逆向工程在汽车制造中的应用

肖冰,孟凡荣

(长春汽车工业高等专科学校，吉林长春 130000)

逆向工程在汽车制造中的应用

肖冰,孟凡荣

(长春汽车工业高等专科学校，吉林长春 130000)

针对汽车设计中所存在的周期长、成本高等问题，介绍逆向工程在汽车制造方面的应用流程。以CATIA逆向处理模块为例，对逆向工程的点云处理过程进行说明。通过点云采集、点云处理、曲面构建以及模型质量评价等，最终形成新产品。

逆向工程；汽车制造；CATIA软件；点云处理；模型质量评价

0 引言

传统的产品设计往往是一个由概念设计到图纸，最后加工成产品的过程。而逆向工程恰好相反，它是在只有产品模型或者实物但没有产品的定义和图纸的情况下，通过测量建立起数学模型，然后将这些模型和表征用于产品的分析、模具制造和加工生产的过程。它不仅可以重塑产品原型，还可以挖掘原产品的产品设计、制造等一系列的方法、手段以及技术等。

近年来，随着计算机技术的发展，逆向工程在制造业中得到了迅猛发展。在汽车制造方面也得到了广泛应用，例如车身设计、模具设计、快速成型以及NC加工等。

1 逆向工程在汽车制造中的实现

在当下汽车的造型设计中，设计者往往在概念设计部分使用油泥模型对车身进行设计，不断完善后，利用3D扫描技术对其进行数据采集;随后，经过一系列步骤对点云进行处理，经过快速成型等新制作方法最终形成新产品。逆向工程流程如图1所示。

1.1 数据采集

数据采集是指通过测量设备把产品表面转化成离散的几何坐标数据，数据采集精度直接影响到建模精度，所以采集高精度的数据对提高反求精度非常重要[1]。采集的数据通常是点云数据。

图1 逆向工程流程图

如图2所示，数据采集方法通常分为接触式和非接触式。接触式测量往往是对待测目标采用点测试，通过测量探头与待测目标进行表面接触，记录目标物体X、Y、Z的坐标值，通过每一次的测量点反映物体表面特征，从而实现物体数据的测量。设备一般有三坐标测量仪和柔性关节臂。其中，三坐标测量仪的精度较高，适用于高精度的产品检测领域，但测量速度缓慢，并不适用于大数量的数据采集，对于采集物体的形状也具有一定局限性。

图2 数据采集常用方法

非接触式测量近年来发展迅速，目前常用的有激光扫描和面扫描两种。激光扫描采用激光三角法位移测量计算待测目标表面三维坐标点，目前市场上常用的有台式激光三维扫描仪、手持式三维扫描仪、附加式激光测量头等,其精度相对较差，只适用于中小型物体。面扫描则利用条纹光栅图像的相移和解相技术进行数据采集，其精度较高，速度快，数据信息量大。随着新技术发展，新型设备还具有标志点全自动拼接、全局误差控制等功能来保证数据的完整性和精确性。

1.2 点云的处理

点云数据在采集的过程中，受到测量设备、待测目标不规则性等的影响，往往不能一次成功。这就需要对采集到的点云进行一系列的处理。这是逆向工程中的关键环节，它的结果将直接影响后期曲面重构的质量[3]。随着当前逆向工程的发展，各种点云处理的软件应运而生。在CATIA、Geomagic Studio、ImageWave、RapidForm等中都集成了点云处理模块。由于CATIA软件在汽车制造领域的特殊地位，以及其强大的集成设计功能[4]，文中将以CATIA进行举例说明。

1.2.1 点云预处理

点云的预处理是处理点云的前期工作，包括点云拼合、噪点去除、点云匀化、过滤等。

点云拼合是将两个或者多个获取的点云，根据其局部明显的几何特征，经过一定的计算方法进行拼合得到整体点云。在得到整个点云的同时，会出现与模型无关的噪点，这时候就需要进行噪点去除。如果得到的点云数据量过大，或者密度不均匀，往往会加大计算机的计算量，影响计算速度，这时候就需要进行点云匀化和过滤。此外，有些情况还需要人为进行点云补充、点云调整等，最后得到所需要的点云，为点云网格化做准备。

