1、逆向工程在汽車覆蓋件產品開發中的應用摘要:本文介紹了汽車覆蓋件產品逆向建模的開發流程,并對汽車覆蓋件產品逆向建模的關鍵技術進行了討論,最后以某車型的發動機罩外板為實例介紹逆向工程的應用方法。關鍵詞: 覆蓋件 逆向工程 曲面重構 曲面品質評價1 前言目前,我國的汽車工業正以前所未有的速度發展,各汽車公司為了迅速占領汽車市場,不斷地推出性能良好、價格適中、乘座舒適的汽車產品,以滿足汽車用戶的要求。車身是汽車產品的外衣,它不僅影響著汽車的外觀質量,而且也影響到汽車的乘座舒適性能。因此,它是汽車產品的換型重點總成之一。逆向建模是指利用測量設備測取實物模型的表面數據,在汽車車身產品開發過程中,許多時候汽

2、車覆蓋件并非由CAD模型描述,設計者面對的是實物樣件。為了適應先進技術的發展,需要通過一定的途徑,將這些實物轉化為CAD模型,使得能利用CAD/CAM、PDM等先進技術對其進行處理或管理。這種從實物樣件獲取產品CAD模型的技術就是逆向工程(Reverse Engineering。廣義的產品逆向工程包括形狀 (幾何 反求、工藝反求和材料反求等諸多方面,是一個復雜的系統工程。2 汽車覆蓋件逆向建模開發流程當前,我國汽車覆蓋件常用開發流程如下圖所示: 圖1汽車覆蓋件逆向開發流程首先,利用測量設備采集汽車覆蓋件物理模型外表面的數據,生成三維點云數據;然后對點云進行處理,例如過濾處理,特征提取,三角化等

3、;最后根據獲得的點云,通過分析原模型的設計思想和曲面組成,利用CAD軟件進行曲面重構,生成汽車覆蓋件的CAD模型。在生成CAD模型之后,就可以用現代先進的技術和管理方法對其進行各種處理和管理,例如,利用CAE技術對其進行各種分析;利用CAE技術對其進行虛擬制造或生成加工代碼等,利用PDM技術對其進行數據管理及配置管理等。汽車覆蓋件,尤其是外覆蓋件要求曲面質量高,建模誤差小。這就對測量點云的質量和重構曲面的品質和誤差提出了很高的要求。測量點云的質量主要取決于測量設備的精度,而重構曲面的品質客觀上取決于所選用的造型軟件的功能。針對汽車覆蓋件逆向開發的需求,我們提出了一種解決方法,并在我們進行工程服

4、務過程中得到了應用和檢驗。該解決方案選用德國Steinbichler公司的COMET光學測量系統作為測量設備,選用CATIA中的Digital Shape Editor和FreeStyle模塊作為CAD軟件。下面將詳細介紹在該解決方案中所采用的關鍵技術,并以發動機罩外板為例說明了利用該解決方案進行汽車覆蓋件逆向開發的方法和流程。二 關鍵技術在汽車覆蓋件的逆向開發過程中,采用了以下關鍵技術。1. 測量利用測量方法從汽車覆蓋件的外表面上提取數據是逆向工程的一個重要環節,其提取點云數據的精度和噪聲直接影響后續的曲面重構。當前有兩種測量方法,一種是接觸式測量,即用三坐標測量機在物理模型上打點,從而提取

5、所打點的三維坐標信息。利用這種方法提取的點云數據精度高,但效率低,所提取的點云點數少,不能反應自由曲面的特征,還有傷害物理模型外表面的危險,所以在汽車覆蓋件逆向開發過程中很少取用。第二種方法是非接觸式測量,即用光學測量機或激光測量機從物理模型上提取表面數據。利用這種方法提取的點數多,密度大,效率高,而且精度可以得到保證,所以在汽車覆蓋件逆向開發過程中得到了越來越廣泛地應用。我們選用的是德國Steinbichler公司的COMET光學測量機。它的測量原理是基于局部三角形測量法。通過白光源將一束光柵投影到被測物體表面上,由一CCD鏡頭從所拍照片中獲取投影光柵的信息,通過機械地連續改變光柵的形狀,從

6、而將被測物體表面劃分成一個個很小的像素點,進而可以從目標鏡頭K1與K2之間的距離b及角和通過三角形法求得每個像素點的三維坐標值。(如圖2所示。 圖2.COMET測量機的測量原理示意圖我們之所以選擇COMET作為該解決方案的測量設備,是因為它具有以下優點:它采用一個鏡頭,消除了由于一般光學測量機采用兩個鏡頭所造成的陰影效應,從而提高了測量質量。標定簡單。該測量系統一次標定,可長期使用,只有在更換鏡頭或長途運輸之后,才需要重新標定。它提供了特征拼合功能。對于特征多的小尺寸對象,可以利用該功能提高測量效率,另外對于小尺寸對象,如果特征少,可以通過人為制造一些特征來利用該功能,從而減少測量過程中獲取整

