基于Geomagic Design X的汽車零部件逆向建模研究*

汝春波，鄭景景

（江西科技學院 人工智能學院，江西 南昌 330098）

逆向工程也被稱為反求工程，主要是對現(xiàn)有的零件和產品進行三維掃描，測量所需的點群數據，將點群數據導入三維軟件進行處理，得到三維模型，然后根據設計需求，將新的設計需求納入復原過程，對模型進行改良和優(yōu)化[1]，最終獲得基于原有零部件且滿足設計要求的零部件。隨著新能源汽車井噴式的發(fā)展，新能源汽車更新迭代也不斷加速，由此汽車零部件的設計周期也不斷縮短，逆向設計這一技術可以大大縮短零部件的設計周期，提高零部件的設計速度。對于逆向設計技術，國內外也加大了相關研究。在國內的眾多研究學者中，陳曉斐以藍光霧化消毒槍為原始模型進行了基于Geomagic Design X的復雜曲面產品逆向設計，通過對逆向設計的過程進行分析，得出通過Geomagic Design X軟件可以快速對復雜曲面零件進行再設計[2]。付斌利等人利用Geomagic Design X軟件對回力馬車進行逆向設計方法研究，發(fā)現(xiàn)逆向設計可以提升產品設計的速度[3]。王春香等人利用逆向工程技術對汽車懸架下彎臂進行了快速設計研究，從中得到逆向設計技術可以對汽車復雜曲面零部件進行高質量的快速設計，加快汽車復雜曲面零部件的研發(fā)速率[4]。快速逆向設計技術在國外的應用研究也非常多，美國在對其先進戰(zhàn)機的零部件設計中也大量采用了快速響應設計技術。由此看來，快速逆向設計在工業(yè)產品的設計制造過程中被廣泛應用。新能源汽車作為一個復雜的工業(yè)產品，其零部件較多，且有很多復雜曲面的零部件，在這些零部件的設計過程中應用逆向設計技術，可以大大提高汽車零部件的設計速率，完善設計過程。

1 逆向設計的流程

在逆向設計過程中，主要的流程是獲取零部件的點云數據采集，對數據進行處理，最后建立模型。具體流程闡述如下。

1）點云數據的獲取。點云數據采集是通過采集設備將待測零件的幾何形狀轉換為空間點云數據。這一過程主要是通過三維測量技術來實現(xiàn)，而數據的精度與采集設備的精度以及操作過程有直接關系。在逆向設計研究中，對于采集數據精度的研究也是重要的研究部分。

2）數據處理。數據處理階段是通過特定軟件對采集數據進行相應處理，在零件表面數據的采集過程中，由于采集設備、采集環(huán)境以及產品自身的影響，所獲的零部件點云數據會出現(xiàn)一些雜點和噪聲數據。如果不對這些問題數據進行處理，則會導致后期建模精度出現(xiàn)較大的誤差。因此要在設計過程中對獲得的點云數據進行去雜點、去噪聲、數據簡化、修補破洞等操作。同時也要對點云數據進行封裝重構，以便獲得精確的三維曲面，然后在此模型上進行零件的優(yōu)化設計。

3）逆向建模。目前，根據模型精度要求的不同分為兩種模型重構方式，針對表面精度要求較低的一些產品零件，一般采用三角面片的方式直接進行模型重構；而針對產品或零件表面較復雜且精度要求比較高的零件和產品，則采用曲面擬合的方式來對模型進行重構，這一過程是以點云數據為依據，通過對點、線、面這些模型元素，來對零部件或產品的原始三維模型進行還原[2]。

2 汽車轉向節(jié)的三維數據采集及處理

2.1 汽車轉向節(jié)的三維數據采集

對某型號汽車轉向節(jié)零件進行清潔并均勻噴涂顯像劑，然后粘貼標志點，以待后續(xù)進行掃描測量。轉向節(jié)零件處理如圖1所示。

圖1 轉向節(jié)零件處理

1）三維掃描儀的標定。本次數據采集選用Shining3D-Scanner雙目型三維掃描儀。在進行掃描時，環(huán)境中的光線變化會對掃描結果產生一定的影響，因此要避免環(huán)境中出現(xiàn)強光或逆光。其次對三維掃描儀進行標定，嚴格按照標定流程完成掃描儀的標定，可以確保掃描的精度。如圖2所示。

