逆向工程汽车轮毂的曲面重构

李忠宇，孙丽荣

(黑龙江省道路运输管理局)

逆向工程汽车轮毂的曲面重构

李忠宇，孙丽荣

(黑龙江省道路运输管理局)

采用三维光学测量系统结合逆向设计技术对现有汽车轮毂进行数据采集及三维曲面重构，解决了轮毂曲面难以测量和设计的问题，并应用Imageware对三维模型与实体进行对比分析以获得精确的重构模型，从而提高了，产品设计的准确性，大大缩短产品研发设计和加工周期并降低了成本。

汽车轮毂;逆向设计;曲面重构;误差分析

1 数据采集及预处理

1.1 样件模型分析及方案制定

在产品进行三维实体重构前首先应从模型用途、零件几何特征，用户对曲面的精度与光顺度要求来制定重构的方案。本文以某汽车配件厂家订制的22寸汽车轮毂为研究对象，其模型在轮毂边缘处略有磨损，客户要求在曲面造型时曲面公差小于0.1 mm，最后给出重构后的*.STL数据以便订做模具。

此轮毂有5幅均匀的轮幅，每轮幅由3根曲率不同的幅条构成，以中心对称呈五边形。轮毂中心孔与传动轴的贴合面是基准，螺孔孔距为配合尺寸，精度要求较高。根据模型的特征决定采用光学扫描收集点云数据，后续尺规测量确定深度尺寸的方法来进行，处理数据的流程遵循点、曲线、曲面的原则，用Imageware Surface和UGNX对点云进行预处理及曲面重构。

1.2 数据收集

数据采集是通过特定的测量设备和测量方法以获取零件表面离散点的几何坐标数据，是曲面重构的基础。本文采用深圳鑫磊精密仪器技术有限公司生产的LASERRE三维光学测量系统。

为保证轮毂扫描的精确性，对叶轮做必要的前期准备：(1)仪器与软件校准;(2)把反差剂喷涂经过圆心且宽15 cm的区域上，确保轮毂其中一边喷满，其对面也喷上以反求轮毂的圆心。

测量方法：(1)轮毂直径较大，扫描机的扫描深度不足以测量，因此使用平行扫描的方式，扫描步距为1 mm;(2)轮毂为中心对称五边形，只需扫描出其中一边就可以造型;(3)轮毂上的孔位由于深度大且直径小，形状都一样因此在点云上描出孔开口的轮廓线，在后处理时用尺规测量。

1.3 点云数据预处理

在逆向工程的数据采集过程中，通常采用密集采样方式。由于测量得到的点云数据非常庞大，其中包含大量无用的数据给后续工作带来了困难。这些数据的存在对零件的造型有害无益，因此需对点云数据进行预处理也即数据精简化和规则化。

图1为汽车轮毂原始点云数据，由于样件较大及轮毂材料的反射性等因素的影响，从图中可以看出点云数据比较庞大且有噪声点。对原始点云采用倍率缩减方法，进行数据精减，用半交互半自动的方法去除噪声点，插补肋板内侧数据。图2为处理后的网格化点云图。

图1 汽车轮毂原始点云数据

图2 数据预处理后的网格化点云图

2 曲面重构

2.1 曲线构建

根据轮毂的外形特点，划分出二次曲面的区域，以对轮毂点云进行分割，平面可以用3点或两相交直线来确定，圆柱面则以截面线和矢量来确定。对于自由曲面，需构造出曲面的特征线。对点云做出必要截面线，剔除截面点云的杂点进行必要的光顺，最后把截面点云拟合成曲线，以便构造自由曲面。

为确保重构特征线的精度，在任何一条特征线的构建过程中，都要随时检测点云和曲线之间的偏差，确保特征线在偏差允许范围内，以保证与原型的一致性。

在UG NX软件中直接读取Imageware软件的* .IMW格式的文件，把在Imageware中构建好的特征曲线导入到UG NX中，要保证坐标系的一致性。对调入的曲线进行分析，并进行光顺处理或进行重构和编辑。用桥节(Bridge)的方式把2条曲线光滑过度，或者利用旧曲线提取出一些特征点来重新建立一条新的曲线图，但要注意新建的曲线误差必须控制在允许的范围内，不然会偏向某一曲面的精度，另外调整次数越多累积误差会大。

2.2 曲面拼接与光顺

根据轮毂不同部位的具体特征运用各种构面方法建立曲面。将调整好的曲线用Though Curve Mesh命令编织成曲面以保证曲面边界曲率的连续性。曲面建成后，要检查曲面的误差，一般测量点到面的误差，对外观要求较高的曲面还要检查表面的光顺度。构面要注意简洁，面要尽量做得大张数少不要太碎，有利于后面增加一些圆角、斜度、增厚等特征，也有利于下一步编程加工，刀路的计算量会减少，NC文件也小，见图3。

图3 曲线平滑与构面

2.3 实体重构

使用UG NX的特征造型和曲面造型功能，最终完成轮毂的三维实体造型。先偏置(Offset)外表面，用Offset指令可同时选多个面或用窗口全选，这样会提高效率。偏置后的曲面进行裁剪、补面，用各种曲面编辑手段完成内表面的构建，最后缝合内外表面成一实体(solid)，见图4。

图4 汽车轮毂三维实体造型

3 三维几何模型误差分析

不论用何种方法加工，都需要对其加工精度进行检验。利用传统的检测手段很难准确检测，因此同样可利用逆向工程技术对零件进行准确、高效率的检测。

将扫描所得的点云数据(图1)与构建的汽车轮毂三维几何模型图4重新导入Imageware中，通过Measure/Surface to Cloud Difference命令，利用曲面 点云检查(surface to cloud interrogation)功能，用彩色云图将2个模型间的偏差差异显示出来，检查三维几何模型的误差，进行分析比较。如果误差过大，则需要在UG NX中重新调整曲线、曲面，然后再导入到Imageware重新进行误差分析，直到满意为止。

图5 模型误差分析

图5为点云的误差分析图。从误差云图中可以看出，重构实体与点云原始数据存在的误差。筋板处曲面误差0.05 mm完全达到了设计要求。而最大误差0.3 mm发生是轮毂边缘与胎面接触处，主要原因是客户所提供的轮毂样件在边缘处有轻微的磨损，重构时已将此处光顺，所以与点云图出现了较大误差。

4 结束语

应用逆向工程技术，对汽车轮毂等复杂曲面采用三维光学扫描及逆向设计方法，缩短了生产周期，提高了生产效率。将此方法推广应用于汽车其他零部件生产，在消化吸收先进生产技术的基础上，可加快我国汽车零部件自主开发创新的步伐，在实际制造业中有重大意义。

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2011-05-19