的指導作用。

1 汽車新型轉向節三維數據信息采集及點云數據處理

1.1 汽車新型轉向節三維數據信息采集

本論文利用非接觸式測量設備——三維光柵式測量儀對某汽車轉向節進行3D掃描，樣件如圖1所示。零件呈枝杈狀，形狀復雜，又由于測量條件的限制，存在著測量死角，所以轉向節樣件不可能在一次裝夾中完成整個掃描數據，故需進從不同角度進行多次掃描，然后在后處理軟件中進行視圖拼接才能得到較完整的點云數據。

圖1 新型轉向節樣件

1.1.1 噴涂反差顯像劑和貼標記點

由于激光測頭是利用被測物體對光的反射特點來接收數據的，所以被測物體的反光程度、表面顏色很大程度會影響掃描的數據完整性，也因此需要對被測零件進行噴涂反差顯像劑，使得零件表面處于啞光狀態，從而和周圍環境中的其他光線形成反差，使零件表面的漫反射光線更好的被吸收，從而得到較完整的零件表面數據信息。之后，需要對噴涂的零件進行標記，以便使后續采集的多片點云數據更好地拼合在一起。標記后的轉向節如圖2所示。

圖2 噴涂后的轉向節樣件

1.1.2 汽車新型轉向節3D掃描

完成測量前的轉向節分析和準備工作后，接著對轉向節進行掃描。第一階段掃描時盡量使面積較大的面正對激光測頭，以便更好的采集數據。由于測量條件的限制和測量死角的存在，需要從不同角度掃描得到多片點云數據，以便后續拼合出比較完整的點云模型，如圖3所示。

圖3 轉向節掃描圖片拼接

1.2 點云數據處理

掃描完成后，需要對所獲取的點云數據進行處理，包括數據精簡、標記點對齊、數據面片的合成、孔洞補缺等。初始模型三角形為432976個，簡化30%，新模型三角形為303082個。由于掃描過程中不可能實現所有細節的點云數據獲取，就會造成“孔洞”，如圖4所示，后處理時需要對這些孔洞進行填充，從而使被測件數據更加完整。孔洞補缺操作完成后，再經過適當的平滑優化等操作，點云數據的后處理基本完成，如圖5所示。

圖4 未處理的點云數據

圖5 處理完成后的三維圖形

2 汽車轉向節三維模型重構及誤差檢測

2.1 汽車轉向節三維模型重構

在Geomagic軟件中，將已經優化處理后的模型依循表面曲率的變化生成輪廓線，從而完成對整個模型的曲面劃分，如圖6所示。通過手動的方式來劃分初級曲面的類型，如錐面、自由曲面、圓柱面、旋轉面及平面等。通過“擬合初級曲面”命令對所有經過分類并定義后的初級曲面進行擬合處理，通過“擬合連接”命令對延伸線所占區域即所有初級曲面連接處進行擬合處理，通過“修剪/縫合”命令對擬合后的初級曲面和連接處進行修剪縫合，使其成為一個整體，最終得到所要求的轉向節CAD模型，如圖7所示。

2.2 汽車轉向節三維模型誤差檢測

由于逆向建模過程是一個由實物原型到重建產品CAD模型的過程，在整個建模過程中幾乎每一步處理都會不可避免的產生誤差，因此為了保證重構后的產品CAD模型符合精度要求，這就需要對重構后的CAD模型進行誤差檢測，通過檢測分析其是否在所要求的精度范圍之內，如果沒有則需要對這個CAD模型進行重構或是修改以使其最終滿足精度要求。

圖6 輪廓線生成

圖7 重構后的三維圖形

2.2.1 重構模型整體偏差分析

重構好的CAD模型作為測試模型，原始點云作為參考模型，來實現重構CAD模型和原始點云模型的三維數據對比，并通過色譜圖將偏差顯示出來，如圖8所示。

圖8 重構模型整體偏差分析

根據圖8偏差分析，可以得出最大偏差為0.856mm，-0.446mm，標準偏差為0.052mm。可以看出整體誤差不大，滿足所要求的精度范圍。

2.2.2 重構模型關鍵部位精度分析

利用三坐標測量儀對轉向節實物零件的關鍵部位進行測量，如圖9所示，研究重構模型與實際零件模型在關鍵部位的誤差，并生成誤差分析報告，如圖10所示。并將擬合后的關鍵位置尺寸在CATIA軟件中測量出來，如圖11所示，并將理論值和實際值進行比較分析。