7、體測量坐標這一環節,提高了測量效率。測量精度高。因為該測量機采用了光柵轉換的專利技術,使像素點的分布即不同于平行網格,也不同于旋轉網格,而是兩者優點的綜合,所以提高了測量精度。采用C50 / C100 VZ,測量精度可以達到+/-20納米。具有變焦功能。COMET測量系統提供了三種測量模式:高分辨模式、標準分辨模式和Zoom模式。所謂Zoom模式就是指在焦點附近區域采用高分辨模式同,焦點區域之外的區域采用標準分辨模式。對于被測量表面上重要的局部細節用高分辨模式進行測量,對于被測表面上大部分同類曲面可以采用標準分辨模式進行測量。用戶可以方便地在這三種測量模式間進行切換。點云密度大。在高分辨率模式

8、下,一次可以測量130萬個點。測量方便。利用該公司提供的專業支架可以自由地改變鏡頭的角度和位置。從而保證測量的最佳位置。在用COMET測量機進行測量之前,要先根據被測對象表面特征,確定整體測量方案,包括以下內容:確定拼合方法。COMET測量系統提供了三種拼合方法:參考點拼合、聯系點拼合和特征點拼合。如果被測量對象表面特征多,可以直接采用特征拼合以提高測量效率,如果表面光滑,可以在表面貼標記點,采用參考點拼合或聯系點拼合。如果被測量對象尺寸很大,可以在整體采用參考點或聯系點拼合,局部采用特征點拼合。確定測量步聚。因為光學測量機在提取點云數據時,最佳測量角度和位置是確保測量點云品質的關鍵,所以在測

9、量前確定測量的步聚是減少測量重復區域,提高測量效率的保證。2. 點云處理技術直接由COMET測量的點云是個海量數據(幾十甚至上百兆個點,而且還存在重復測量數據,系統測量誤差和隨機誤差等,必須對點云進行處理。點云處理技術包括以下內容:點云過濾點云過濾在點云處理中有兩方面的作用,一是降低點云密度,一是過濾點云中的噪聲點。常用的點云過濾方法有以下幾種:曲率過濾法。也叫自適應過濾法,即根據曲面曲率變化確定點的取舍,在曲率變化平緩區域保留較少的點來描述曲面形狀,在曲率變化急劇的區域保留較多的點。常用的算法是根據弦偏差(Chordal Deviation過濾點云。用這種方法過濾點云能很好地保持曲面的形狀。

10、高斯過濾法。即按照高斯算法進行點云過濾,這種方法的過濾功能很強,但其缺點是較難保持曲面特征。球過濾法,是指過點云上一點生成一個指定半徑的球,過濾掉球內的所有點,再通過下一個保留點生成指定半徑球,過濾掉球內所有點,如此循環至到最后。點云三角化點云三角化就是指將雜亂無序的點云轉化成一組有序的三角化面片。在生成三角化面片的過程中,COMET Plus軟件提供了三角化面片的過濾功能,即過濾掉形狀不合理的三角化面片,例如夾角過小的三角化面片,從而保證了所生成三角化面片的質量。三角化后的點云可直接用于生成加工代碼或快速成型。特征提取即從點云中提取規則曲面,如平面、球面、柱面、錐面等,以及提取曲面之間的理論

11、交線等。這樣就可以提高后續曲面重構的速度。點云分塊在后續的曲面重構中,經常要用到曲面擬合功能,而一個點云一般情況下不可能只由一個曲面來擬合,這就需要根據曲面的構成,將點云進行分塊。利用CATIA的DSE(Digital Shape Editor模塊可以方便地將點云進行分塊。3. 曲面重構技術曲面重構是逆向工程中的一個關鍵環節。它不僅是要再現造型人員或原有產品的設計思想,還要修復或克服原有模型上存在的缺陷。因此在進行曲面重構之前,應該對零件進行仔細分析,主要考慮以下要點:確定設計的整體思路。面對點云數據,首先要周全地考慮好先做什么,后做什么,用什么方法做,主要是將模型劃分為幾個特征區,得出設計的

12、整體思路。確定模型的基本構成形狀的曲面類型,這關系到在曲面重構中所采用曲面重構方法和工具的選用 。我們在汽車覆蓋件逆向設計的曲面重構中,選用的是CATIA軟件中的FreeStyle模塊。之所以選擇該模塊,是因為它具有以下方面的優勢:采用了NURBS方法描述曲面。從而解決了自由曲線曲面與初等解析曲線曲面描述的不相容問題。另外,由于采用了NURBS方法,在該模塊中,曲面由一組控制點來控制形狀,這樣就可以通過編輯控制點靈活地改變曲面形狀,實現任意復雜形狀的曲面,提高了造型能力。提供了曲面到點云的擬合功能。這樣就可以先利用此功能根據點云擬合出一個基礎曲面,再利用曲面編輯功能對該基礎曲面進行局部編輯和光

