基于逆向工程的汽车轮胎挡泥罩温控形变检测技术研究

姜海英，姜继春，青格勒，梁嵬

（1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022；2.长春设备工艺研究所，长春 130012）

基于逆向工程的汽车轮胎挡泥罩温控形变检测技术研究

姜海英1，姜继春2，青格勒1，梁嵬1

（1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022；2.长春设备工艺研究所，长春 130012）

汽车轮胎挡泥罩结构复杂，曲面很多，采用传统方法无法检测其温度发生变化时的形变。通过对汽车轮胎挡泥罩的温控形变检测实验，提出将逆向工程技术运用在其检测技术方法中，采用三维激光扫描仪Handyscan3D获取轮胎挡泥罩点云数据，将轮胎挡泥罩点云数据进行预处理，进而利用NURBS方法在CATIA V5软件平台上重构轮胎挡泥罩三维模型。就逆向结果对比标准数据进行精度分析，获得符合精度要求的轮胎挡泥罩拟合精度，确立该检测技术的正确性及实用性，并在此基础上进行形变后的汽车轮胎挡泥罩检测以获取其温控形变参数。

汽车轮胎挡泥罩；点云数据；重构模型；精度分析；温控形变

汽车的安全性能一直是用户选择汽车的重要标准，汽车轮胎挡泥罩是汽车的重要配件，与轮胎的紧密程度和外形形变对汽车运行的安全性与舒适性有较大影响。汽车轮胎挡泥罩受不同温度影响会发生变形，如果变形量较大，在特殊天气特殊地区，如暴雨雪天气的地区，汽车轮胎挡泥罩与轮胎之间摩擦增大，长期使用不仅降低汽车轮胎的寿命，增大噪声污染，还会增加行车阻力，从而影响行车的安全性及舒适性。故要求准确测量模拟整车环境，检测挡泥罩在不同温度的形变量，成为整车厂对相应配套厂商的供货要求。

1 轮胎挡泥罩温控形变检测实验

1.1 轮胎挡泥罩温控检测实验方案的制定

本次实验的对象是某企业新研制的未上市产品，如图1所示，它由过去单一弧形金属罩体演变成新型材料的弧形轮毂挡泥罩体，其特征在于，轮胎挡泥罩体的外表面周向设置有凹凸加强结构，采用高密度石灰棉（纤维隔音材料），使其具有吸震隔音的功效。一般的检测方法要耗费大量的时间及人员精力，工序复杂，相当浪费资源，而本次研究的目的是将逆向工程方法引进到温控形变检测实验，它改变了以前的理念，缩短了工作周期。

图1 检测所用的轮胎挡泥罩

轮胎挡泥罩温控检测实验工艺制定，对应某企业要求，需制定检测实验的实验标准、环境要求、精度要求等。

1.1.1 检测实验标准

根据轮胎挡泥罩厂商的实验执行标准PV1200，轮胎挡泥罩气候交变稳定性实验箱（+80/-40）℃PV-1200，具体实验要求如表1所示。

表1 PV1200实验要求

一周期具体实验设置要求为：（1）60min，升温相位，温度为+80℃，相对湿度为80%RH；（2）240min，保持时间，温度为+80℃，相对湿度为80%RH；（3）120min，降温相位，在-40℃处，当达到冻点附近30%空气湿度时，从T＜0℃起保持空气湿度不变，即不再调节温度（由于设备条件的限制，从T＜10℃开始，湿度调节失效是允许的）；（4）240min，保持时间，在-40℃左右，保持空气湿度不变，不调节温度；（5）60min，升温相位，在+23℃处，约在T=0℃，相对湿度调到30%。

1.1.2 检测环境和精度要求

检测环境直接影响轮胎挡泥罩的检测实验的准确性，本次主要以石灰棉为原料的隔音棉与硬质塑料复合而成的轮胎挡泥罩，来测量其温控变形系数，故应避免除环境箱外一切产生环境影响的因素。其次结合扫描仪Handyscan3D的正常测量环境范围，轮胎挡泥罩检测实验环境应保持在恒定的范围内，考虑轮胎挡泥罩材料、检测设备及厂房条件制定稳定环境标准：温度区间应在25.79-26.22℃，湿度区间应在63.35-70.20%，气压宜在948.17-950.99mpars。

