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逆向工程在汽车覆盖件设计中的应用

2017/9/5    来源:互联网    作者:陆佳平  薛克敏  汪昌盛      
关键字:逆向工程  光学扫描  汽车覆盖件  
文章介绍了逆向工程的含义及工作流程,阐述了车身覆盖件的三维点云数据采集的过程及原理。讨论了利用逆向工程CAD软件Imageware对车身覆盖件点云数据处理并进行曲面创建及造型的过程。结果表明,逆向工程可以最大限度地表现造型设计师的设计风格,尤其适合于覆盖件产品开发。

    逆向工程是通过对实物模型的数据采集,利用相应软件进行计算机三维模型重建,是一种从已有的物理模型中获取产品CAD模型的过程。该工程在产品开发方面所表现出来的快捷性,使其在制造业中迅速得到了推广和普及。

    逆向工程与传统的加工工程存在质的不同,传统加工是在没有任何现成产品的情况下,以工程图纸来生产和开发产品的,而逆向工程是在没有设计图纸或图纸不完整,但有样品的情况下,利用3D数字化测量仪,准确、快速地量取样品表面点数据或轮廓线条,加以点云数据处理、曲面创建、修改,然后传至CAD/CAM 系统,再由CAD系统传至CNC加工机床或快速成型机来制作。其总体流程如图l所示。

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    图1 逆向工程总体流程图

l 汽车覆盖件的3D点云数据采集

    1.1 海量点云的采集思想

    D.Brujic通过大量模拟分析得出一个重要的结论,即点云数据采集采用较高精度大量点云。与很高精度的小量点云相比,使用较高精度的大量点云能实现更精确的形状描述和最后的曲面拟合,如测量点集趋于无穷多,则可认为逼近误差接近于零。因此对汽车覆盖件实施逆向工程时,在采集数据点集方面采用较高精度的大量点云的采样方法,抛弃传统采集数据的思想。

    1.2 点云数据的采集方法

    测头结构原理可分为接触式和非接触式2种。其中,接触式测头又可分为硬测头和软测头2种。接触式比较常用的是三坐标测量机(CMM)。但是由于与被测物体接触产生压力,从而使被测物体产生变形,测量误差较大。非接触式测头则应用光学及激光原理进行激光扫描及光学扫描等,测量精度较高。

    针对汽车覆盖件体积大及需求精度高等特点,采用由德国G0M公司生产的ATOS非接触式坐标机,可实现对工件的高分辨率高速扫描,每幅扫描照片可获得工件表面400 000个点的三维坐标,每幅扫描照片精度达0.03 mm,整体拼合扫描精度为0.1 mm/m,并以点云的形式以多种格式输出,供后续CAD/CAM/CAE使用。由ATOS非接触式坐标机扫描得到的瑞风商务车后轮轮包原始点云数据,如图2所示。

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    图2 商务车轮包原始点云

    由于覆盖件尺寸较大且表面形状不规则,为了防止数据丢失,必须经过多次扫描再将数据叠加。叠加时必须通过平移、旋转变换及坐标系变换,使所有测量数据具有共同的基准和坐标系。

2 点云数据的预处理

    由于初始扫描得到的点云数据量非常密集,数据点会导致计算机运行、存储和操作效率低,生成曲面模型需要消耗更多的时间,而过于密集的点云会影响重构曲面的光顺性。因此,必须对测量获得的散乱的点云数据进行规则化处理,形成多块易于曲面造型的数据块,确保测量造型中分块曲面之间的拼接、表面数据采集、过渡及缝合等处理顺利进行。主要处理步骤是:平滑残缺数据、精简冗余的数据、点云数据的分块和融合、坐标变换、数据派生与重组、特征提取、派生及矢量化。经过去除噪音、杂点后的轮包点云如图3所示。从中可以看出点云稀疏,点云数量减少了75,但它还有足够的数据来生成模型。图4为经过光顺后轮包点云,它显示出点云的高曲率区域和低曲率区域,可以在提取特征时更容易找到特征。

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责任编辑:张纯子
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