基于逆向工程的汽車車身前翼子板重建技術1

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1、 基于逆向工程的汽車車身前翼子板重建技術 推薦精選 Reconstruction of Auto Body front fender based on reverse engineering Abstract： Reverse engineering is a broad prospect of the high-tech, quick, accurate and easy access to

2、data and three-dimensional model of physical model for product design provides advanced product development, design and manufacturing approach. In this paper, the body front fenders, for example, using non-contact three-dimensional body scanner to obtain the point cloud file, use geomagic-studio sof

3、tware for point cloud sampling curvature and pitch, get the computer to handle point cloud data, the points cloud file noise reduction processing, generating surface, surface smoothing of a series of treatment, access to B-level surface. 摘要：逆向工程技術是一項具有廣泛應用前景的高新技術，可以迅速、精確、方便地獲得實物模型的三維數(shù)

4、據(jù)及模型，為產品設計提供了先進的產品開發(fā)、設計及制造的途徑。本文以車身前翼子板為例，利用非接觸式三維掃描儀獲得車身的點云文件，利用 推薦精選 geomagic-studio軟件對點云進行曲率和點距取樣，得到計算機能夠處理的點云數(shù)據(jù)，將點云文件進行降噪等處理，生成曲面，對曲面進行光順等一系列的處理，獲得B級曲面。 推薦精選 引言: 逆向工程(Reverse Engineering,RE)，也稱反求工程、反向工程等。傳統(tǒng)的產品實現(xiàn)通常是從概念設計到圖樣，再制造出產品，我們稱之為正向工程〔或順向工程)，而產品的

5、逆向工程是根據(jù)零件(或原型)生成圖樣，再制造產品。它是一種以先進產品設備的實物、樣件、軟件(包括圖樣、程序、技術文件等)或影像(圖像、照片等)作為研究對象，應用現(xiàn)代設計方法學、生產工程學、材料學和有關專業(yè)知識進行系統(tǒng)分析和研究、探索掌握其關鍵技術，進而開發(fā)出同類的更為先進的產品的技術，是針對消化吸收先進技術采取的一系列分析方法和應用技術的結合。廣義的逆向工程包括形狀(幾何)逆向、工藝逆向和材料逆向等諸多方面，是一個復雜的系統(tǒng)工程。 推薦精選 實物零件的數(shù)字化是通過特定的側量設備和測量方法獲取零件表面離散點的幾何坐標數(shù)據(jù)。只有獲得了樣件的表面三維信息，才能實現(xiàn)復雜曲面的建模、評價、改進、

6、制造。因而，如何高效、高精度地實現(xiàn)樣件表面的數(shù)據(jù)采集，一直是逆向工程的主要研究內容之一。一般說來，三維表面數(shù)據(jù)采集方法可分為接觸式數(shù)據(jù)采集和非接觸式數(shù)據(jù)采集兩大類，接觸式有基于力一變形原理的觸發(fā)式和連續(xù)掃描式數(shù)據(jù)采集和基于磁場、超聲波的數(shù)據(jù)采集等。而非接觸式主要有激光三角測量法、激光測距法、光干涉法、結構光學法、圖像分析法等。另外，隨著工業(yè)CT技術的發(fā)展，斷層掃描技術也在逆向工程取得了應用。非接觸式激光三角形法由于同時擁有采樣精度高和采集速度快的特點，因而在逆向工程中應用最為廣泛[1]。 1 非接觸式激光數(shù)據(jù)采集方法 非接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要運用光學原理采集數(shù)據(jù)，它分為以下幾類測量方法:

7、 1)激光掃描法 利用激光二極管所發(fā)出的激光，經(jīng)過透鏡投射樣件表面，被樣件表面反射或漫射，反射或漫射的激光通過收集透鏡聚焦，形成了位置測量器上的小光點。采樣頭和模型之間的距離，可以根據(jù)反射位置計算出來。 推薦精選 激光掃描法是迄今逆向工程中曲面數(shù)據(jù)采集運用最廣泛的方法。其主要特點是:探針不與樣件接觸，因而能對松軟材料的表面進行數(shù)據(jù)采集，并能很好地測量到變面尖角、凹陷處等復雜輪廓。數(shù)據(jù)采集速度很快，可將大型表面在CMM或數(shù)控機床上迅速完成數(shù)據(jù)采集。所采集的數(shù)據(jù)是表面上的實際數(shù)據(jù)，無需測頭補償。價格較貴，雜散反射，對于垂直臂等表面特征會影響采集精度。 2)距離方法 該方法將一定模式(

