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三坐标测量机 |
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基于CATIA V5的汽车车身逆向设计 |
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作者：张文建 张琦 |
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摘要：随着CAD/CAM系统一体化技术的不断发展和市场竞争的日益激烈，先进的设计和制造方法在制造业的地位越来越重要。其中，逆向工程作为一种先进、快捷和实用的现代设计方法在汽车行业得到了广泛的应用，为汽车产品的创新设计，生产周期的缩短和适应新的市场形势提供了基础。本文通过V5软件对汽车车身进行反求，完成了逆向设计中的数据采集及预处理和三维CAD模型的重建，并对在逆向设计过程中遇到的问题提出了相应的解决方案，为逆向设计在汽车制造业中的应用提供了参考过程。
逆向工程(RE，Reverse Engineering)，也称为反求工程，即针对已有的产品或零件原型，通过3D数字化测量仪器准确、快速地测量出工件轮廓的三维坐标，把获取的工件坐标数据点存入计算机形成“点云”文件，再利用高端三维软件所提供的功能模块构造产品或零件的工程设计模型，并在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计，本质上就是一个“认识原型-再现原形-超越原型”的过程。随着计算机、数控和测量技术的飞跃发展，逆向工程在汽车工业中得到了广泛的应用。本文着重介绍了利用CATIA V5软件对汽车车身的逆向设计过程，对提高汽车外形性能、制造质量以及加工效率，降低开发成本，减轻操作者劳动强度，具有重要意义，这是传统设计和制造方法无法比拟的。
1 逆向工程的关键技术
逆向工程的关键技术主要包括：数据的采集、预处理和三维CAD模型的重建等，它们在整个设计过程中起着至关重要的作用，直接影响到所构造模型的质量以及后续模型的设计分析及其制造加工。
1.1 数据采集与预处理
1.1.1 数据采集
数据采集是数据处理、模型重建的基础。高效率、高精度地采集样件的外形数据是逆向工程的一个重要研究内容。数据采集按采集的接触方式不同分为接触式和非接触式两大类。本文采用基于海克斯康测量技术有限公司生产的GLOBA三坐标测量机，其三维空间精度可以达到1～2μm。测量机的测头沿着位置车身模型的表面连续扫描，把采集的数据存入计算机形成“点云”文件。
针对测量复杂的三维边界曲面利用CMM对待测部位进行数据测量时不能完全到达被测部位的边界。在这里采用柱形侧头单点接触式测量产品边界，保证测准三维边界一个方向（测头方向）上的数据，然后再沿测头方向投影实测边界曲线到延伸后的曲面，利用投影曲面对曲面进行裁剪获得反求模型边界。将测得的点云数据以*.asc(ASCⅡ)格式输出。在CATIA V5软件的DSE模块中，通过Insert|Import cloud导入零件的ASCⅡ文件。导入后形成的原始汽车车身点云如图1所示。
图1 原始汽车车身点云数据
1.1.2 数据预处理
测量采集得到的车身外形数据有时会有异常点（误差点）和数据的重叠、缺失，尤其是尖锐边和边界附近的测量数据，这些测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面，所以要对原始点云数据进行预处理。预处理通常要经过以下步骤：
(1)异常点处理；
(2)数据精减；
(3)数据插补。
这里采用的是CMM获得的散乱的点云，可利用直观检查法对点云数据进行初步检查，再通过图形终端，用肉眼直接将与截面数据点集偏离较大的点或存在于屏幕上的孤点剔除。由于接触式测量已将零件的特征值完整采集，所以不需要进一步做数据的精减或插补处理。经过去噪后的汽车车身点云如图2所示。
图2 去噪后的汽车点云
1.2 三维模型的重建
三维模型重构之前，要详细了解模型的前期信息和后续应用要求，选择正确有效的造型方法，在不影响结果的基础上简化模型，应尽量提高曲面重构的效率并保证模型的准确性。采用CATIA V5软件先对数据处理后的车身点云进行铺面处理形成三角刚格化模型，然后再对网格化模型进行曲面的拟合和修改，最终得到较为精确的车身的模型。
1.2.1 点云的铺面处理
为了更好的辨别点云的各个特征，方便重建模型，需要将处理好的车身点云进行铺面。对点云进行铺面处理，即形成点云的三角网格化图像，主要是为了提高点云的可视性，以便于提高曲面造型的效率。其过程是在CATIA V5软件的DSE模块中选择Insert|Mesh|Mesh Creation进行铺面，如图3所示。对于在网格面上局部出现的破洞，单纯增加Neighborhood的数值构造的曲面效果不佳，并且会影响整个网格面得精度，此时可以利用补洞工具对局部的破洞进行修补。
图3 汽车外形点云的铺面处理
1.2.2 构造完整CAD模型
曲面重构是逆向设计的重点，对于不同形状的曲面类型，CATIA V5提供了相应的曲面模块。对于自由曲面，先从具体的结构特征出发进行曲面重构前的合理规划，规划依据是零件的棱线及曲面的曲率大小变化。其实现过程是在CATIA V5 QSR模块中选择Insert|Scan Creation|Planar Sections提取部分特征线，然后用Insert|Scan Creation|Free Edges得到点云的边界线，点云的部分特征线如图4所示，以便于用GSD模块完成曲面的重构。为了提高构建曲面的质量，需要对每条特征曲线连接的连续性、曲率的连续性及它与点云的误差进行检查。
因为利用三坐标测量机所测出的点云数据只是汽车对称面的部分，为了能够完整的构造出车身的CAD模型，需要利用零件没计模块中的平面工具对ZX基准面经行偏移产生一个新的基准平面，然后利用CATIA V5中DSE模块的镜像工具，选择Transformations|Symmetry，从而构造出完整的CAD模型，如图5所示。
1.2.3 曲面的精度分析
在CATIA V5的QSR模块中，通过对车身模型曲面法向距离分析，可以分析出点云与车身重构曲面的偏差，分析结果如图6所示。由分析数据可知误差控制在±0.1mm内，在允许的范围内满足精度要求。
图6 点云与曲面的偏差分析
2 建模中出现的问题及解决方案
由于文中涉及的车身结构较大、曲面比较复杂，因此在逆向设计中遇到以下问题，对此提出了相应的解决方案。
2.1 点云数据量大
利用触式的三坐标测量机进行测量时，对于复杂的曲面需要测量的点较多，工作量过大，这样浪费大量的时间。对此利用车身的对称性只测量一半，这样减少了工作量。另外对车身变化不大的平面或曲面测点也不要太密集。
2.2 曲面质量和曲面计算机精度的保证
由于逆向工程中曲面造型既要保证曲面质量，又要保证曲面计算机精度。因此除了对原始值点进行光顺处理之外，有时还要控制修改后的型值点同原始型值点的坐标偏差，该偏差不应太大。
3 结束语
逆向工程开辟了制造零件和模具的新途径，为不能用传统方法制作或难以制作的零件和模型提供了一种新的制作手段。采用CATIA V5的逆向建模技术已应用到汽车新产品的开发，旧零件的还原和产品的检测中，它简化了模型的创建难度，大大缩短了新型汽车的开发周期。在日益激烈的市场竞争中，随着逆向工程技术的不断发展、建模技术的不断完善将使逆向工程的应用领域得到极大的拓展。(end)
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(9/4/2012) |
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