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逆向工程技术在汽车仪表盘零件开发中的应用
发表时间：2010-1-23 黄卫东 周建平 叶盛 来源：万方数据
关键字：逆向工程 Pro/E 三维数据采集 曲面重构 汽车仪表盘
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以汽车仪表盘为研究对象，通过激光扫描仪的非接触式测量获取零件曲面的点云数据，并利用Surfacer软件进行点云数据处理，且基于NURBS曲面重构理论进行零件曲面造型，最后利用Pro/Engineer软件完成汽车仪表盘的实体模型设计。与传统的设计方法相比，提高了工作效率，缩短了新产品的开发周期。
    随着计算机技术和CAD技术的迅速发展，以测量技术为基础、曲面重构技术为支撑的逆向工程技术在汽车工业的新产品开发中得到了广泛的应用。
    所谓的“逆向工程”，就是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，按照现有零件的模型(产品原形或油泥模型)，利用各种数字化技术及CAD技术重新构造CAD模型而克隆或创造实物产品的过程。与传统的正向工程相比，它具有设计精度高，新产品开发的设计周期短，以及易于开展后续有限元分析、优化设计以及运动学仿真工作等优点，因此得到了广泛的应用。
1 汽车仪表盘逆向工程设计
    汽车仪表盘是汽车内饰件的重要组成部分，是各种仪表、信号及操作开关集合处，是汽车的操纵控制与显示的集中部位。汽车仪表盘早期设计仅从功能上着手，设计比较规则、简陋，很难做到造型上的美观。随着人类生活水准的提高，现代仪表板造型逐步注重美感。由自由曲面拼接而成的仪表板，线条优美，曲面平滑，极富动感。因此，汽车仪表盘造型的曲面化是发展的趋势。
    汽车仪表盘零件开发从造型开始，经零件设计、工艺设计、模具结构设计、模具制造、试模，到能成功生产出产品为止，是一个相当复杂的过程。其中造型部分是基础，一个造型的好坏直接影响到零件注塑性能及其有限元分析和数控加工部分。因此要求汽车仪表盘零件曲面造型设计中其外表面的曲线和曲面是光顺的。
    在开发及制造过程中，许多时候汽车仪表盘零件并非由CAD模型描述，设计和制造者面对的是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定的途径，将这些实物转化为CAD模型。经过消化和吸收后，在此基础上进行改进和创新再设计，这就是汽车仪表盘零件的逆向工程设计。
    基于逆向工程技术的汽车仪表盘零件开发的工作流程如图1。汽车仪表盘零件逆向工程的关键技术在2个方面：一方面是实物模型表面数据获取以及处理技术，即数字化扫描测量技术和测量数据的处理技术；另一方面是仪表盘零件的曲面重建技术。