8、主要有脈沖波、調幅連續(xù)波、調頻連續(xù)波等工作方式。)的光照射到被測樣件的表面，然后測得反射光的圖像，通過對比不同模式之間的差別來獲取樣件表面的點的位置。這種方法中最典型的就是Shadow Moiers干涉條紋法其特點是不需要三坐標測量機這樣的精密設備，造價低，但精度也較低，操作復雜。 3)結構光法 該方法將一定模式的光照射到被測物體的表面，由反射光的圖像，通過比較不同模式間的差別而獲取樣件表面的點的位置。最典型的方法為Shdaow Moiers干涉條紋法，其特點是不需要坐標測量機等精密設備，造價比較低，但精度較差，操作復雜。 4)密柵云紋法 分影像云紋法和投影云紋法，其工作原理為，將柵線

9、投影到被測物體表面，柵線在被測物體上被調制，被調制圖像與基準柵圖像產生干涉，得到反映被測物體形狀變化的密柵云紋圖像，經(jīng)圖像處理后，得到物體的三維尺寸。密柵云紋法進行物體外形三維測量，產生等高線云紋，高度變化觀察直觀，精度較低，影像云紋法由于受基準柵板面積限制，測量面積小。投影云紋法采用基準柵線投影的方式，測量面較大。 推薦精選 5)投影柵相位法 其工作原理為，將柵線投影到被測物體表面，柵線在被測物體上產生相位變化，對測量柵線圖像進行傅立葉解相和相展開，根據(jù)相位得到物體的三維尺寸。其特點為；只需拍攝一幅圖像，用傅立葉解相處理。 6)多視圖拼接方法 根據(jù)被測物體的特征或標志，求出旋轉

10、矩陣R和平移矩陣T，進行坐標變換，將不同視圖下不同坐標系的測量數(shù)據(jù)，轉換到統(tǒng)一坐標系。有轉臺拼接法、標志點拼接法、編碼標志點拼接法等。其原理是對被測物體去除一層，測量一次輪廓，為快速成型的反過程，屬破壞性測量。其特點是測量精度高達，層間距離最小，可以對物體內部型腔進行測量，測量速度慢，破壞被測物體。 7)超聲波法 該方法采用回聲原理計算被測點與參考點的位置。其優(yōu)點是量程比磁場法大，對材料的導磁性無限制，但精度較低。 8)圖像分析法 與結構光方法的區(qū)別在于它不采用投影模板，而是通過匹配確定物體同一點在兩幅圖像中的位置，由視差計算距離。由于匹配精度的影響，圖像分析法對形狀的描述主要是用特征

11、點、邊界線與特征描述物體的形狀，故較難精確描述復雜曲面的三維形狀。 推薦精選 9)工業(yè)計算機斷層掃描成像法 工業(yè)計算機斷層掃描成像(indusrtial comPuert Tomograph，簡稱ICT)是對產品實物經(jīng)過ICT層析掃描后，獲得一系列斷面圖像切片和數(shù)據(jù)，這些切片和數(shù)據(jù)提供了工件截面輪廓及其內部結構的完整信息，不僅可以進行工件的形狀、結構和功能分析，還可以提取產品工件的截面，并由工件系列截面數(shù)據(jù)重建工件的三維幾何模型。ICT的最大優(yōu)點在于它能測量工件的內部斷面的信息，因而適用于任意的形狀結構，但其測量精度較低。 10)逐層切削照相測量法 逐層切削照相測量法 (laye

