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基于RE的汽车钣金设计

2018/1/26    来源:互联网    作者:王喆      
关键字:逆向设计  三维扫描  工业设计  汽车钣金件  点云数据  
随着“互联网+”的发展战略升级,装备制造业在设计创新中也有了新的发展诉求,逆向设计在汽车研发中的作用尤为明显,文本通过对汽车钣金件设计过程的分析进一步明确了RE设计在研发过程中需要注意的问题及处理意见,为工业现代化的升级与改造有所裨益。

一、引言

    RE的开发与设计过程是针对现有的样品,运用3D数字化(接触式或非接触式)测量仪器,精准、快速测出样品轮廓坐标以利用三维软件进行曲面重构,将点云数据进行再设计的过程,从而实现产品的不断“创新”。

    随着装备制造业的发展,对于产品测量精度要求的不断提高,通过各种三维扫描仪直接或间接获取的“点云”数据量日益增多,其中包含大量的冗余数据,因此需要对“点云”进行压缩。最简单常用的压缩方法是分别沿经、纬线两个方向进行稀疏采样,即降低空间中象素分辨率。这种方法直接的提高了压缩比,但是不能保证模型重建的质量,因此不适合复杂形体的表面重建与光顺。

    为了满足用户对计算机图形真实感增长的迫切需求,建立的三维几何模型所包含的三角网格数目会越来越多,但是复杂的网格模型占用内存太大,不利于数据的改进绘制、存储和传输,因此网格简化和分级多层次模型(LOD)等方法相继出现。其中,渐进网格技术是网格简化技术中目前被广泛应用的一种方法,如果对分裂的网格不满意,它可以动态实时地恢复成原始网格。这种方法不仅能够提供一组连续的多分辨率模型,还支持渐进方式传输,并提供一种有效的网格压缩方式。

    三维扫描技术真正的实现了模拟“实物的数字化”。从而为虚拟物品的线上产品开发提供了可能。目前,根据对实物的扫描来获取产品数学模型的技术,业已成为CADCAM 应用中不可替代的技术。逆向工程(Reverse Engineering)也被大众称为反向工程或反求工程。适合本文探讨的产品逆向是一个复杂的系统工程。除了包括形状(几何)反求,还包括工艺反求等。

二、汽车钣金件的设计过程

    (一)样件的扫描

    测试时根据标定板的范围,在其范围内分为居中、中上、中下、左上、左中、左下、右上、右中和右下九个位置。当标准件在居中位置时可根据相机与标准件间的距离分为:居中标距、居中近距和居中远距三个位置。

    忽略不计环境温度、湿度的影响,其它影响摄影测量系统(包括TRITOP和XJTUDP)精度的因素可能会涉及如下几个方面:

  •     光线条件;
  •     基本长度;
  •     标志点精度;
  •     标尺精度;
  •     照片组摄像站位置的选取;
  •     照片组中照片的数目,基本上是越多越好,但同时要兼顾测量效率。

    在实际工作中,产品检测也遇到了标定困难、精度误差大、扫描时,需考虑以下因素:

    对于非铁质的物体表面粘贴编码点粘贴不牢,在拍摄中容易掉,影响XJTUDP的计算;应考虑非铁物体编码点放置方案。

    摄影测量中,拍摄4组照片,其中一组标尺无法应用,两组绑定调整失败,一幅计算成功;非编码点重复识别,一个点有两个编号;

    重叠面删除软件中出现的问题:读人点云超过15副,点云无法显示;对于有细节特征部位的点云在进行重叠面删除时候容易删除特征点云;同一幅点云在重叠删除软件中不能显示一些细节性特征点云,但是在Geomagic中可以显示;在重叠面删除之后,点云抽稀功能不能使用,显示为灰色;

    对于XJTUOM 软件文件保存的默认格式建议改成PLY格式,现场测量中由于工作量大,常常保存成默认格式ASC,但ASC文件不能进行重叠面删除;

    面扫描软件XJTUOM 出现导入的全局标志点在相机显示窗口中不能显示,造成扫描窗口定位错误,无法选择每次扫描的面;

    三脚架使用不方便,尤其对于高度超过2m,纵深很深的部位无法测量,三脚架伸到最高时设备抖动厉害,影响测量精度;

    导入的全局标志点能显示,但是在某些部位不能实现自动拼接。

    标尺及标定板标定值的可信度有待进一步检测,考虑用其它测量方法(软件、基准)来验证标尺的精度;本次测量为2000*1400*1400mm,而标尺只有4根,且长度都在1000mm内,不能有效控制立体各个方向的精度。应考虑使用2000mm以上可伸缩标尺;

