汽车零部件参数化逆向设计研究

陈建洲 吴婷

摘 要：针对传统逆向工程设计无法参数化的问题，利用正逆向相结合的设计思想，对某汽车零部件的参数化逆向设计建模进行研究。通过点云预处理、区域划分、特征提取、实体重建，有效提取出各部分结构单元的原始特征信息，重构出较高准确的产品参数化实体模型。研究结果表明，该方法具有进一步参数化的修改能力，能够为后续产品的创新和优化设计提供基础，对于提高汽车零部件新产品开发的速度和质量具有重要意义。

关键词：逆向工程；参数化；特征提取；汽车零部件

中图分类号：U463 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）09-0134-03

Abstract： For the problem that the traditional reverse engineering design can not be parameterized， the parametric reverse design modeling of some automobile parts is studied using the idea of combining positive and reverse design. Through point cloud preprocessing， region division， feature extraction and entity reconstruction， the original feature information of each part of the structure unit is extracted effectively， and the product parameterized entity model with high accuracy is reconstructed. The results show that the method has the ability of further parameterization modification and can provide the basis for the innovation and optimization design of subsequent products， which is of great significance to improving the speed and quality of the new product development of automobile parts.

Keywords： reverse engineering； parameterization； feature extraction； automotive parts

1 概述

随着计算机技术和汽车行业的蓬勃发展，逆向工程技术在汽车产品开发领域中的应用日趋广泛。逆向工程是根据已经存在的产品实物模型，通过三维扫描和重构形成产品数据模型的过程[1]。运用逆向工程可以缩短产品的设计周期，降低设计成本，提升产品的市场竞争力，拓展设计师的设计思维，同时可对工艺产品的改良或再开发设计具有高效的便捷性和操作性[2]。

目前，逆向工程设计流程大部分是将扫描仪获得的零件点云数据进行曲面拟合，以重建出产品的CAD模型[3-5]。这种方法虽然简单快速，但无法进行参数化编辑，对后续的生产和创新造成很大的不便[6]。将正向设计和逆向设计有机的结合起来的参数化设计方法是设计研发领域的必然趋势[7]。

2 汽车零部件参数化逆向设计

本文以某汽车差速器壳为例，对其参数化的逆向设计问题展开研究，运用正逆向相结合的设计思想，在Geomagic Design X软件平台下实现该零件的参数化逆向建模。

2.1 数据采集和预处理

差速器殼是一种外部形状复杂，内部为厚度均匀的回转表面零件，因此对此类零件的数据采集只需利用扫描仪扫描外部表面数据，薄壳厚度可通过测量工具获得，这样可以减少扫描时间以及点云数据文件的大小。扫描完成后，通过降噪、网格封装、修补等功能对数据进行优化处理，最后得到精简的差速器网格模型如图1所示。

2.2 区域划分和特征提取

由于扫描后的模型坐标系为设备全局坐标系，远离物体表面，因此对该模型的表面形态特征进行分析和提取，方便后续建模。首先对该差速器壳网格模型进行曲率分析，以将模型表面形态特征进行区域划分，将相同类型的特征区域进行合并组合，对不同类型的特征区域进行手动调整，其结果如图2所示。分别将区域1和区域2 拟合为平面，由于这两个平面相互垂直，因此可以基于它们作为坐标系中的两个坐标面方向；然后，提取区域3回转面的回转轴作为坐标轴。最后利用这三个特征将模型对齐到世界坐标系方向。

2.3 参数化实体结构重建

差速器壳的主体结构为回转体，首先利用过回转轴的平面截取网格模型来获得初始截面轮廓，并进行轮廓曲线拟合和参数化修改以及添加约束关系，来勾勒出精确的回转轮廓，如图3（a）所示。利用该轮廓，在“回转”命令下进行回转建模重建出差速器壳主体结构，如图3（b）所示。

差速器壳的内部表面，根据测量得到的薄壳厚度对主体结构进行抽壳处理。对于零件两侧的平面凸台以及圆弧状凹面结构，首先截取该位置的截面轮廓，然后利用拉伸和镜像来获得，如图4（a）所示。差速器壳的所有孔特征，同样利用拉伸切割功能来实现。对于差速器壳的铸造圆角特征，利用软件中的 “面片估算圆角”测量功能估算圆角区域的曲率半径，进行参数化倒圆角，其最终结果如图4（b）所示。

2.4 误差分析

为保证重构后的产品CAD模型符合精度要求，需要对重构后的CAD模型进行误差检测。误差分析主要是从定量的角度实现对逆向模型的质量检查，即原有模型与逆向模型之间到底偏离了多少，在实际应用中是否可被接受[8]。

将重构的差速器壳实体模型与原始点云数据进行比较，得出如图5所示的误差分布图。可以看出，本研究重构的模型外表面与原始点云之间的偏差大部分在±0.1mm的公差范围内，设计精度要求较高。对于偏差较大的区域，其原因可能是在特征提取以及轮廓拟合过程中存在一定的误差，因此，可以返回到设计界面对所构建的特征进行参数化局部调整，直到满足要求为止。

3 结束语

随着数字化的高速发展，逆向工程不管是在创新型企业或者非创新型企业都得到了广泛的应用。本文以 Geomagic Design X 软件为平台，通过分析某汽车差速器壳的表面形态特征，有效地提取出各个结构单元的原始形狀特征，重构出较高准确的产品参数化实体模型；并以原始采集数据为依据，对参数化模型进行了误差分析。该方法可使工程师更加清楚的了解产品的原始设计意图，从而对模型的信息掌握更加明确，结合正向建模思路可以解决一些复杂模型的创新设计，有效提高产品的开发速度，缩短开发周期，具有较好的应用价值。

参考文献：

[1]王沁峰，胡志超，张火土，等.汽车覆盖件逆向工程设计研究与应用[J].机械设计与制造，2011（4）：83-85.

[2]周小东，成思源，杨雪荣，等.基于参数化逆向建模的仿真优化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2015（11）：13-18.

[3]孙文涛，董斌.产品设计中逆向工程技术应用研究[J].包装工程，2014，35（12）：80-83.

[4]刘赛.汽车转向节逆向重构与误差检测应用技术研究[J].制造业自动化，2017，39（9），75-78.

[5]李丹.基于逆向工程的汽车覆盖件曲面重构技术研究[J].机械设计，2016，33（8）：113-116.

[6]黄兵锋.汽车零部件逆向设计中的参数化建模方法研究[J].机电工程，2013，30（11）：1345-1349.

[7]王乔，成思源，杨雪荣，等.基于Geomagic Design Direct的正逆向混合建模创新设计[J].组合机床与自动化加工技术，2016（5）：59-61.

[8]金涛，匡继勇.产品反向工程的误差分析[J].机械设计与制造，2000，12（6）：66-68.