基于逆向工程的汽车复杂曲面结构件快速建模

赵楠

摘要：逆向工程可以缩短产品的研发周期，提高生产效率，在工程实际中发挥着重要作用。本文以汽车复杂曲面结构件逆向设计为例，详细地阐述了参数采集、数据处理、曲面重构等关键步骤，并最终得到三维数字模型的设计过程。这种设计方式，能够避免传统正向设计时间长、成本高等问题，能够为逆向工程技术在汽车复杂曲面结构件的设计提供参考。

关键词：逆向工程;复杂曲面结构件;三维实体模型;模型重建

中图分类号：TP391.72                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）05-0046-03

0  引言

逆向工程（Reverse Engineering，也叫反求工程）是把先进产品的实物或影像作为研究对象，应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行的系统分析和研究，进而开发出同类的更为先进的产品或技术[1-2]。工业产品传统的设计方法是从设计思路入手，结合实践经验、设计手册等形成方案、图纸，最后完成实体制造，即从想法到模型，再到产品。而逆向工程是从现有的产品入手，到数字模型，再到新产品的设计过程，在整个过程中设计信息不能精确表示出来，具体流程如图1所示。

逆向工程作为一种新兴技术，可以大幅缩短产品的设计研发周期，使生产效率得到了极大地提高。逆向工程技术可以方便、快捷地实现产品的改进设计，它通过先进的技术开发手段，在已有产品基础上设计新产品，缩短开发周期，可以使企业适应小批量、多品种的生产要求，从而使企业在激烈的市场竞争中处于有利的地位[3]。逆向工程技术的应用对新产品的开发、加快企业产品的更新换代以及我国企业的快速发展具有特别重要的意义[4]。

本文基于逆向工程技术对汽车复杂曲面结构件进行逆向设计，最终获得其三维实体模型。

1  汽车复杂曲面结构件三维数据采集

逆向工程的第一步，就是要对汽车复杂曲面结构件的三维数据进行采集。工程上，获取被测物体表面三维坐标值的数据采集设备有：三坐标测量机、关节臂测量机、光栅式三维扫描仪以及激光扫描测量仪等。本项目中汽车复杂曲面结构件的形状，由大的流线曲面组成，且内外特征不同，需要扫描内、外两面，细节过渡特征不明显，最好能够自动拼接，为此通过贴专用的标记点，自动拼合。因此，综合考虑汽车复杂曲面结构件的形貌与各数据采集方法的优缺点，本项目选用手持式激光扫描仪。

手持式激光扫描仪是利用激光三角法实现对被测物体表面信息的采集。该扫描仪结构简单，只需将工作站或者配备的笔记本电脑与扫描仪连接在一起，就可以以任意角度移动该扫描仪对被测物体进行全方位360度的扫描，从而迅速得到被测物体的完整三维数据信息。在汽车复杂曲面结构件上粘贴标记点，经过扫描，系统最终得到了准备、均匀的点云数据，并保存为.asc格式。汽车复杂曲面结构件的点云数据如图2所示。

2  点云数据处理

在数据采集的过程中，由于环境光、扫描背景、软件算法错误等原因，点云数据中经常会出现一些孤立的跳点、杂点、坏点等错误的数据，这些点会影响后续封裝成三角面片或者曲面重构的准确性。因此，将数据采集所得的点云数据导入到Geomagic Wrap软件后，首先要进行点云数据的预处理，从而将采集到的数据变为整齐、均匀、精简的点云数据。具体处理过程包括：

①选择体外孤点、非连接项，删除偏离主点云距离比较大的点云数据;②进行曲率、等距、统一或者随机采样，在保证精度的条件下减少点的数量;③进行封装处理，使点云数据变为三角面片模型。最后，将经过一些列处理后的得到的三角面片数据保存为.stl格式文件，以便进行后续逆向建模设计。汽车复杂曲面结构件处理后的数据见图3。

3  曲面重构

通过复杂曲面产品来反求工程的CAD模型，进而通过建模得到该复杂曲面数字化模型是逆向工程的关键技术之一[5]。将已经封装完成的汽车复杂曲面结构件.stl格式文件导入到Geomagic Design X软件。

首先，在领域模块选择自动分割，将复杂曲面结构件分割成若干模型特征，其中敏感度选择中间位置（图4）;其次，选择结构件底面作为基准面，进行手动对齐操作。选择面片草图，利用自动草图功能勾勒线条，回转生成结构体主体结构（图5）;同样，利用面片草图和圆形阵列绘制螺栓安装部分（图6）。按照上述方法，重复步骤，利用拉伸、切割、回转、曲面偏移、延长曲面等命令得到汽车复杂曲面结构件的实体模型。（图7）

4  偏差分析

将逆向设计得到的汽车复杂曲面结构件三维实体模型导出，并保存为.stp格式。把导出的三维实体模型与处理完成的点云数据均导入到Geomagic Control 软件中进行对比，以此来实现对逆向设计的准确性进行评价，偏差结果将通过色谱图表示出来（图8），并生成检测报告（图9）。根据检测报告可以得出，本次逆向设计最大正偏差为0.4889mm，最大负偏差为 -0.4893mm，标准偏差为 0.0848 mm，整体误差较小，满足设计要求的精度。

5  结语

逆向工程在新产品开发过程中具有重要的实际意义。文章以“汽车复杂曲面结构件”为载体，使用手持式三维激光扫描仪对汽车复杂曲面结构件进行全尺寸扫描从而得到完整的点云数据，然后借助于逆向建模软件将点云数据进行一系列处理，通过曲面重构得到完整的三维实体模型，最后利用Geomagic Control对逆向的结果进行了评价。检测报告表明，逆向设计得到的汽车复杂曲面结构件三维模型可以精确显示实际零件的几何特征。这种逆向设计方式，能够避免传统正向设计时间长、成本高等问题，同时也为利用逆向工程技术完成汽车复杂曲面结构件的设计提供参考。

参考文献：

[1]张国亮.PRO/ENGINEER逆向工程专家实例精讲（中文野火版）（附光盘）[M].中国青年出版社，2007.

[2]陈永东，钟绍华.逆向工程在汽车零部件设计中的应用[J].轻型汽车技术，2006（008）：23-25.

[3]叶德辉.基于逆向工程技术的改良性产品设计[J].制造业自动化，2011（24）：128-130.

[4]蔚敬斌.逆向工程技术及应用[J].机械管理开发，2006（002）：45-46.

[5]姚瑞敏，秦卫伟，张艳岗，刘步远.基于逆向工程的拖拉机附加驱动叶轮设计与制造[J].邢台职业技术学院学报，2019，36（03）：69-72.