圖2 三維掃描儀的標定

2）采集轉向節(jié)的三維點云數據。先對待采集的某型汽車轉向節(jié)零件進行表面清洗，然后噴涂顯像劑，粘貼標準點，完成三維掃描儀標定和掃描環(huán)境處理之后，對某型汽車轉向節(jié)進行三維掃描。在開始掃描時，應使第1幅掃描畫面盡量包括更多的標志點，這樣在后面的掃描拼接時每次掃描畫面有更多的公共標志點，有利于確保拼接的準確度。在每次掃描一個平面時都會有進度條，這是為了防止出現(xiàn)遮擋掃描畫面，或是影響三維掃描儀周圍光環(huán)境的情況。同時在每一幀畫面掃描結束之后應仔細檢查掃描所得的點云數據，對于掃描過程中出現(xiàn)的一些雜點和多余的數據進行刪除。由于該型汽車轉向節(jié)不規(guī)則，在進行掃描時，會受到一些測量死角的限制，因此在掃描時要根據具體情況，緩慢移動掃描儀或待測的轉向節(jié)，以便能達到較好的掃描拼接效果。在完成整個零部件掃描拼接之后，要仔細觀察拼接掃描所得的模型，對比待測轉向節(jié)零件，查看是否存在缺失，如較為完整，則可以將全部點云數據導出為.asc后綴文件，以待下一步處理。轉向節(jié)掃描拼接過程如圖3所示。

圖3 轉向節(jié)掃描拼接過程

2.2 轉向節(jié)點云數據處理

1）導入掃描的點云數據。將后綴為.asc文件點云數據導入到Geomagic Wrap軟件，因在Geomagic Wrap軟件中打開的點云數據是黑色，不利于處理觀察，這時要對點云數據進行著色處理，以便接下來的點云數據的觀察處理，如圖4所示。

圖4 著色后的點云數據

2）去除體外孤點。由于轉向節(jié)本身不規(guī)則，環(huán)境中很難做到光線恒定，在掃描過程中曝光度就會產生差別，同時受掃描時的識別誤差影響，會使得零件三維圖產生一些雜點或是孤點。被選中的體外孤點如圖5所示。在處理時就要利用Geomagic Wrap軟件中的套索功能對這些不需要的點云數據進行刪除。

3）減少噪聲。在進行某型汽車轉向節(jié)的掃描時，由于三維掃描儀的采集過程會有一定的誤差，導致掃描得出的轉向節(jié)點云數據會有噪聲點，這些噪聲點如若不進行處理，會對最終的數據產生較大影響，因此可以采用Geomagic Wrap軟件中的減少噪聲的功能，將點云模型中偏移的噪聲點進行處理，以達到降低誤差的作用。本次掃描的某型汽車轉向節(jié)體積較小，因此零件細節(jié)較多，在處理時選擇減少噪聲功能的棱柱性（積極），迭代值設置為2，偏差限制設置為0.1mm，這樣設置可以使得細節(jié)更清晰，零部件的邊緣也會更細致平整。減少噪聲前后對比示意如圖6所示。

圖6 減少噪聲前后對比示意圖

4）封裝數據。在對轉向節(jié)點云數據模型進行必要處理后，通過Geomagic Wrap軟件的封裝功能將處理后的轉向節(jié)點云數據模型（圖7）轉化成轉向節(jié)模型。

圖7 封裝后的轉向節(jié)模型

2.3 轉向節(jié)多邊形數據處理

1）修補細微錯誤網格。在得到轉向節(jié)模型后，對于細微的錯誤網格也要進行處理，選擇Geomagic Wrap軟件中修補工具欄的網格醫(yī)生，在選擇完成后就會出現(xiàn)如圖8所示的對話框，然后進行Geomagic Wrap軟件分析并選中錯誤網格，將全部的錯誤網格類型進行勾選并應用，Geomagic Wrap軟件就會對錯誤網格進行自動修復。

圖8 網格醫(yī)生對話框

2）去除特征。由于零件自身和掃描過程的限制，在轉向節(jié)模型平面上，會有一些凸起或是凹陷的現(xiàn)象，可選擇處理軟件中的去除特征命令進行去除。去除特征前后對比如圖9所示。

圖9 去除特征前后對比圖

3）松弛網格。應用軟件平滑工具欄內的松弛命令這一選項，選擇使用默認參數并應用，就可對模型自動進行松弛網格，應用之后，模型表面會呈現(xiàn)更為光滑效果。圖10為松弛后的圖形。

圖10 松弛后的圖形

4）填充孔。由于掃描時粘貼了標志點，在完成掃描之后，原標志點的位置會出現(xiàn)孔洞，同時由于零部件不規(guī)則的原因，使得一些光線遮擋的位置也會產生一些孔洞。對于一些相對比較規(guī)則且孔洞較小的，可以使用軟件中的填充單個孔命令進行填補。圖11為填充單個孔的處理過程。

圖11 填充單個孔的處理過程

而對于處于邊緣位置或孔洞較大的一些孔，則需要使用搭橋命令，不斷地將孔洞進行縮小以及邊緣孔曲率降低的方法，來進行孔洞填充。填充效果如圖12所示。

圖12 填充效果圖

5）導出文件。在進行以上處理之后，將轉向節(jié)模型文件從Geomagic Wrap軟件中導出，存為.stl后綴文件，以備后續(xù)處理。圖13為多邊形階段處理完成后的保存圖片。