    摄影测量中由于现场环境较暗,所以有部分编码/非编点不能认出,或者被误认成非编码点的情况;

    操作的方便性,尽量减小测量头的尺寸,使其轻巧,应该考虑扳手位置。对于大尺寸扫描,应考虑线控或者遥控;电源开关可以考虑不用插线板,而采用固定在移动工作台上的插座,提高其可靠性。

    由于本次显影剂的问题耽误了大量的工作时间,应考虑在说明书中列出几种推荐使用的显影剂;

    汽车钣金件的测量、扫描:在样件定位找正后,通过激光扫描仪、三坐标测量仪和摄影测量系统对汽车钣金件进行扫描,通过扫描测量获得车身内外表面点云数据文件。

    车身钣金件的拆解及测量、扫描:要获得车身所有零部件的三维信息,通过对样车的拆卸与分解,扫描得到每个零件的点云数据,为装配工艺过程得到一个比较全面的认知过程。

    (二)点云数据的处理

    汽车钣金件相对较大,对于摄影测量系统的要求也较高,如后侧门板,因为白光激光扫描仪不能一次定位而获得门板的全部点云数据,就需要对不同位置进行多次扫描,尤其是曲面不能一次覆盖的地方,需要无缝衔接的扫描数据,将得到的这些文件合成并在点云处理软件中。为了便于观察将点云着色后,首先选择体外孤点,将冗余的数据除去,通过减少噪音使一些扫描点的误差降低到我们允许的范围;最后对数据进行封装,使点云数据转换为多边形模型。对点云进行采样是通过设置点间距人为设定目标三角形数量,设置的值越大,封装之后的多边形网格就越紧密生成的文件就越大。

    在扫描过程中,需要注意:

    系统在导入全局点后,扫描第一幅点云前不识别标志点,扫描完成后才能开始识别;

    进行自动拼接后,相邻两幅点云之间距离(用Qualify截面后测距)过大,最大出现过0.6mm,点云的精度就无法保证;

    两套系统的标志点匹配时误差较大,造成点云之间距离较大;

    大幅面的测20mm 的球时,半径误差达到0.5mm;

    两幅点云拼接时有5个以上的标志点,但是拼接错误(法向相反),需要进行重新调整;

    被测对象如果有投影时,扫描出来的点云大面积缺失。比如扫描小球时,小球球面点云只有一条带状点云;

    大幅面扫描的预览框过大,实际生成的点云可能只是框中中心位置很小的一块,预览框过大容易误导扫描区域的划分;如果边缘部分点云精度不能保证的话,可以只生成中心位置部分的点云,其余的舍掉。

    目前结构实验中用位移计和电阻片测量结构构件的位移与应变的方法存在局限性,有时也会出现测量误差。三维数字摄影测量技术可以在适当的范围内弥补这些不足,尤其适用于复杂受力情况下的位移场和变形场量测。能够直接通过数字影像来识别人工标志点随构件变形的运动来获得观范围内构件的位移场与应变场。运用数字摄影测量中的影像定向与定位理论,可以有效的消除实验观测过程中人为因素引起的误差。这项技术费用比其他测量费用低,能够为研究复杂受力的汽车钣金件提供了可靠的依据,在结构实验中有较大的应用前景。

    (三)车身表面数据处理及表面制作

    为了得到一个好的面片,需要对扫描测量并处理后的文件进行全面的数字化信息处理,对存在缺陷的地方需要对其曲面进行拟合、光顺处理。

    1)汽车钣金零部件三维设计建模:经过表面光顺处理后,根据零件的特征,利用软件中的B样条曲线、NURBS曲线、曲面设计等应用软件对钣金件进行三维逆向建模,从而获得每个零件的数字化信息,是接下来的车身结构设计的重要参考依据,同时它本身也可以作为零件加工的依据。

    2)三维模型的虚拟装配与核查:汽车钣金件的逆向设计过程中,由于零部件复杂多样,需要由工程师们对拆解的汽车钣金件同时进行三维曲面建模,工作任务繁重,为了表达汽车钣金件装配关系,需要对各零部件进行虚拟装配,通过装配检查各零部件间的关系。特别是在正向设计中对那些不变或基本不变的零部件,需要像冻结数模一样通过校核完成设计。

    综上,汽车钣金件逆向工程中,关键在于:获取各种形式的数字化扫描测量技术和降低噪音提高表面光滑度技术及钣金件的曲面重构技术。

责任编辑:张纯子
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