1.2.2 点云网格化

点云处理的最后一步是生成网格化点云。所谓网格化点云是点云中所有数据点均与参数域中一个均匀网格的顶点相对应，对采集的散乱数据进行网格化插值，即为点云网格化[5]。点云的网格化将直接影响数据分块和曲面创建，因此正确建立各点之间拓扑关系，形成三角平面是网格化点云的关键。在曲面曲率比较大的范围内合理增加三角面片的密度。

图3是汽车整体扫描后，原始点云与经过预处理、网格化所得的数据对比，可以发现原始点云数据量较大、存在噪点和缺陷；预处理后，可以将缺陷与噪点去除，得到均匀、平滑的点云；在网格化后，可以形成能够进行曲面构建的点云。

图3 点云的预处理

2 曲面构建

在点云网格化之后，由点云一次生成曲面实现起来有一定困难，而且即便生成了在光顺性上也得不到保证，因此，需要在CATIA中将所处理过的面片数据进行处理。对于特征明显的部分可以进行特征提取，例如平面、柱面、球面等二次曲面的识别；将所有特征进行分块，分别构造这些二次曲面；最后，对所构造的各种曲面通过桥接、过渡、裁剪等细节特征处理，最终得到大部分曲面。对于特征不明显的部分进行人为的曲线构造，在保证其曲线连续性的前提下，创建复杂曲面，再将所有曲面进行编辑，形成最终的模型。

3 模型质量评价

初步得到模型后，需要对模型进行质量评估，主要方法是进行精度检测。CATIA的精度检测功能可以用不同的色块来比较模型与点云的几何偏差情况。

如图4所示的汽车内腹板精度检测中，大多数点为绿色和浅蓝色，表示偏差在-0.1～0.1 mm之间，有极少数偏差为0.5～0.8 mm，这些都为设计员提供了偏差指标，为模型的质量评价提供有力依据。通过寻找坏点等方式进行曲面调整，对模型进行修改，最终得到符合标准的模型，为制造部分做准备。

图4 汽车内腹板精度检测

4 结论

逆向技术在汽车制造中的应用，在很大程度上缩短了汽车设计的周期，提高了汽车造型以及零部件的设计效率，节约了成本，在未来具有巨大的发展前景。

[1]彭燕军,王霜,彭小欧.UG、Imageware在逆向工程三维模型重构中的应用研究[J].机械设计与制造,2011(5)：85-87.

PENG Y J，WANG S，PENG X O.Applied Research of UG and Imageware in 3-D Model Reconstruction of Reverse Engineering[J].Machinery Design & Manufacture,2011(5):85-87.

[2]田涛,陈扬,史延春.逆向工程与新产品设计[J].河北联合大学学报(自然科学版),2006,28(4):37-41.

TIAN T,CHEN Y,SHI Y C.Reverse Engineering and Redesign[J].Journal of Hebei United University(Natural Science Edition)，2006,28(4):37-41.

[3]缪华,霍有朝.漫谈CATIA与逆向工程[J].智能制造,2008(12):21-23.

[4]高向敏.散乱点云模型三角网格化处理算法的研究与实现[D].南京:南京师范大学，2011:25-30.

ApplicationofReverseEngineeringinAutomobileManufacturing

XIAO Bing, MENG Fanrong

(Changchun Automobile Industry Institute,Changchun Jilin 130000,China)

For the problems of long cycle, high cost in automotive designing, the application of reverse engineering in automobile manufacturing was introduced.Taking CATIA reverse processing module as an example,the process of reverse-processing point cloud was described.Through the point cloud collection, point cloud processing, surface construction and model quality evaluation,new products could be produced finally.

Reverse engineering; Automobile manufacturing; CATIA software; Point cloud processing; Model quality evaluation

2017-09-20

肖冰(1987—)，男，硕士研究生，助教，研究方向为逆向工程、3D打印技术。E-mail：403337008@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.12.020

U466

A

1674-1986(2017)12-083-03