圖9 在三坐標測量儀上測量轉向節關鍵部位

圖10 轉向節關鍵部位誤差分析報告

通過表1，重構后轉向節理論值和利用三坐標測量儀測量的實際值對轉向節的關鍵部位進行誤差比較分析，得出最大誤差為0.3812mm，最小誤差為0.0387mm，相對誤差最大為1.19%，最小為0.07%，滿足精度要求。

圖11 轉向節關鍵部位尺寸虛擬測量

3 結論

本論文應用3D掃描儀對汽車新型轉向節逆向重構，結合逆向工程，對復雜零件表面進行三維數據采集，并進行點云數據處理，形成完整的三維數據模型，然后比較重構模型與原始點云的重合度，分析重構曲面品質的優劣，最后利用三坐標測量儀對轉向節實物零件的關鍵部位進行測量，研究重構模型與實際零件模型的誤差分析，并生成誤差分析報告，最終得出重構模型滿足精度要求，從而實現汽車轉向節的數字化設計驗證，大大縮短研發周期，為汽車零部件設計制造提出新的設計思路，對各車型轉向節及其他汽車零部件的研發起到很好的借鑒作用。

表1 理論值和實際測量值比較

[1]劉偉軍,孫玉文.逆向工程原理、方法及應用[M].北京:機械工業出版社,2009:3-4．

[2]劉航.模具CAD/CAM[M].北京:機械工業出版社,2008:12-15.

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[3]盧碧紅,曲寶章.逆向工程與產品創新[M].機械工業出版社,2013:10-19.

[4]Giri Deepak, Jouanch Musa, Stucker Brent. Error sources in a 3-D reverse engineeringprocess[J].Precision Engineirng,2004,28(3):242-251.

[5]Florian Albat, Rainer Muller. Free-Form Surface Construction in a CommercialCAD/CAM system[J].Mathematics of Surfaces,2005,36(4):1-13.

[6]王衛東.逆向工程在產品仿生設計中的應用研究[J].包裝工程,2011(5):36-39.

[7]李紅莉,王丹.逆向工程與快速成型技術的綜合應用[J].數學技術與應用,2011(7):72.

[8]王秀英,劉錫國.逆向設計中點云數據處理技術的研究進展[J].機械設計與制造,2009(9):191-192.

[9]代菊英,涂群章,周建釗,等.機械裝備零件逆向建模中的數據處理技術應用[J].機械設計與自動化,2012,41(3):93-96.

[10]吳正洪,朱建能,盧耀暉,等.基于光學三維掃描的逆向工程與數控加工[J].機械制造,2013,51(592):45-48.

[11]張琦,鄭松林,金曉春,等.汽車后轉向節輕量化設計及試驗驗證[J].現代制造工程,2014(4):42-47.

[12]陳文琳,朱小兵,肖來斌,等.汽車轉向節鍛造成形工藝的有限元分析[J].合肥工業大學學報,2009,32(7):1000-1004.

[13]蘭鳳崇,張浩鍇,王家豪,等.汽車轉向節拓撲優化方法研究及應用[J].汽車工程,2014(36):464-490.

[14]張運真,李軍民.輕型汽車轉向節的工藝分析及夾具的三維設計[J].機械工程師,2012(8):36-37.

[15]雷鐳,左曙光,楊憲武,等.基于逆向工程技術的輪胎3D模型設計研究[J].汽車技術,2010(9):4-6.

[16]萬軍.采用CMM與光學掃描儀的汽車覆蓋件模具聯合測量技術[J].現代制造工程,2013(2):101-105.