为保证轮胎挡泥罩温控形变系数的准确性，厂商对轮胎挡泥罩检测提出了最大允许偏差为5%，即单方向误差不得超过该方向产品尺寸的5%，为此需要轮胎挡泥罩的尺寸数据来推导轮胎挡泥罩检测实验的检测精度要求，通过厂商提供轮胎挡泥罩设计原始数模，得出轮胎挡泥罩外形尺寸数据，如表2所示。

结合轮胎挡泥罩尺寸数据及企业最大偏差比，推算轮胎挡泥罩检测误差应小于0.2mm。

1.2 轮胎挡泥罩检测实验

数据获取是逆向工程的第一步，也是轮胎挡泥罩形变检测实验的基础，因此，数据获取的好坏直接影响整个工程质量。轮胎挡泥罩含有多种异形曲面，还有多种纹理，给检测实验增加了难度。为获得精准轮胎挡泥罩曲面数据，结合企业实验标准PV1200建立合理高效的实验流程，如图2所示。

图2 轮胎挡泥罩检测实验流程图

测量轿车轮毂挡泥罩温控形变的目的是模拟所测产品在实车状态下的形变情况，通过测量获得形变数据，因此所测轿车轮胎挡泥罩严格按照装车状态安装在相应工装上，安装方式、连接状态与整车状态一一对应。以确保由于卡具对所测数据的影响最小，在轮胎挡泥罩工装确定无误后，根据产品贴点原则，进行轮胎挡泥罩表面光点布局。

待Handyscan3D扫描仪设备组装、调试、校准后，Handyscan3D结合双目立体视觉测量方法，采用了神经网络技术进行标定，扫描仪对轮胎挡泥罩表面光点进行识别收录，标定数据采集的坐标系，以零件表面光点整体空间定位的中心位置建立三个坐标值（X/Y/Z）阵列，轮胎挡泥罩的外形，是通过点位识别建立空间坐标模型，划分空间网格。将点云数据保存为STL格式，如图3所示，导出进行处理，将轮胎挡泥罩推入温控环境箱，进行温控实验。

图3 轮胎挡泥罩的点云数据图

温控实验运行严格按照企业的PV1200标准，温控环境箱如图4所示，是可以持续保持环境箱内的温度值的设备。经过标准温控实验要求周期之后，停止运行温控环境箱，待箱内温度为正常值时，取出被测产品。重新进行上面的轮胎挡泥罩数据获取实验步骤，获得温控实验之后的被测产品点云数据。

图4 温控环境箱

2 逆向工程技术的实例应用

2.1 轮胎挡泥罩表面点云数据预处理

由于在获取轮胎挡泥罩的点云数据过程中，影响因素有很多，比如三维激光扫描仪的精度及调试、仪器扫描范围的局限性、扫描物件的表面光洁度等，采集的轮胎挡泥罩点云数据必然含有杂点（噪声），故需对已得到的数据进行预处理，主要工作包括：去除杂点，数据精简，数据光顺，补洞处理，划分网格及优化等［2］。如图5、图6、图7及表3所示。

图5 杂点噪音去除对比

图6 补洞处理

图7 优化后的轮胎挡泥罩网格

2.2 轮胎挡泥罩曲面重构

利用CATIA V5R20进行曲面重建，该软件具有强大的逆向处理功能模块和造型设计［3］。快速曲面重建就是将点云数据经过人为干预来形成多边形，在多边形化模型基础上直接进行曲面片拟合。主要包括两部分：一是对轮胎挡泥罩点云数据进行曲线重构；二是在曲线重构的基础上进行曲面重构［4］。相比传统点-线-面的曲面造型方法，最大优点是简单、速度快，且能够达到G1连续曲面。结果如图8所示。

表3 轮胎挡泥罩数据网格对比

图8 曲面重构后的轮胎挡泥罩

2.3 轮胎挡泥罩数模误差对比分析

将轮胎挡泥罩拟合模型导入到Geomagic Stu⁃dio2013软件平台，将二者分别设定为原始数据方和测试数据方。将原始数据和测试数据进行点位拟合，然后标出轮胎挡泥罩的不同颜色区域的偏差值，如图9所示。由于在整个逆向过程一定会产生误差，现场扫描所得的数据和轮胎挡泥罩的真实值之间，必然存在差异。通过轮胎挡泥罩检测实验中可能产生误差的原因分析，采取必要措施以降低误差，提高精度。对完成拟合后进行偏差对比，是根据企业对轮胎挡泥罩检测误差要求设定对比公差带表示区间及整体误差分布，结果如图10所示。

