汽車(chē)零部件的參數(shù)化逆向設(shè)計(jì)

1、汽車(chē)零部件的參數(shù)化逆向設(shè)計(jì)前言早期設(shè)計(jì)師在進(jìn)行產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)時(shí)，所采用的方法主要是正向設(shè)計(jì)法；這是一個(gè)從概念設(shè)計(jì)起步到CAD建模、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過(guò)程，產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的正向設(shè)計(jì)流程示意：概念設(shè)計(jì) CAD/CAM系統(tǒng) 制造系統(tǒng) 新產(chǎn)品。但對(duì)于復(fù)雜的產(chǎn)品，正向設(shè)計(jì)方法顯示出了它的不足，設(shè)計(jì)過(guò)程難度系數(shù)大、周期較長(zhǎng)、成本高、不利于產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師無(wú)法完全預(yù)估產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)什么樣的狀況，如果每一次都因?yàn)橐恍┚植康膯?wèn)題而導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品推到重來(lái)，不管從時(shí)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(jì)過(guò)程中所產(chǎn)生的局部問(wèn)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(jì)的方法。逆向設(shè)計(jì)通常是根據(jù)正向設(shè)計(jì)概念所產(chǎn)生的產(chǎn)品原始模型或者已有產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行改良，通過(guò)對(duì)產(chǎn)生問(wèn)題的模型進(jìn)行直接的修改、試驗(yàn)和分析得到相對(duì)理想的結(jié)果，然后再根據(jù)修正后的模型或樣辦通過(guò)掃描和造型等一系列方法得到最終的三維模型。汽車(chē)零部件產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)，目前多采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x得到零件主要特征的高精度尺寸,建立簡(jiǎn)單的線(xiàn)框模型;或利用激光掃描儀獲得零件表面的點(diǎn)云,以基于邊或基于多邊形面的方法在三維CAD軟件中對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊,再通過(guò)分塊數(shù)據(jù)完成曲線(xiàn)或曲面的擬合,得到若干小曲面片,將這些曲面片通過(guò)拼接得到物體的各個(gè)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(jì)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作,并獲得完整的參數(shù)化模型的方法和具體過(guò)程2、汽車(chē)零部件逆向設(shè)計(jì)中的參數(shù)化方法Geomagic Studio是應(yīng)用最廣泛的逆向工程軟件之一,其優(yōu)勢(shì)在于點(diǎn)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(jìn)一步的修改因此,研究者在進(jìn)行汽車(chē)零部件產(chǎn)品的逆向參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí),可以使用Geomagic Studio進(jìn)行點(diǎn)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(dǎo)入CATIA VS中對(duì)曲面完成后續(xù)的加工修剪封閉實(shí)體等工作,最終得到參數(shù)化的零件實(shí)體具有規(guī)則表面的零件的逆向三維設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示其

4、中,左側(cè)為在Geomagic Studio中進(jìn)行點(diǎn)云的前期處理參數(shù)化曲面的擬合;右側(cè)則為導(dǎo)入CATIAVS后的處理步驟圖1汽車(chē)零部件的逆向參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程3、汽車(chē)零部件參數(shù)化逆向設(shè)計(jì)方法示例以某輕型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋罩的逆向三維設(shè)計(jì)為例,利用激光掃描儀進(jìn)行逆向掃描,利用Geomagic Studio 12進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理和簡(jiǎn)單曲面擬合,然后在CATIA VS中完成零件設(shè)計(jì)的過(guò)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(duì)點(diǎn)云進(jìn)行快速識(shí)別和擬合根據(jù)逆向掃描的點(diǎn)云進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),需要在Geomagic Studi中經(jīng)過(guò)前處理(多邊形階段)參數(shù)化曲面導(dǎo)入CATIA VS,以及在C

5、ATIA VS中生成參數(shù)化實(shí)體模型等幾個(gè)階段3.1逆向掃描用三維激光掃描儀對(duì)該輕型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋罩進(jìn)行逆向掃描掃描前,應(yīng)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(yīng)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(chēng)噴粉);并在曲面平緩的地方無(wú)規(guī)律的貼上參考點(diǎn)(貼Marke:點(diǎn),也稱(chēng)貼點(diǎn)),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(diǎn)工作的氣缸蓋罩實(shí)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(diǎn)為貼上去的Marker點(diǎn)圖2某輕型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋罩實(shí)物激光掃描的過(guò)程中,應(yīng)盡量使掃描儀器始終垂直于掃描表面,并保持

6、適當(dāng)?shù)膾呙杷俣?從而保證所得點(diǎn)云的質(zhì)量點(diǎn)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(diǎn)云對(duì)比如圖3所示(點(diǎn)云己經(jīng)在Geomagic Studio中轉(zhuǎn)換為多邊形對(duì)象)從圖3中可見(jiàn),下圖的掃描質(zhì)量較差,很多特征無(wú)法識(shí)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(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)圖3掃描質(zhì)量對(duì)比3. 2點(diǎn)云的前期處理掃描所得點(diǎn)云包含有諸多的噪音點(diǎn),以及因?yàn)槁呋蛘咂渌蚨a(chǎn)生的孔洞,需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行裁剪和修理在Geomagic Studio中打開(kāi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件,將自動(dòng)生成多邊形對(duì)象,后續(xù)對(duì)點(diǎn)云的各種操作都是通過(guò)對(duì)多邊形的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的在“多邊形”的R

