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三坐标测量机 |
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基于Pro/ENGINEER的汽车车身逆向设计 |
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作者：于哲峰 张国忠 |
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一、前言
在汽车的整体设计中，车身占整车总成本的40%以上，其更新频度高，技术进步快，是汽车产品商品性的重要标志，而车身设计是轿车开发的关键技术。随着汽车设计技术及手段故不断发展:特别是以计算机技术为核心的现代工程技术方法的飞速进步，日益成熟的CAD/CAE/CAM一体化产品开发技术在轿车车身设计领域得到广泛应月。轿车车身设计方法正逐步由传统的设计方法向着以大大缩短产品开发周欺和提高产品设计精度为目标的现代设计方法转变。此时逆向工程技术能够快速吸收国外汽车车身设计的先进技术，快速响应市场，提高我国自主设计开发汽车的能力。
二、逆向工程技术
逆向工程技术，又称反求工程技术，是20世纪80年代末期发展起来的一项先进制造技术。传统的设计方法起始于设计者的意图和对市场的分析，而反求工程技术是综合应用现代工业设计的理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识，进行系统地分析研究已存在的产品，进而快速开发制遣皇高附加值、高技术水平的新产品。通过快速成型技术应用，它可以显著缩短产品设计、加工制造生产周期，反复对实物模型进行反求再设计，直到满足用户的切身需求为止。目前，该技术已厂泛用于家电、汽车、玩具、轻工、医疗、航空、航天、国防等行业，并取得了巨大的经济效益。而应用逆向工程将国外优秀能车身设计产品化，将成为快速掌握汽车车身的开发能力从而形成汽车自主开发能力的突破口，这具有非常重要的意义。
逆向工程主要通过以下步骤来实现：数据采样，数据处理及CAD三维模型的建立，产品功能模拟及再设计，后处理等。Pro/ENGINEER软件应用于逆向工程技术的流程图如图1所示。
图1 应用Pro/ENGINEER的逆向工程技术流程图
三、ProIENGINEER软件设计车身实例
1 数据采样
数据采样分为非接触法和接触法(触发、扫描)。非接触法中包括光学法〔三角测量、测距、干涉测量、结构光照、影像分析)、声学法、电磁法。目前应用最广的是应用三坐标测量仪和激光三角形测量法。从发展趋势看，工业CT和逐层切削照相测量将占反求工程测量方法主导地位，应用范围也会逐渐广泛。三坐标测量机，可以用来测量特征的空间坐标、扫描剖面、测量分型线以及轮廓线。此设备获得点的数据量不像激光扫描仪扫描的那么大，适用于Pro/ENGINEER软件的逆向工程设计，且Pro/ENGINEER软件对于整合点云数据进行三围立体建模及其后处理具有强大的功能。本文就应用pro/ENGINEER软件处理三坐标侧量机的测量数据进行逆向造型设计步骤进行探讨。
2 数据处理
数据处理是指在获得测量数据后，根据原来物体跳结构，包括物体的逻辑结构、功能结构，物体包含哪些标准件，材料构成，物体表面颜色分布，各个部件的几何尺寸，不同部件之间的装配方式及不同部件之间的几何尺寸约束等，也可以指根据标准零件模型库将整个测量点云大致分解为几个不同的部分。基于离散点云数据的三维建模过程，实质上就是点云数据的处理过程。其通用手段有数据调整、复制区域修剪、数据密度修改、数据光顺、尖角保留等。
Pro/ENGINEER软件有处理点数据的专用模块Pro/Scantools，通过此模块可以对点云数据进行识别、修剪、密度修改、优化(包括数据调整、数据光顺和尖角保留)等操作，最后得到很精确的点云数据。一般通过测量仪器获取的点数据格式有IGES、DXF和IBL等几种，Pro/ENGINEER软件对这几种格式的点云数据都可以识别和处理。本文采用三坐标测量仪测量的点云数据，处理得到的点云数据如图2所示。
图2
3 三维建模
建立模型的好坏取决于曲线、曲面拟合是否光顺及曲面连接是否光滑，曲线、曲面的光顺特别重要。曲线光顺应满足3个条件曲线二阶几何连续;曲线没有奇点和多余拐点;曲率变化均匀，应变能较小。曲线光顺可分3步进行:寻找坏点，并修改坏点的坐标值;粗光顺，使曲线上各段的曲率符号一致，保证滋线单凸或单凹性:精光顺，使曲线上各段的曲率变化均匀，满足光顺的要求。满足曲面光顺的条件是构成曲面的关键曲线光顺;曲面的网格线无多余拐点曲面高斯曲率变化均匀。光顺曲面的方法是:先光顺曲面的纵向曲线，然后通过新型值点生成横向样条兹线并光顺，重新生成纵向样条曲线并光顺，直至所有纵向、横向样条曲线都满足光顺准则，最后利用光顺的纵向、横向样条曲线构造出光顺曲面。
打开Pro/ENGINEER软件，通过Datum Point/Off setCsys命令读入点云数，在Standard或Scantool模块下连线。连线时应注意，在变化趋势小的地方的点应尽量的少，对于明显偏离趋势的点应略去，以免过多的点造成曲线不光顺。得到汽车车门的光顺曲线网格图形如图3所示。
图3 光顺曲线网格图
完成3D Curve线后，通过Create/Surface/Advanced，利用前面所建立的3D Curve线建立3D光滑曲面。在建面的过程中，需要注意面与面之间的光顺，同时可以利用Analysis分析所建立的曲面的光滑程度和曲面的曲率分布状况，最后利用Create/Prot rusion/Use Quilt将所建立的曲面生成实体完成3D建模。建模后可通过Pro/ENGINEER软件中的View/advanced--iPhotorender进行渲染处理，及Analysis-- Model Analysis/Curve Analysis/Surface Analysis的分析方法来检验所建立的模型、曲线和曲面的合理性与精确度。
4 后处理
利用Pro/ENGINEER软件进行逆向工程设计还可以进行相应的后处理工作。将前面完成的3D CAD Model汇入Pro/ENGINEER软件的Manufacturing模块中进行Nc加工程序的制作，并利用Pro/ENGINEER软件生成NC加工的G代码输入三轴(或五轴)加工中心加工出产品。在Pro/ENGINEER软件的Part模块中利用File/Export--Model--STL导出STL文件，利用快速原型制造系统进行快速原型制作。应用Pro/ENGINEER软件的Assembly和Modei模块进行模具设计，生成模具的型芯和型腔，并产生最终的零件和完整的模具来装配模型。在用快速成形方法制作成品后，利用自动检查设备〔如激光测量仪)对成品进行检查，取得数据，再利用Pro,Neri行模块对设计模型进行比较，检查复杂产品的制造精度。
四、结论
将来的汽车开发，是在对CAS/CAD/CAE/CAM/CAT集成自动化技术研究应用的基础上，向着CIMS方向发展，同时采用并行工程、敏捷制造和虚拟企业等加速汽车产品的开发。逆向工程正是这样一项具备开拓性、实用性和综合性的技术，利用Pro/ENGINEER软件的逆向工程技术不仅能在汽左车身设计中实现新产品的快速开发，也可以充分利用已有的设计制造成果，充分利用数字化设计制造带来的极大便利。而且能实现产品原型设计生产和模具设计制造的系统集成，使其在整主的开发中发挥巨大的作用。(end)
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(4/20/2008) |
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