逆向工程技术在汽车覆盖件测量和建模中的应用_精品.doc

1 逆向工程在汽车覆盖件中的应用 由于逆向工程技术的迅速发展，逆向工程在车身造型现在及未来的设计方法中占有举足轻重的地位。将逆向工程运用于车身设计中不仅可以弥补传统设计上存在的技术缺陷，而且缩短了产品设计周期，节省了生产成本，同时逆向工程与快速成型技术的结合将使汽车制造业产生前所未有的本质变化。 目前，逆向工程技术在车身覆盖件、装饰部件的设计中的应用方法主要是对以手工或数控方法进行制作或局部修改后的车身模型或实物样件，用三坐标测量仪采集其数据点，然后输入计算机，再用逆向造型软件进行曲面构造，最后反复光顺后，建立CAD模型。只有建立了基于逆向工程的CAD模型，才能利用先进的CAD/CAM技术，进行新产品设计、工艺设计、模具设计、模具制造和质量检验等后续生产过程，也为后续的有限元分析、优化设计以及动力学分析提供了基础。 结合逆向工程技术、三维扫描和随后的计算机辅助设计过程即曲面重构过程，被认为是汽车覆盖件设计中的关键技术。本文作者通过对汽车覆盖件特有的造型理论和方法进行分析，以汽车引擎盖为例，得到了汽车引擎盖的三维数学模型，并对汽车覆盖件的测量和建模方法进行了分析。 2 汽车覆盖件的三维数据测量 2.1 数据采集实施条件 在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。目前，国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种。接触式采用测头与被测物体直接接触来获取数据信息，该方法稳定，但测量速度慢，容易划伤物体表面。非接触式是应用光学及激光的原理进行测量的，该方法采集速度快，精度高，获得的密集点云信息量大，可以最大限度的反映被测表面的真实形状。 车身覆盖件多是由尺寸大、形状复杂的三维曲面构成，不能用简单的数学解析式来表示。它不仅要求高质量外观来满足汽车造型的要求，而且要求配合精度高和形状、尺寸的一致性。针对其特点，采用非接触式的光学扫描仪进行三维数据测量。测量设备为德国GOM公司的ATOS光学扫描仪(ATOSl600EU)。该扫描仪的主要优点是可随意绕被测物体进行移动，利用光带经数据影像处理器得到实物表面数据，扫描范围可达8m×8m，测量精度为0.1mm/0.5m，扫描方式为光栅原理及GPS定位原理。 2.2 覆盖件的扫描过程 首先，要对引擎盖进行表面处理，将其表面擦拭干净，以免引起扫描误差。为了将多次不同方位扫描数据拼合在一起，应在物体表面粘贴参考点，作为拼合计算的基准；为了防止反光和增加物体表面的成像性，须在其外表面均匀地喷洒乳白色显像剂。其次，对ATOS光学扫描系统进行校准。最后，根据引擎盖的形状，进行多个角度不同方位的扫描。在ATOS软件中，通过公共参考点把每幅扫描照片自动进行拼合，最终完成整个覆盖件外形的扫描，贴点后的实物照片见图1。 图1 贴制参考点后的引擎盖实物 3 点云数据的处理及模型重建 扫描完成后，通过ATOS自带软件对点云进行预处理；在对引擎盖的点云数据处理及模型重建过程中采用了Imageware软件和UG软件。 3.1 ATOS点云数据预处理 数据处理是逆向工程中的关键环节，它的结果将直接影响到后期模型重构的质量。点云数据的初步处理，包括噪声去除、过滤、光顺、网格化等。 3.1.1 删除散乱点云噪声数据 扫描获取的点云中包含许多噪声，如实验台底面等，这些噪声在进行各种点线面处理之前应将其删除。将点群放大、变换各种角度以方便地看到整个三维空间内的噪声，然后针对各个噪声点，采用软件中的“删除”功能将其删掉。 3.1.2 点云的精简 图2 预处理后的引擎盖点云图 在逆向工程技术中采集点的数量一般都很大，单幅照片可扫描点数最大可达400 000个。如此庞大的数据需要在曲面重构之前进行精简处理，以提高运算速度。图2为经过删除散乱点云噪声数据、精简处理后得到的引擎盖外形点云文件。 3.2 用Imageware软件对点云数据进行处理 3.2.1 点云文件的读入 首先，将从ATOS中得到的汽车引擎盖点云文件读入到Imageware中，调入后的原始点云可保存为yinqinggai.imw。 3.2.2 对齐点云数据 点云数据的对齐是进行数据处理的重要环节。初始的点云数据与通用的三维坐标系有一定的夹角，为方便构建引擎盖的三维几何模型，需要对点云数据进行方位对齐。首先，需要创建参考基准平面，在此，使用Creat/SurfacePrimitive/Plane功能创建出3个相互垂直的平面，平面的中心点指定为(0，0，0)。其次，需要创建相应的对齐平面，根据引擎盖的外形特点，利用Construct/Surface From Cloud/Fit Plane功能拟合平面。在拟合平面的过程中，要随时检测点云和平面之间的偏差，确保偏差在±0.2mm以内，以保