图9 轮胎挡泥罩的初次逆向偏差图

图10 轮胎挡泥罩改进前后偏差对比图

由图10可知，改进后的轮胎挡泥罩拟合模型的允许误差在0.2mm内，轮胎挡泥罩标定为倒三角，大于0.2为其他形状，如图所示。由对比曲线图可知，轮胎挡泥罩检测逆向整体误差在允许误差范围内，满足轮胎挡泥罩的检测精度要求，这项检测技术可以用于轮胎挡泥罩的温控形变检测中。

在满足厂商的精度要求后，对放置环境箱内一周期的轮胎挡泥罩重新进行检测实验，实验过程及标准严格按照实验工艺制定标准进行，对一周期实验后的挡泥罩点云数据进行偏差对比，对比结果如图11所示。

图11 轮胎挡泥罩温控形变检测结果

由图11可知，轮胎挡泥罩发生了明显弯曲卷边现象，因为偏差标定阈值是0.2mm，则偏差值小于0.2mm的区域，即满足企业精度要求区域，在轮胎挡泥罩纵向前侧边角处发生明显凹陷，如图11（a），在侧边边角处明显卷边，即图11（b），将轮胎挡泥罩发生形变区域标示，针对一周期每一温度区间进行检测，记录数据，根据温度分段测量，比对两次测量数据，统计计算形变偏差值如表4所示。

表4 一周期轮胎挡泥罩形变偏差值

3 结论

本文创新性地研究逆向工程技术在汽车轮胎挡泥罩的温控形变检测技术中的应用，结合企业要求制定挡泥罩的温控形变检测实验方案，严格按照实验标准进行其外形表面数据采集实验，并进行数据处理，曲面重构。最后就逆向结果进行精度分析和温控形变检测实验结果对比分析，得出挡泥罩的受温度变化的形变偏差值，这对实际生产中的汽车配件厂商具有指导性实际意义。

［1］ 赵勇力，李忠元，董成文，等.基于逆向工程技术的列车零部件模型重建方法研究［J］.铁路计算机应用，2015（6）：9-13.

［2］ 黄国权，杨显惠.采用逆向工程技术对叶轮建模的研究［J］.机械设计与制造，2010（2）：227-229.

［3］ 王银冰，黄皖苏，屈新怀，等.基于CATIA的逆向工程中的曲面重建［J］.现代机械，2005（6）：65-66.

［4］ 姜珍珠.扭曲自由曲面散乱测量点NURBS曲面重构［D］.天津：天津大学，2013.

［5］ 成思源，谢韶旺.Geomagic Studio逆向工程技术及应用［M］.北京：清华大学出版社，2010.

Research on Temperature Control Deformation Detection Technology of Automobile Tire Mud Shield Based on Reverse Engineering

JIANG Haiying1，JIANG Jichun2，QING Gele1，LIANG Wei1
（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun Institute of Equipment Technology，Changchun 130012）

The structure of the automobile tire mud cover is complex and has many curved surfaces.The traditional method can’t detect the deformation when its temperature changes.By retaining temperature deformation detection experiment of mud cover of automobile tires，the innovation proposed reverse engineering technology in the use of the technology of detection method.The 3D laser scanner Handyscan3D obtains the data of tire mud cover point cloud，and preprocess the data of the tire mud cover cloud，then use the NURBS method in the CATIA V5 software platform of the tire mud cover of 3D model reconstruction.Preci⁃sion analysis is carried out on the reverse results compared to the standard data，meet the accuracy requirements of the tyre mud⁃guard fitting precision，accuracy and practicality of the establishment of the detection technology of automobile tires，and on the basis of deformed mud cover detection to obtain the temperature deformation parameters.

automobile tire mud cover；point cloud data；reconstruction model；precision analysis；temperature control defor⁃mation

TH391.7

A

1672-9870（2017）03-0043-05

2016-12-05

姜海英（1991-），女，硕士研究生，E-mail：jhyjhy0927@163.com