圖13 多邊形階段處理完成后的保存圖片

3 轉向節(jié)的逆向建模

3.1 轉向節(jié)各部位分析

將處理之后的.stl模型文件導入到Geomagic Design X軟件中，通過該型轉向節(jié)的形狀特征，將其分為3個部分，如圖14所示，然后根據其特征采用不同的處理方式進行處理：①對于外形相對較規(guī)則的軸頸上以及支臂上的連接孔，采用直接拉伸與切割的方式進行處理；②對于支臂和軸頸的連接處，其連接斷面圖形相對規(guī)則，連接比較簡單，則是采用曲面處理的方式來進行構建；③而對于像支臂這樣的形狀不規(guī)則，而且連接沒有具體規(guī)律的部分，處理過程要復雜一些，可先進行領域劃分，再利用面片擬合的方式來實施構建。

圖14 轉向節(jié)各部位圖

3.2 轉向節(jié)模型重構

通過三維掃描的方式來獲得不規(guī)則曲面的零部件產品逆向CAD模型，并對CAD模型進行建模，從而獲得精確的不規(guī)則曲面的零部件產品模型，是目前逆向工程的關鍵步驟。

3.2.1 連接孔和軸頸的重構

對于連接孔和軸頸的重構，進入軟件中草圖工具，選擇面片草圖工具選項，以前基準平面中的一個面為基礎，并追加3個斷面，以此來進行草圖創(chuàng)建，在創(chuàng)建之后，使用軟件中的實體工具，選擇拉伸，通過把圓環(huán)內外進行拉伸，拉伸距離保持不同，這就可以對軸頸進行重建，對于該汽車轉向節(jié)的連接孔和軸頸的重建，步驟相同。如圖15～圖17所示。

圖15 草圖構建過程

圖16 軸頸草圖的構建

圖17 軸頸重構圖

3.2.2 主體部位的重構

該汽車轉向節(jié)主體部位的重構與軸頸部位的重構方式相似，同樣是選擇一個前平面為基準面，畫出該汽車轉向節(jié)主體部位面片，找到軟件中的創(chuàng)建曲面工具，選擇拉伸曲面，這樣就可以把該汽車轉向節(jié)主體部分的草圖進行拉伸（圖18），然后再在該汽車轉向節(jié)主體部位上方設置一個平面片（圖19），并對該汽車轉向節(jié)主體部位側面實施領域的劃分，通過軟件中的面片擬合功能，對該汽車轉向節(jié)主體部位側面曲線進行生成，并對該汽車轉向節(jié)主體部位與支臂有連接的部分面進行填補。在這些操作完成之后，通過裁剪功能，對保留的部分進行選取，并進行曲面縫合。

圖18 拉伸主體面片草圖

圖19 主體上平面的創(chuàng)建

3.2.3 支臂部分的重構

通過對該型汽車轉向節(jié)支臂部分進行觀察，發(fā)現(xiàn)該型汽車轉向節(jié)支臂部分曲面具有形狀不規(guī)則、曲面復雜等特性，采用面片草圖法構建曲面不適用，所以針對該型汽車轉向節(jié)支臂部分的處理采用以下流程：首先用畫筆功能創(chuàng)建領域，然后通過3D草圖來對邊界進行劃分，緊接著使用面片擬合功能進行擬合，再進行曲面剪切，最后是對需要保留的曲面進行選擇并縫合成實體。對于該型汽車轉向節(jié)其他的支臂部分則采用相同的方法進行構建。支臂構建過程如圖20所示。在完成該型汽車轉向節(jié)3個部分的處理之后，采用布爾運算合并功能，來對其進行連接。構建完成后的轉向節(jié)模型如圖21所示。

圖20 支臂構建過程

圖21 構建完成后的轉向節(jié)模型

3.2.4 各部位細節(jié)的處理

模型建立后，模型與該型汽車轉向節(jié)實體還存在細微差別，可采用倒圓角的方式，使建立的模型與該型汽車轉向節(jié)實體更接近，以便減少誤差。在進行倒圓角時，采用Accuracy Analyzer 的偏差工具，對圓角的半徑進行調節(jié)，當調節(jié)色譜為綠色時，表示倒圓角的半徑調節(jié)得較為合理。圖22為倒圓角前后對比圖。

圖22 倒圓角前后對比圖

3.2.5 導出模型

在模型建立并完成細節(jié)處理之后，就完成了該型汽車轉向節(jié)實體的逆向模型。導出模型的三視圖如圖23所示。

圖23 導出模型的三視圖

4 結論

本文以某型汽車轉向節(jié)為樣本來開展汽車零部件逆向設計研究，得出以下幾點結論。

1）逆向設計是以現(xiàn)有產品實體為樣本，通過對三維模型的重構，并進行優(yōu)化設計，從而加快產品的設計速度，在汽車零部件的更新設計上有重要作用。

2）在逆向建模過程中，三維掃描儀作為初始點云數據獲取途徑，其精度對于后期建立模型的精度有很大影響。

3）在逆向建模過程中，使用Geomagic系列軟件進行處理，可以大大提高建模速率。