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基于逆向工程的车门外板曲面重构


基于逆向工程的车门外板曲面重构 微软 1101 1101314124 冉煜 随着三维测量技术和 CAD 技术的迸一步发展。以测量技术为基础,曲面重构技术 为支撵的逆向工程技术在汽车、 飞机制造及家电产品的新品开发中得到了广泛的 应用,并成为强有力的开发工具。逆向工程(Reverse Engineering,RE),也称 反求工程、反向工程等,起源于精密测量和质量检验,是设计下游向设计上游反 馈信息的回路。 逆向工程的思想最初来自从油泥模型到产品实物的设计过程。目 前基于实物的逆向工程应用最广的还是在原型产品的基础上进行二次设计和加 工。逆向工程的一般过程为:样件——样件表面数字化——曲面重构——CAD/ CAM 系统——制造系统——产品。逆向工程包括两个主要研究内容:样件表面数 字化,即样件表面数据采集;曲面重构。高效、高精度地实现样件表面的数据采 集, 是逆向工程实现的基础和关键技术之一,是逆向工程最基本最不可以缺少的 步骤。 1 数据测量 数据测量,又称产品表面数字化,通过特定的测量设备和测量方法,将物体 表面的形状转换成离散的几何点坐标数据。 逆向工程中的物体表面三维数据的获 取方法分为接触式和非接触式。 根据测头的不同, 接触式又分为触发式和连续式。 按其原理的不同,非接触式分为光学式和非光学式。光学式包括三角形法、结构 光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法等:非光学式包括 CT 测量法、 MRI 测量法、超声波法和层析法等。 三坐标测量仪是目前被广泛采用的接触式测量系统。 三坐标测量仪是通过测 量头与实物的接触获得其坐标点的数据。 利用三坐标测量仪进行复杂曲面产品测 量时。 通常采用连续扫描方式测量自由曲面,点触发式测量曲面边界及其它规则 部分。其测量原理:将被测物体置于三坐标仪的测量空问。可获得被测物体上各 测点的坐标位置,用这些点的空问坐标值,通过计算求出被测物体的几何尺寸、 形状和位置。 利用三坐标测量仪对轿车车门外板进行单点接触式测量。 首先要对机器测头 进行标定,以及工件的装夹定位,基准设定,进行被测对象的内部与外部边界的 定义。放置三坐标测量仪在适当位置,对所测车门进行测量,测量软件将根据测 头的测量数据,在测量窗口上显示点的三维数据。将扫描的三维数据以 Ascii free, lges, Cgo, Atos 等通用数据格式输出到逆向工程软件中。 进行曲面重构。 利用 CATIA 中的 Digital Shape Editor(数字化外形编辑器)模块的导入点云功 能,以 Iges 的形式输入到 CATIA 软件中,点云图如图 l 所示。 使用三坐标测量仪对曲面轮廓进行测量,应考虑由于接触打滑,导致边界测量测 点不准确。解决办法是内等距地测量边界内测点.构造曲面模型,通过曲面延伸 计算得到边界数据,为避免延伸曲面的自交和重叠,要求:①曲面边界测量点的 布置应与真实边界等距。距离应尽量小一些;②边界测量点的布置应当密一些、

均匀些;③根据具体产品的外形特征采用延伸方式。 2 数据处理 利用三坐标测量仪获取的车门外形数据是不能直接用来进行曲面重构的, 需 要对所测点进行一些必要的处理,为曲面重构过程徽好准备。由于数据量大,不 可能对一个点重复测量, 不可避免地会引入数据误差,尤其是尖锐边和产品边界 附近测量数据时,测量数据中的坏点可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面。 另外,还会由于手动测量的操作误差,如测头接触部位错误使数据失真,要尽量 减少这些数据点。因此,要对测得的数据点进行坏点剔除、数据插补、数据平滑 等处理, 使数据点符合后续曲面造型工作的要求。经过数据处理后的车门外板如 图 2 所示。 3 轮廓特征线提取 特征是具有一定几何形状、 携带产品信息并构成零件的功能要素。根据零件 的构成可以将特征分为形状特征和基准特征,其中形状特征又包括体素特征(立 方体、圆柱、球等)和曲面特征;而基准特征主要有点、线和面。轮廓特征线是 为后续曲面拟合做准备。 建立轮廓特征线之前必须要勾勒特征交线,勾勒特征交 线可采用平面交线(Planar Sections)、点云交线(Create Scans on Clouds)、 网格面边线(Create Free edges)、曲线投影(Project Curve)等方式。对于车门 外板数据,采取点云交线的方式,即用鼠标在点云上选取一系列的点形成交线。 特征交线勾勒完毕以后, 可以用交线曲线的功能将交线转换为空间曲线。转换过 程中可以在移动误差范围内, 将交线上的点平滑排列,利用这些点作为数据点绘 制曲线,也可以在交线上插人数据点,利用这些点作为数据点绘制曲线。提取的 车门外板轮廓特征线见图 3。 4 曲面重构 在逆向工程中. 三维 CAD 模型的重构是利用产品表面的散乱点数据通过插值 或者拟合,构建一近似模型来逼近产品原型。自由曲面建模手段分为两大类:以 三角 Bezier 曲面为基础的曲面构造方法;以 NURBS 曲线、曲面为基础的矩形域 参数曲面拟合方法。其中矩形域参数曲面拟合方法的曲面重构主要有两种方法: 一是先将测量点拟合成曲线, 再通过曲面造型的方式将曲线构建曲面;二是直接 对测量数据拟合,生成曲面(曲面片),最终经过曲面片的过渡、拼接和裁剪等曲 面编辑操作,完成曲面模型的构建。由于 Bezier,B 样条等都被统一到 NURBS 中来,而且 NURBS 不仅能表示自由曲面,还能表示球面等规则曲面,因此成为现 代比较流行的曲面造型方法。 对于车门外板的曲面重构,利用 CATIA 软件中 Quick Surface Reconstruction(快速曲面重建)模块下的 Power Fit(曲面拟合),以及 Generative Shape Design(创成式曲面设计)模块中构建曲面的各种方法,如拉 伸曲面(Extrude Surface)、放样(Loft)、扫掠(Sweep)、桥接曲面(Free Style Blend Surface)、缝合(Fill)等来实现曲面的重建。用建立好的轮廓特征线作为

边界约束条件,设置拟合的曲面与点云之间允许的最大误差值。以及 U,V 两个 方向上所包含的最多的控制顶点数目,即可拟合曲面。对各个曲面片进行等半径 倒圆、变半径倒圆、等厚度偏移、变厚度偏移、桥接、延伸、修剪和拓扑连接。 对生成的曲面片进行曲率检查,确定生成的曲面光滑,无扭曲变形。然后,将生 成的曲面片拟合,生成整个曲面,再将生成的曲面进行整体曲面评价,使曲面符 合光顺准则,以保证曲面的光顺,最终形成完整的曲面模型。 5 结束语 利用三坐标测量仪测得车门外板的点云数据, 经数据处理, 轮廓特征线提取, 进而完成曲面重构。 在逆向工程中曲面重建是最为关键的一步,曲面重建的难点 就在于如何利用现有的逆向软件系统,从点云数据中提取特征样条曲线,将其填 充成光顺的曲面。 研究表明逆向工程应用于车身产品开发过程中,可以大大缩短 开发周期,保证产品质量。


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