12、r-cutting Photomerology)以極小的厚度去逐層切削實物樣件，并對每一斷面進行照相，其輪廓測量精度較高，但屬于破壞性測量。與接觸式測量方法相比較，非接觸式測量方法具有以下特點: 優(yōu)點:測量速度快，曲面數(shù)據(jù)獲取容易。不需要進行測量半徑補償。無接觸力，不會損傷精確表面，可以直接測量軟工件、薄工件、不可接觸的工件。缺點:測量精度較低，無法判定特定的幾何特征，價格較高。易受工件表面的反射特性的影響，如顏色、斜率等。工件表面的粗糙度和明暗度會影響測量結果。易受環(huán)境光線以及雜亂光線的影響產生噪聲，數(shù)據(jù)處理比較麻煩。對邊線、孔以及不連續(xù)形狀的處理比較困難。 非接觸式采集方法在高速采集

13、數(shù)據(jù)方面具有顯著的優(yōu)勢而且數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理能夠進行并行處理，因此越來越受到重視。其中，光學原理的測量方法在非接觸式測量方法中應用最為廣泛，基于光學原理的測量設備在逆向工程中的應用最為廣泛[2-3]。 推薦精選 本文采用非接觸式數(shù)據(jù)采集方法中的激光掃描法。 2 點云的獲取與處理 2.1 點云的概念 在采集過程中，能對零件表面實現(xiàn)密集的數(shù)據(jù)采集，在逆向工程中，這種極為密集的測量數(shù)據(jù)被稱為“點云”。密集、散亂的“點云’數(shù)據(jù)是逆向工程數(shù)據(jù)采集的主要特點之一。點云是在同一空間參考系下表達目標空間分布和目標表面特性的海量點集合。三維激光掃描儀，其掃描結果直接顯示為點云（point cl

14、oud 意思為無數(shù)的點以測量的規(guī)則在計算機里呈現(xiàn)物體的結果），依據(jù)點云能夠提取任何你想得到的信息。 通過運用非接觸式三維掃描儀，獲得了車身前翼子板的點云數(shù)據(jù)如圖1所示。 圖1前翼子板點云 2.2點云文件的處理 點云數(shù)據(jù)處理大致可分為[4-6]:點數(shù)據(jù)的坐標定位，數(shù)據(jù)雜點的刪除，數(shù)據(jù)的噪聲濾除、排序、平滑化及篩減，利用特征搜索功能找出曲面的趨勢或特征，切割除不需要的點或剖切點數(shù)據(jù)。點云通過三角面片化的方法稱為多邊形面（三角面）。 推薦精選 在處理的過程中要注意幾點事項: 1) 在建模的初期，應對模型整體的建構有一定的初步規(guī)劃?？梢栽谀Ｐ蜕瞎蠢粘銮媾c曲面間隔:也可將模

15、型的一些簡單幾何要素找出來，作為后續(xù)曲面建模與模型基準的參考。 2) 必須了解對精度與平滑度之間取舍的允許度。在允許的精度誤差上，舍棄精度取平滑度。 3) 必須對后處理的過程有全盤的了解。由于不同的曲面建構、不同的軟件以及后續(xù)的加工等，都可能造成不同的結果，所以必須通盤了解，以控制誤差的允許度。 4) 曲面的建構應盡可能簡單。簡單的曲面有利于后續(xù)工作的編輯，較容易構建出高質量的平滑曲面模型。 5)在曲面編輯之前，如能利用軟件的分析功能，來充分掌握各建構曲線的精度與控制點，則建構出高質量曲面的可能性就較大。 為了計算機處理方便，在起始時設置顯示點云數(shù)為5﹪。由于在獲取點云的過程中

16、，經(jīng)過大量的拍攝，造成了點云的重復，因此為了處理方便，首先要對點云進行處理。圖2為經(jīng)過處理后的點云數(shù)據(jù)。 圖2 經(jīng)過處理后的點云數(shù)據(jù) 3 前翼子板的曲面重建 3.1曲面重建 推薦精選 曲面的重建是逆向工程數(shù)據(jù)處理過程中最為關鍵的一步。目前,逆向工程中主要有三種構造曲面的方法:第一種是以B-Spline樣條曲線或非均勻有理B樣條曲線(NURBS曲線)為基礎的曲面構造方法；第二種是以三角Bezier曲面為基礎的曲面構造方法,第三種是以多面體方式來描述曲面物體。采用NURBS曲線構造方法有著突出優(yōu)點:它可以精確地表示二次規(guī)則曲線曲面,從而能用統(tǒng)一的數(shù)學形式表示規(guī)則曲面與自由曲面

