基于逆向工程的汽車復雜曲面結構件快速建模

趙楠

摘要：逆向工程可以縮短產品的研發周期，提高生產效率，在工程實際中發揮著重要作用。本文以汽車復雜曲面結構件逆向設計為例，詳細地闡述了參數采集、數據處理、曲面重構等關鍵步驟，并最終得到三維數字模型的設計過程。這種設計方式，能夠避免傳統正向設計時間長、成本高等問題，能夠為逆向工程技術在汽車復雜曲面結構件的設計提供參考。

關鍵詞：逆向工程;復雜曲面結構件;三維實體模型;模型重建

中圖分類號：TP391.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0046-03

0? 引言

逆向工程（Reverse Engineering，也叫反求工程）是把先進產品的實物或影像作為研究對象，應用現代設計方法學、生產工程學、材料學和有關專業知識進行的系統分析和研究，進而開發出同類的更為先進的產品或技術[1-2]。工業產品傳統的設計方法是從設計思路入手，結合實踐經驗、設計手冊等形成方案、圖紙，最后完成實體制造，即從想法到模型，再到產品。而逆向工程是從現有的產品入手，到數字模型，再到新產品的設計過程，在整個過程中設計信息不能精確表示出來，具體流程如圖1所示。

逆向工程作為一種新興技術，可以大幅縮短產品的設計研發周期，使生產效率得到了極大地提高。逆向工程技術可以方便、快捷地實現產品的改進設計，它通過先進的技術開發手段，在已有產品基礎上設計新產品，縮短開發周期，可以使企業適應小批量、多品種的生產要求，從而使企業在激烈的市場競爭中處于有利的地位[3]。逆向工程技術的應用對新產品的開發、加快企業產品的更新換代以及我國企業的快速發展具有特別重要的意義[4]。

本文基于逆向工程技術對汽車復雜曲面結構件進行逆向設計，最終獲得其三維實體模型。

1? 汽車復雜曲面結構件三維數據采集

逆向工程的第一步，就是要對汽車復雜曲面結構件的三維數據進行采集。工程上，獲取被測物體表面三維坐標值的數據采集設備有：三坐標測量機、關節臂測量機、光柵式三維掃描儀以及激光掃描測量儀等。本項目中汽車復雜曲面結構件的形狀，由大的流線曲面組成，且內外特征不同，需要掃描內、外兩面，細節過渡特征不明顯，最好能夠自動拼接，為此通過貼專用的標記點，自動拼合。因此，綜合考慮汽車復雜曲面結構件的形貌與各數據采集方法的優缺點，本項目選用手持式激光掃描儀。

手持式激光掃描儀是利用激光三角法實現對被測物體表面信息的采集。該掃描儀結構簡單，只需將工作站或者配備的筆記本電腦與掃描儀連接在一起，就可以以任意角度移動該掃描儀對被測物體進行全方位360度的掃描，從而迅速得到被測物體的完整三維數據信息。在汽車復雜曲面結構件上粘貼標記點，經過掃描，系統最終得到了準備、均勻的點云數據，并保存為.asc格式。汽車復雜曲面結構件的點云數據如圖2所示。

2? 點云數據處理

在數據采集的過程中，由于環境光、掃描背景、軟件算法錯誤等原因，點云數據中經常會出現一些孤立的跳點、雜點、壞點等錯誤的數據，這些點會影響后續封裝成三角面片或者曲面重構的準確性。因此，將數據采集所得的點云數據導入到Geomagic Wrap軟件后，首先要進行點云數據的預處理，從而將采集到的數據變為整齊、均勻、精簡的點云數據。具體處理過程包括：

①選擇體外孤點、非連接項，刪除偏離主點云距離比較大的點云數據;②進行曲率、等距、統一或者隨機采樣，在保證精度的條件下減少點的數量;③進行封裝處理，使點云數據變為三角面片模型。最后，將經過一些列處理后的得到的三角面片數據保存為.stl格式文件，以便進行后續逆向建模設計。汽車復雜曲面結構件處理后的數據見圖3。

3? 曲面重構

通過復雜曲面產品來反求工程的CAD模型，進而通過建模得到該復雜曲面數字化模型是逆向工程的關鍵技術之一[5]。將已經封裝完成的汽車復雜曲面結構件.stl格式文件導入到Geomagic Design X軟件。

首先，在領域模塊選擇自動分割，將復雜曲面結構件分割成若干模型特征，其中敏感度選擇中間位置（圖4）;其次，選擇結構件底面作為基準面，進行手動對齊操作。選擇面片草圖，利用自動草圖功能勾勒線條，回轉生成結構體主體結構（圖5）;同樣，利用面片草圖和圓形陣列繪制螺栓安裝部分（圖6）。按照上述方法，重復步驟，利用拉伸、切割、回轉、曲面偏移、延長曲面等命令得到汽車復雜曲面結構件的實體模型。（圖7）

4? 偏差分析

將逆向設計得到的汽車復雜曲面結構件三維實體模型導出，并保存為.stp格式。把導出的三維實體模型與處理完成的點云數據均導入到Geomagic Control 軟件中進行對比，以此來實現對逆向設計的準確性進行評價，偏差結果將通過色譜圖表示出來（圖8），并生成檢測報告（圖9）。根據檢測報告可以得出，本次逆向設計最大正偏差為0.4889mm，最大負偏差為 -0.4893mm，標準偏差為 0.0848 mm，整體誤差較小，滿足設計要求的精度。

5? 結語

逆向工程在新產品開發過程中具有重要的實際意義。文章以“汽車復雜曲面結構件”為載體，使用手持式三維激光掃描儀對汽車復雜曲面結構件進行全尺寸掃描從而得到完整的點云數據，然后借助于逆向建模軟件將點云數據進行一系列處理，通過曲面重構得到完整的三維實體模型，最后利用Geomagic Control對逆向的結果進行了評價。檢測報告表明，逆向設計得到的汽車復雜曲面結構件三維模型可以精確顯示實際零件的幾何特征。這種逆向設計方式，能夠避免傳統正向設計時間長、成本高等問題，同時也為利用逆向工程技術完成汽車復雜曲面結構件的設計提供參考。

參考文獻：

[1]張國亮.PRO/ENGINEER逆向工程專家實例精講（中文野火版）（附光盤）[M].中國青年出版社，2007.

[2]陳永東，鐘紹華.逆向工程在汽車零部件設計中的應用[J].輕型汽車技術，2006（008）：23-25.

[3]葉德輝.基于逆向工程技術的改良性產品設計[J].制造業自動化，2011（24）：128-130.

[4]蔚敬斌.逆向工程技術及應用[J].機械管理開發，2006（002）：45-46.

[5]姚瑞敏，秦衛偉，張艷崗，劉步遠.基于逆向工程的拖拉機附加驅動葉輪設計與制造[J].邢臺職業技術學院學報，2019，36（03）：69-72.