逆向工程技术在轿车轮毂盖建模中的应用

摘要：逆向工程是对实物模型进行三维数字化测量并构造其CAD 模型，最后利用各种成熟的CAD/CAE/CAM技术进行再创新的过程。文章围绕实物模型数字化、点云数据预处理和CAD建模三个阶段，通过汽车轮毂造型设计研究了应用逆向工程技术的产品创新设计方法。通过市场调研与分析，此方法可大幅提高产品的开发速度，提升竞争力，最终提高整体行业的水平。

关键词：逆向工程；点云数据处理；CAD建模；汽车轮毂；实物模型数字化

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）36-0068-02

逆向工程是消化吸收并改进先进技术的一系列工作方法和技术的总和，它是以设计方法学为指导，以现代设计理论方法技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验，知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计。逆向工程设计技术的应用对提高我国工业产品设计水平，缩短设计周期，增强我国产品在国际市场上的竞争力有着重要的意义。

一、实物模型数字化

实物模型数字化是逆向工程中很关键的一步，数字化模型能否准确反映实物模型的结构特点，直接影响后续的建模质量。因此，本文引入了COMET测量系统，COMET测量扫描系统是利用光栅投影法，通过非接触方式获得物体表面数字化点云数据，是一个快速而高精度的测量和扫描设备，使用COMET测量系统测量零件表面，操作流程：表面着色处理D确定测量方法D启动软硬件D调整测量角度和距离，并设置参数D扫描零件，获取完整表面数据D数据输出。

二、点云数据预处理

数字化阶段获得的点云数据应当经过适当的处理后才能用于后续的曲面建模。由于测量设备或是测量对象的原因，往往不能一次完成整个测量过程，需要将多个测量结果进行拼接才可获得实物的整个数字化模型。

首先，在逆向扫描过程中，分块扫描得到的点云数据可看成一个具体本身固定坐标系的实体。所以，逆向工程的点云数据对齐问题可以看作是不同三维实体的坐标变换问题，即根据事先指定的最优匹配算法，通过坐标变换，将分块扫描得到的点云进行对齐。

其次，无论是使用接触式测量还是非接触式测量，在测量产品表面数据时，都会引入数据误差，尤其是有尖锐边的产品边界附近的测量数据。因此，在利用点云数据重构模型前必须对点云进行过滤。

数据精简也是逆向工程中的关键技术，伴随非接触式测量技术和测量设备的发展，我们可以很方便地获得复杂形状零件的表面数据。缺点是点云的数据量非常大，这就需要大量的存储空间，同时在数据处理过程中，运行速度很慢，降低工作效率。因此，有必要在保持一定精度的前提下对点云进行精简，去除大量多余的点，只保留能够反映曲面形状的点即可，这即是点云精简过程。

三、CAD模型

三维CAD模型的重构是逆向工程的另一个核心和主要目的，是后续产品加工制造、快速成形、工程分析和产品再设计的基础。三维CAD建模的理论，包括曲面建模方法、曲线和曲面的数学模型及拟合，应用CATIA软件是实现曲面重构一个重要手段。

四、工程实例

当前，我国汽车工业飞速发展，越来越多的新车型被引入国内。同时，国内的汽车公司也在国外车型的基础上大力自主研发设计新车型。因而，汽车的开发周期越来越短，汽车工业正逐渐由“大批量、单一车型”向“小批量，多种车型”制造模式转变，在这种情况下，发展先进的制造技术，获取或建立CAD模型具有重要的意义。

本文以研究汽车车轮毂盖为例，将对某汽车车轮毂盖进行数据扫描，并通过逆向工程手段实现的原有产品的逆向建模，以方便进一步的设计或模具制作，并可缩短其产品的开发周期。

（一）数据获取

测量之前，首先应检测轮毂盖表面是否光泽，由于我们所测量的轮毂盖表面的颜色是深灰色，表面颜色太深，反光能力差，应在其表面均匀地喷上白色反光喷剂，以便其有更好的反光效果。轮毂盖曲面类型多，需多次测量，所以我们还需在被测物体的表面贴上参考点，这样拼合点云的时候，多次测量得到的不同的点云就可以根据参考点实现自动拼合，将测量得到的数据以IGS格式输入到CATIA软件中。

（二）数据预处理

1．噪点删除。由于扫描仪的误差以及测量过程中人为误差的存在，使得扫描最终得到的点云包含了大量的噪点，其将会严重影响后续的反求建模，又因为系统无法精确识别误差的存在，所以需手动删除。在CATIA中，利用“remove”工具进行删除，如图1（a）所示。

2．点云精简。点云在消除了噪声点后，其中仍包含了大量的冗余点，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。所以为了计算机运算速度的提高，CATIA提供公差球和弦高差两种点云数据精简方式。在此因曲面曲率变化原因选用弦高差精简方式，其结果如图1（b）所示。精简后，点云的信息如下：

Number of Data Points： 59997

Units：mm

Min X=239.9893 Max X=505.7328

Min Y=-180.0058 Max Y=97.2953

Min Z=172.3559 Max Z=833.7889

3．网格化。在经过上述处理后便可以对其进行三角网格化，以便对其曲率进行分析，同时更好地观察各种曲面的特征。

4．网格面曲率分析。点云分割是构建曲线、曲面的基础，分块方式直接影响后续的曲面构造方式、曲面的拼接和缝合效果。数据分块分的好，将使曲面的重构变得简单，可以得到高质量的曲面。

（三）轮毂盖CAD模型重构

任何一个产品的模型建立之前，都必须有一定的基准，这样才能建立产品准确的拓扑关系，也才能准确地进行后续的加工。对于此轮毂盖同样为了反求建模的准确性以及方便性，必须先建立其基准，即建立坐标系，并使其一坐标轴通过轮毂盖的旋转中心。

特征线的构建是曲面重构的基础，也是最为关键的环节。由前面分析可知，此轮毂盖主要由两个旋转曲面以及若干相同的扫描曲面组成。对于旋转曲面，只要重构出它们的截面特征线即可。基本曲面重构完成之后，只需对其进行进一步的处理操作，如加厚、圆角等。最终进行表面质量的检查。最后完成整体模型，并对其进行斑马纹的检查，如图2所示，其质量足以满足操作者的要求。

五、结语

在产品开发的今天，建立产品的数字化模型是产品设计的中心内容。在产品数字模型建立中，作为实现创新的手段，逆向工程技术的应用越来越受到重视。本文的研究工作丰富了产品造型设计的理论和方法，将促进逆向工程在产品设计中的应用和推广。

参考文献

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作者简介：邹军，男，江苏无锡人，江苏省无锡交通高等职业技术学校讲师，研究方向：机械制造。