图1 汽车仪表盘零件逆向工程工作流程

2 汽车仪表盘三维数据的采集及处理
2.1 三维数据采集
    汽车仪表盘属于比较复杂的自由曲面产品，与其他零件存在多处配合的关系。因此，在进行零件的曲面重构前，要首先考虑它和其他零件在整车中的装配协调问题。所以，对装配中起重要作用的位置或者边界，必须给出统一标准。本文介绍的仪表盘的设计，遵循“外表面保证质量，内部保证精度”的原则。
    在产品的逆向开发中，样件的三维数据采集主要通过三坐标测量机完成。三坐标测量机分为接触式与非接触式2种，接触式测量方法主要包括基于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描数据采集、硬接触法。而非接触式测量方法主要运用光学原理进行数据的采样，它有激光三角形法、激光测距法、结构光法、立体视觉法等等。接触式测量法的缺点是测量速度慢、易划伤被测表面、存在接触压力和半径补偿等缺点。而非接触式三坐标测量法因为测量速度快、适用范围广的特点得到广泛应用。本文所研究的汽车仪表盘零件就是采用非接触式三坐标测量获取零件三维数据，测量使用的设备是TDV500激光三维测量系统，激光扫描头扫描速度达10000点/s，精度达到0.05mm。
    为保证采集数据的合理性和安全性，测量前需要对零件的测量路径进行规划。传统的测量路径采用类似于曲面加工中的行切法和环切法的行扫描测量方式和环形扫面测量方式。根据汽车仪表盘零件的结构特点，为避免因路径重叠形成过多的空行程，测量路径可采用行切法扫描路径进行扫描。
2.2 点云数据处理
    扫描得到的零件原始点云数据庞大、含有大量的误差点和背景点，所以要对原始点云数据进行预处理po。本文采用高斯滤波法去除噪声点，在滤波的同时能较好地保持原始数据的形貌，将噪声滤除，达到滤波的效果。经过滤波处理的点云，只是消除了噪声点，其中仍包含有大量的冗余点，这些冗余点的存在不但增加了计算机的负荷，还影响了数据处理和模型重建的速度，需在精度允许的范围内采用一定的算法对其进行精简。通常，由于手工制作的油泥模外表面本身不光顺，使测得的点云质量也不高，一些特征不是很明显。因此，不适合采用均匀法和弦偏差法来精简点云，而是通常采用等距离法，间距值大小要使得数据精简后既保留油泥模本身所具有的轮廓特征，又使留下来的点数方便后续的模型重建。所研究的汽车仪表盘零件的点云数据处理主要采用Surfacer10.0软件完成，图2为处理后的汽车仪表盘零件点云图。

图2 杂点处理后的点云图

3 曲面模型的重构
    曲面建模的原理其实和数控加工一样，先是粗加工得到毛坯，半精加工，然后逐步求精。曲面建模的步骤如下：首先从点云数据中提取出“特征线”，特征线是产品的外观流线，或者是边界线与装配约束线，是曲面模型的“骨架”；然后建构出决定产品外观的基础大曲面，并将精度和光顺程度调整到最佳状态；其次再补充基础曲面的过渡曲面，经过适当的倒圆和裁剪后就完成了曲面模型，以上的每个步骤中还有曲面的光顺质量检查，曲面模型完成后还应进行一次总的质量检查和评估。最后将曲面缝合加厚后进入产品结构设计阶段。
3.1 曲线拟合造型
    曲线是构建曲面的基础，在逆向工程中，一般是将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线(或参数曲线)。插值就是要构造一个函数使之依次通过给定的型值点，而逼近则不要求曲线严格通过所有的型值点，只要求所得曲线整体上最接近这些型值点即可。当测量数据的精度要求很高时，通常采用插值的方法，而当测量数据有一定的误差又要求平滑时，多采用逼近的方法。汽车仪表盘零件对曲面的品质要求比较高，要求构建的曲面平滑，所以即使测量得到的数据有较高的精度，但一般采用逼近拟合方法来重构曲线。
    首先采用截面法提取得到边界线的点云，然后通过调整控制点和曲线度的大小，动态调整张力值、光滑度和标准偏差值进行曲线拟合。对曲线进行拟合时，控制点数均取7个点，曲线均为3阶，其他取默认值。曲线的两端点与相邻曲线均为位置连续，在拟合同时进行曲线误差检查。如果按上述控制点数进行曲线拟合时，精度不能满足要求，为提高精度可适当增加控制点的个数；但控制点数目也不宜过多，否则生成的曲线将发生扭曲，一般控制点不超过20个，图3为拟合后的曲线。
    拟合得到的曲线不够光顺，曲线有拐点，必须进行光顺分析，通过反复调节处理，直至所有曲线大体光顺，以方便下面的曲面重构。苏步青等给出了多种光顺方法，有能量法、最小二乘法、回弹法、基样条法、圆率法、磨光法等，下面简要介绍几种方法。