13、順,從而提高了曲面重構的效率。提供了曲面間的匹配功能。在FreeStyle中,不僅可以實現一個曲面到另一曲面之間的匹配,還能實現一個曲面到多個曲面之間的匹配。并能達到匹配后的曲面之間實現曲率連續,從而保證了A級曲面的要求。提供了多曲面的整體編輯功能,即一次編輯多個曲面,在編輯過程中保持曲面之間的連續條件。它提供了網格面及風格掃描面的構造方法。這樣就可以按曲面形狀或原有產品的設計思想快速實現曲面重構。4. 曲面評價方法曲面評價在車身覆蓋件逆向設計中包括兩方面的含義,一是評價曲面的品質,即曲面是否達到A級曲面的要求,另一個含義是所重構的曲面與點云之間的誤差是否滿足要求。常用的曲面品質評價方法有以下

14、幾種:反射線法(Reflection Lines 圖3.反射線構成示意圖反射線的構成原理如上圖3所示,在光源Lc和視點Ep確定的條件下,反射線由曲面上的一組點P組成,點P在曲面上的法線方向N分別與點P到光源的矢量a和與視點Ep 所成角度相等。反射線的連續次數比曲面連續次數小1次。如果兩相鄰曲面上的反射線斷開,則該兩曲面最多點連續;如反射線有尖點,則曲面切矢連續;如反射線光滑過渡,則兩曲面曲率連續。等照度線法(Isophote 圖4.等照度線構成示意圖等照度線的構成原理如上圖4所示,在光照方向一定的條件下,等照度線由這樣一組點構成,這些點在曲面上的法向N與光照方向L所成角度一致,即LN=c,c為

15、常量。常量c的取值從-1過渡到1,就生成一組等照度線。等照度線的連續次數比曲面連續次數小1次,即如果相鄰曲面上的等照度線是光滑過渡的,則這些曲面之間滿足曲率連續。另外,等照度線的形狀也反映了曲面形狀的變化,如在球面上,等照度線為圓形。高光線法(Highlight Lines 圖 5. 高光線構成示意圖 高光線法是在反射線法的基礎上發展出來的. 它的構建原理與反射線基本相同, 不同之 處是在高光線構建過程中光源與視點重合.在數學描述中,高光線由這樣一組點 Xi 組成, 光線 L0 與點 Xi 在曲面上的法線 N 相交(如圖 5 所示 . 在 CATIA 的 FreeStyle 模塊中,除提供了以

16、上三種曲面品質評價方法外,還提供了截面 線法來分析曲面品質.所謂截面線法,就是生成一組平面與被分析曲面的截面線,通過分析 這些截面線的曲率變化和截面線之間的形狀變化來分析曲面品質.作為 A 級曲面,截面線 的曲率變化應均勻,沒有多余拐點,截面線之間的形狀變化也應均勻. 針對逆向工程中誤差控制的需求,CATIA 提供了距離分析工具(Distance Analysis ,用 不同的顏色表示重構曲面與點云之間的距離.利用該工具,在進行曲面編輯時,可以使設計 人員精確控制建模誤差. 三 應用實例 下面以某車型的發動機罩外板 (如圖 6 所示 為實例說明用該解決方案進行逆向設計的 步聚和方法. 圖 6.

17、 1. 用 COMET 系統測量 1 發動機罩外板 確定測量時所用的拼合方法和測量的次序. 發動機罩外板表面特征較少,不能采用特征拼合,所以選用參考點拼合方法.采用 先中間后兩邊的測量順序以減少測量的累積誤差. 2 獲得發動機罩外板的整體測量坐標. 首先在發動機罩外板上放置標記點, 比例尺和十字尺; 再用數碼相機按一定的角度 依次拍照; 然后將所拍照片導入處理軟件 AICON 3D Studio 中進行處理; 最后生成位于 車身坐標系下的參考點列表文件 3 開始用 COMET 測量系統進行測量. 在每次測量時,測量區域內應包含三個以上的參考點,這樣系統會自動完成拼合. 按先中間后兩邊的測量次序依次測量,至到測得所有的表面信息. 2. 進行點云處理 1 整體匹配(Global Matching 整體匹配的目的是進一步減少匹配誤差. 2 后處理(Post Processing 在點云的后處理過程中,可以過濾點云,優化點云,添補標記點區域,三角化點云 等操作. 3 特征提取 提取三角化點云的邊界線和中間的倒角曲面之間的理論交線. 4 輸出三角化點云的 STL 文件和所提取特征的 Scan 線的 ASCII 文件 3. 進入 CATIA 軟件,進行曲面重構 1 進入 DSE 模塊,生成 X,Y,Z 方向上的