17、；具有可影響曲線曲面形狀的權因子,使形狀更宜于控制和實現(xiàn)；NURBS曲面還可以準確表達多塊面片連接而成復合曲面；在幾個面片之間連接的NURBS曲面可以達到C2連續(xù)。NURBS曲線的這些特性對創(chuàng)建高品質的曲面是非常重要的[7-8]。重建后的前翼子板模型如圖3所示 圖3 重建后的前翼子板模型 3.2面模型的修正 1. 由于在掃描過程中要在掃描車身表面粘貼標志點，所以在獲取的點云數(shù)據(jù)生成的曲面上有大量的孔洞，經(jīng)過修正得到曲面模型如圖4 圖4 修正后的前翼子板模型 3.3面的構建 推薦精選 在創(chuàng)建片體之前，用戶首先需要確定稱作輪廓線的實體，它可以由手動指定，也可以由

18、軟件根據(jù)模型曲率自動偵測。輪廓線用來指導曲面節(jié)片的構成并且允許對節(jié)片組成進行輕松的編輯。使用Detect Curvature命令，可以在模型上根據(jù)曲面曲率自動突出輪廓線，Construct Patches命令在三角面上生成四邊的節(jié)片，根據(jù)具體情況選擇適當?shù)臄?shù)量。注意應使節(jié)片井然有序。通過加強邊線生成uv網(wǎng)格等命令最終形成C1連續(xù)的NURBS曲面。創(chuàng)建完成的曲面如圖5所示。 圖5 獲得NURBS曲面的前翼子板模型 4 結論 本文以汽車車身前翼子板為例，將逆向工程技術應用于復雜的曲面中，對實物車身前翼子板的側圍的數(shù)據(jù)進行收集并進行了表面處理。研究了逆向工程的關鍵技術及其在實際應用中需

19、要注意的問題。主要結論如下： 1）在對接觸式和非接觸式測量方法原理理解的基礎上，分析不同測量方法的優(yōu)缺點，并運用非接觸三維掃描儀完成了對車身前翼子板的數(shù)據(jù)采集工作。 2）通過對點云文件的處理，了解了點數(shù)據(jù)和曲面間的聯(lián)系，在對點云的處理中深入的理解了曲面生成的理論。在對模型處理的過程中，對曲面的光滑、平順的特征的處理更加理解了獲取數(shù)據(jù)中對精度的要求，以及如何充分反映出設計要求。 推薦精選 3）軟件，充分利用Geomagic Studio軟件的功能和優(yōu)勢對車身前翼子板的側圍進行模型的創(chuàng)建工作，并對零件的光滑、曲率等特征進行了修正使其達到要求。 通過以上研究，我們可以得出逆向工程技術應

20、用在汽車工業(yè)可以提高設計精度，縮短研制周期，方便而準確的獲取車身外形數(shù)據(jù)，從而使企業(yè)成本大大降低，產品快速進入市場，獲得更大的競爭優(yōu)勢和利益。 參考文獻 [1] 金濤 童水光 逆向工程技術[M].北京：機械工業(yè)出版社2003. [2] 劉偉軍. 逆向工程—原理方法及應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社2009. [3] 王培俊，高明.虛擬現(xiàn)實和逆向工程技術實驗教程[M].成都：西南交通大學出版社 2006. [4] 王霄，劉會霞，梁佳洪.逆向工程技術及其應用[M].化學工業(yè)出版社，2004 推薦精選 [5] 賈慶全，王宏，張英杰.實物反求工程的關鍵技術分析[J].機械設計.1999.6:4-6. [6] 李江雄，柯映林.基于特征的復雜曲面反求建模技術研究[J].機械工程學報.2000.36(5): 18-22 [7] 張學昌. 逆向建模技術與產品創(chuàng)新設計[M]. 北京：北京大學出版社, 2009. [8] 趙斌，張湘?zhèn)サ?汽車覆蓋件逆向工程設計應用[J]. 機床與液壓, 2008,6(5)：272-274. （注：可編輯下載，若有不當之處，請指正，謝謝!） 推薦精選