图3 拟合得到的截面线

    能量法是手工光顺曲线的进一步模拟，是把曲线视为弹性梁，依据变形能量极小的原理反复修正，使每次修正后的能量均小于前一次，直至曲线光顺为止。从应用实例来看，最小能量法在曲线精光顺应用中是切实可行的。最小二乘法是使用某一相似的函数，逼近测量点，且使各测量数据与函数的相应计算值的平方和为最小。这种方法，需要预先规定其最大偏差值，如果偏差值过小，曲线贴近测量点，光顺效果不明显；如果偏差值过大，虽可以使曲线达到光滑，但也容易使曲线背离设计思想。圆率法是一种选点修改法，方法简单，使用广泛。其基础是承认极大多数点是好的或比较好的，不用计算生成插值样条曲线，避免了计算的复杂性和因采用不同的插值函数而引起偏差。其光顺的过程就是从离散的大量型值点分布的几何位置出发直接判断点列的光顺性，进而把少数坏点挑出来逐个予以修正。它特别适合几何外形的光顺问题，所以本文采用圆率法，对曲线进行光顺。
3.2 曲面重构
    目前，在逆向工程中，主要有3种曲面构造方法：第1种是以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方法。由于具有构造灵活、边界适应性好的特点，三角曲面一直受到重视。对三角曲面的应用研究，重点集中在如何提取特征线，如何简化三角形网格和如何处理多视问题上。其不足之处在于所构造的曲面模型不符合产品描述标准，并与通用的CAD/CAM系统通讯困难。此外，有关三角Bezier曲面的一些计算方法的研究也不太成熟。第2种是以多面体方式来描述曲面物体。第3种是以NURBS曲面为基础的曲面构造方法。基于NURBS曲面理论的建模方法对测量数据的预处理一般比较复杂，对散乱点云数据处理的结果一般是逼近而非插值，且分块时边界必须为四边形，由于它的理论基础与目前大多数通用CAD/CAM系统相同，因而容易直接融人现有CAD/CAM系统。本文着重介绍NURBS曲面构造。
    NURBS曲面是标准解析形状和自由曲面，NURBS曲面可通过控制点和权值方便灵活地控制曲面形状，能有效进行插入节点、修改、分割和几何插值等处理，并具有透视变换和放射变换的不变性等优点。利用PRO/Engineer软件，采用边界混合法，得到汽车仪表盘零件的NURBS曲面重构模型如图4所示。

图4 仪表盘零件重构曲面模型

3.3 曲面光顺品质检查
    由于光顺很大程度是人的一种主观感觉，因此曲面光顺品质的评价准则很难精确给出，最初的做法是用任一平面与曲面的截面线的光顺性作为曲面光顺性判据，在应用中人们通常采用分析曲面上几组平行的截面线的光顺性来评价曲面，从而将曲面的光顺性问题转化成截面线的光顺性问题。曲面光顺品质分析方法通常包括曲率检查法、光照模型法和等高线法等光顺性检查，以及反映曲面数学性质的几何性检查，本文采用等高线法进行分析，检查曲面是否光顺。如果曲面的等高线光顺，且疏密变化比较均匀，则曲面比较光顺；等高线不光顺，疏密变化不均匀，则曲面不光顺。图5为通过曲面光顺品质检查，重新调整后的部分曲面光顺品质检查图。

图5 曲面光顺品质检查图

4 汽车仪表盘三维实体模型设计
    完成了曲面模型重构，就可以进行实体模型设计。利用PRO/Engineer软件最后完成的汽车仪表盘零件三维实体模型如图6所示。

图6 汽车仪表盘三维实体模型
5 结语
    本文基于逆向工程技术，采用Surfacer结合PRO/Engineer软件，应用曲面重构的方法，完成了汽车仪表盘零件的三维几何模型逆向设计，为后续的分析、模具设计、NC加工等奠定了基础，极大地缩短了产品的开发周期。从实际工程应用角度来看，其应用领域十分广泛，因而发展前景十分诱人。