汽車零部件的參數(shù)化逆向設(shè)計

1、汽車零部件的參數(shù)化逆向設(shè)計前言早期設(shè)計師在進行產(chǎn)品的造型設(shè)計時，所采用的方法主要是正向設(shè)計法；這是一個從概念設(shè)計起步到CAD建模、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過程，產(chǎn)品造型設(shè)計的正向設(shè)計流程示意：概念設(shè)計 CAD/CAM系統(tǒng) 制造系統(tǒng) 新產(chǎn)品。但對于復雜的產(chǎn)品，正向設(shè)計方法顯示出了它的不足，設(shè)計過程難度系數(shù)大、周期較長、成本高、不利于產(chǎn)品的研制開發(fā)，因為設(shè)計師無法完全預估產(chǎn)品在設(shè)計過程中會出現(xiàn)什么樣的狀況，如果每一次都因為一些局部的問題而導致整個產(chǎn)品推到重來，不管從時間上還是從成本上都是不可接受的。如果有方法改正在正向設(shè)計過程中所產(chǎn)生的局部問題自然是兩全其美的事，正是在這樣的背景下自然發(fā)展并形成了逆向

2、設(shè)計的方法。逆向設(shè)計通常是根據(jù)正向設(shè)計概念所產(chǎn)生的產(chǎn)品原始模型或者已有產(chǎn)品來進行改良，通過對產(chǎn)生問題的模型進行直接的修改、試驗和分析得到相對理想的結(jié)果，然后再根據(jù)修正后的模型或樣辦通過掃描和造型等一系列方法得到最終的三維模型。汽車零部件產(chǎn)品的逆向設(shè)計，目前多采用三坐標測量儀得到零件主要特征的高精度尺寸,建立簡單的線框模型;或利用激光掃描儀獲得零件表面的點云,以基于邊或基于多邊形面的方法在三維CAD軟件中對點云進行數(shù)據(jù)分塊,再通過分塊數(shù)據(jù)完成曲線或曲面的擬合,得到若干小曲面片,將這些曲面片通過拼接得到物體的各個面,從而重建出產(chǎn)品的數(shù)字化CAD模型。下文將介紹利用Geomagic Studio和C

3、ATIA VS在逆向設(shè)計中實現(xiàn)自動化操作,并獲得完整的參數(shù)化模型的方法和具體過程2、汽車零部件逆向設(shè)計中的參數(shù)化方法Geomagic Studio是應用最廣泛的逆向工程軟件之一,其優(yōu)勢在于點云和多邊形(三角面片)的快速前處理,以及基本曲面的擬合,它還能將所擬合的參數(shù)化曲面信息直接發(fā)送到常用的CAD軟件中作進一步的修改因此,研究者在進行汽車零部件產(chǎn)品的逆向參數(shù)化設(shè)計時,可以使用Geomagic Studio進行點云的快速處理并以批處理方式完成曲面的參數(shù)化擬合,然后導入CATIA VS中對曲面完成后續(xù)的加工修剪封閉實體等工作,最終得到參數(shù)化的零件實體具有規(guī)則表面的零件的逆向三維設(shè)計過程如圖1所示其

4、中,左側(cè)為在Geomagic Studio中進行點云的前期處理參數(shù)化曲面的擬合;右側(cè)則為導入CATIAVS后的處理步驟圖1汽車零部件的逆向參數(shù)化設(shè)計過程3、汽車零部件參數(shù)化逆向設(shè)計方法示例以某輕型發(fā)動機氣缸蓋罩的逆向三維設(shè)計為例,利用激光掃描儀進行逆向掃描,利用Geomagic Studio 12進行點云預處理和簡單曲面擬合,然后在CATIA VS中完成零件設(shè)計的過程由于氣缸蓋罩上的曲面多為規(guī)則曲面,可在Geomagic Stu-dio下對點云進行快速識別和擬合根據(jù)逆向掃描的點云進行參數(shù)化設(shè)計,需要在Geomagic Studi中經(jīng)過前處理(多邊形階段)參數(shù)化曲面導入CATIA VS,以及在C

5、ATIA VS中生成參數(shù)化實體模型等幾個階段3.1逆向掃描用三維激光掃描儀對該輕型發(fā)動機氣缸蓋罩進行逆向掃描掃描前,應先將零件表面清理干凈為了保證激光掃描儀的接收器能充分接收到零件表面反射的激光,應在黑色表面或光潔表面上噴涂能產(chǎn)生漫反射的白色粉劑(噴顯影劑,也稱噴粉);并在曲面平緩的地方無規(guī)律的貼上參考點(貼Marke:點,也稱貼點),為掃描儀提供定位參考,利于提高掃描精度和速度己經(jīng)完成了噴粉和貼點工作的氣缸蓋罩實物如圖2所示,該零件表面主要由平面圓柱體和各種孔特征組成,其中白色圓點為貼上去的Marker點圖2某輕型發(fā)動機氣缸蓋罩實物激光掃描的過程中,應盡量使掃描儀器始終垂直于掃描表面,并保持