7、ibbon頁(yè)下,提供了多種處理工具,例如使用“刪除”和“簡(jiǎn)化創(chuàng)建流形,“裁剪”等刪除噪音點(diǎn),使用“松弛,“刪除丁狀物,鎮(zhèn)充單個(gè)孔”等進(jìn)行修補(bǔ),其中最為便捷的是“網(wǎng)格醫(yī)生”的修補(bǔ)功能,它將各種修補(bǔ)功能集中在一個(gè)界面下,以批處理的方式自動(dòng)完成大部分的修補(bǔ)工作2. 3參數(shù)化曲面的建立在“參數(shù)曲面”的Ribbon頁(yè)下,執(zhí)行“參數(shù)曲面”,多邊形對(duì)象將被轉(zhuǎn)換為參數(shù)曲面。接下來(lái)執(zhí)行“探測(cè)區(qū)域”命令,探測(cè)出的區(qū)域如圖4所示,軟件將使用不同顏色標(biāo)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(xiàn)分隔開(kāi)每個(gè)區(qū)域?qū)⒃跀M合時(shí)轉(zhuǎn)換為一塊單獨(dú)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(xiàn)”的命

8、令后,對(duì)區(qū)域的邊界形狀進(jìn)行調(diào)整(包括合并或刪除區(qū)域),編輯輪廓線(xiàn)如圖5所示另外,也可以從“區(qū)域分類(lèi)”中直接指定某區(qū)域的點(diǎn)云將擬合的曲面類(lèi)型,降低誤差,這對(duì)于點(diǎn)云質(zhì)量不高的區(qū)域尤為實(shí)用然后執(zhí)行“擬合曲面”功能,使用鼠標(biāo)劃過(guò)部分或全部區(qū)域,軟件將對(duì)被劃過(guò)的區(qū)域自動(dòng)識(shí)別出相應(yīng)的參數(shù)化曲面通過(guò)使用“擬合連接“分類(lèi)連接”則可生成兩個(gè)參數(shù)曲面之間的過(guò)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(xiàn)分隔開(kāi),鼠標(biāo)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(guò)內(nèi)置智能程序可以快速提取設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)提取掃描曲面旋轉(zhuǎn)曲面和擠壓面的優(yōu)化的輪廓曲線(xiàn)直接轉(zhuǎn)換為三維CAD的參數(shù)化建模由于點(diǎn)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(lèi)型,此時(shí),可以通過(guò)“編輯草圖”“編輯曲面“修復(fù)曲面”等各種功能進(jìn)行調(diào)整修改“修復(fù)曲面”功能的界面如圖7所示圖4探測(cè)出的區(qū)域圖5編輯輪廓線(xiàn)圖6初步擬合的曲面圖7“修復(fù)曲面”功能界面2. 4參數(shù)化曲面導(dǎo)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(yè)面下的“參數(shù)交換”功能,可將曲面導(dǎo)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(shí),需要同時(shí)打開(kāi)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(huì)將曲面信息發(fā)送到CATIA VS中在將曲線(xiàn)和曲面發(fā)送到CATIA VS時(shí),Geomagic Studi提供了“自動(dòng)裁剪和布爾運(yùn)算”“嘗試創(chuàng)建實(shí)體”,以及草圖相關(guān)的各種選項(xiàng),可以根據(jù)點(diǎn)云范圍對(duì)所擬合的曲面進(jìn)行裁剪分割等操作,這將顯著縮減導(dǎo)入CATIA VS后的曲面加工的工作量和時(shí)間消耗2. 5參數(shù)化實(shí)體模型的生成導(dǎo)入CATIA VS的參數(shù)曲面如圖8所示為了便于對(duì)比和參考,可在CATIA VS的DSE中導(dǎo)入點(diǎn)云,在創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)(GSD)和零件設(shè)計(jì)(PDG)中進(jìn)行曲面和實(shí)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(yīng)的參數(shù)化曲面特征,只需要利用加厚封閉實(shí)體等功能轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型即可少部分特征需要手動(dòng)創(chuàng)建,但工作量己經(jīng)大大縮減完成重建后的最終的實(shí)體模型如圖9所示圖8導(dǎo)入CATIA中的參數(shù)化曲面與點(diǎn)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(duì)汽車(chē)零部件的逆向設(shè)計(jì)方法?？梢钥吹剑捎媚嫦蛟O(shè)計(jì)的方法所得到的產(chǎn)品模型，因?yàn)槭怯袑?shí)際的模型參與各