6、適當?shù)膾呙杷俣?從而保證所得點云的質(zhì)量點云數(shù)據(jù)的精確性和完整性也就決定了三維模型的精度不同的掃描效果的點云對比如圖3所示(點云己經(jīng)在Geomagic Studio中轉(zhuǎn)換為多邊形對象)從圖3中可見,下圖的掃描質(zhì)量較差,很多特征無法識別,不少特征殘缺不全,即便擬合成曲面,其參數(shù)也不可信;而上圖則非常完整,為逆向設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)圖3掃描質(zhì)量對比3. 2點云的前期處理掃描所得點云包含有諸多的噪音點,以及因為漏掃或者其他原因而產(chǎn)生的孔洞,需要對點云進行裁剪和修理在Geomagic Studio中打開點云數(shù)據(jù)文件,將自動生成多邊形對象,后續(xù)對點云的各種操作都是通過對多邊形的操作來實現(xiàn)的在“多邊形”的R

7、ibbon頁下,提供了多種處理工具,例如使用“刪除”和“簡化創(chuàng)建流形,“裁剪”等刪除噪音點,使用“松弛,“刪除丁狀物,鎮(zhèn)充單個孔”等進行修補,其中最為便捷的是“網(wǎng)格醫(yī)生”的修補功能,它將各種修補功能集中在一個界面下,以批處理的方式自動完成大部分的修補工作2. 3參數(shù)化曲面的建立在“參數(shù)曲面”的Ribbon頁下,執(zhí)行“參數(shù)曲面”,多邊形對象將被轉(zhuǎn)換為參數(shù)曲面。接下來執(zhí)行“探測區(qū)域”命令,探測出的區(qū)域如圖4所示,軟件將使用不同顏色標示幾何相似的區(qū)域,各區(qū)域之間以紅色分隔符和黃色輪廓線分隔開每個區(qū)域?qū)⒃跀M合時轉(zhuǎn)換為一塊單獨的參數(shù)化曲面,因此,區(qū)域的合理劃分至關(guān)重要;研究者可以在執(zhí)行“編輯輪廓線”的命

8、令后,對區(qū)域的邊界形狀進行調(diào)整(包括合并或刪除區(qū)域),編輯輪廓線如圖5所示另外,也可以從“區(qū)域分類”中直接指定某區(qū)域的點云將擬合的曲面類型,降低誤差,這對于點云質(zhì)量不高的區(qū)域尤為實用然后執(zhí)行“擬合曲面”功能,使用鼠標劃過部分或全部區(qū)域,軟件將對被劃過的區(qū)域自動識別出相應的參數(shù)化曲面通過使用“擬合連接“分類連接”則可生成兩個參數(shù)曲面之間的過渡面(如倒角連接面等特征)初步擬合完成的曲面如圖6所示,不同的曲面由輪廓線分隔開,鼠標單擊其中某塊曲面,該所選曲面將以橙色高亮顯示Geomagic Studi通過內(nèi)置智能程序可以快速提取設(shè)計意圖并創(chuàng)建優(yōu)化CAD曲面,它可以根據(jù)三角網(wǎng)格自動擬合出平面柱面等各種基

9、于草圖的規(guī)則曲面或其他自由形狀曲面,也可以自動提取掃描曲面旋轉(zhuǎn)曲面和擠壓面的優(yōu)化的輪廓曲線直接轉(zhuǎn)換為三維CAD的參數(shù)化建模由于點云誤差等各種原因,可能所擬合的曲面并非所期望的曲面類型,此時,可以通過“編輯草圖”“編輯曲面“修復曲面”等各種功能進行調(diào)整修改“修復曲面”功能的界面如圖7所示圖4探測出的區(qū)域圖5編輯輪廓線圖6初步擬合的曲面圖7“修復曲面”功能界面2. 4參數(shù)化曲面導入CATIA VS在Geomagic Studio中完成了曲面的擬合后,執(zhí)行“參數(shù)曲面”頁面下的“參數(shù)交換”功能,可將曲面導入CATIA VS中Geomagic Studio軟件提供了與Inventor, Pro /E,S

10、olidworks, CATIA VS這4種軟件的參數(shù)交換接口。執(zhí)行參數(shù)交換操作時,需要同時打開GeomagicStudio和CATIA VS軟件選定了要交換的曲面后,只需要一鍵操作,Geomagic Studio就會將曲面信息發(fā)送到CATIA VS中在將曲線和曲面發(fā)送到CATIA VS時,Geomagic Studi提供了“自動裁剪和布爾運算”“嘗試創(chuàng)建實體”,以及草圖相關(guān)的各種選項,可以根據(jù)點云范圍對所擬合的曲面進行裁剪分割等操作,這將顯著縮減導入CATIA VS后的曲面加工的工作量和時間消耗2. 5參數(shù)化實體模型的生成導入CATIA VS的參數(shù)曲面如圖8所示為了便于對比和參考,可在CATIA VS的DSE中導入點云,在創(chuàng)成式曲面設(shè)計(GSD)和零件設(shè)計(PDG)中進行曲面和實體特征的重建由于零件的大多數(shù)特征都己經(jīng)建立了相應的參數(shù)化曲面特征,只需要利用加厚封閉實體等功能轉(zhuǎn)化為實體模型即可少部分特征需要手動創(chuàng)建,但工作量己經(jīng)大大縮減完成重建后的最終的實體模型如圖9所示圖8導入CATIA中的參數(shù)化曲面與點云圖9最終完成的零件模型3、結(jié)論本文介紹了聯(lián)合使用Geomagic Studio和CATIA軟件對汽車零部件的逆向設(shè)計方法。可以看到，采用逆向設(shè)計的方法所得到的產(chǎn)品模型，因為是有實際的模型參與各