复杂曲面零件的逆向重构与实际模型误差的研究论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：逆向工程又称逆向设计，是现代产品设计理论与方法的重要组成部分，是正向设计的扩展和补充，目前被广泛应用于汽车零部件、航空航天、模具、医疗等领域。为保证逆向重构数据的准确性，以复杂曲面零件来研究逆向重构的模型与实际模型的误差。提出了逆向重构与实际模型误差检测的方法，对零件使用扫描仪进行数据采集，Geomagic软件进行点云处理，UG软件进行逆向重构，最后将逆向重构完成的三维模型和采集的点云数据进行比较，分析逆向重构的模型是否合格，对于零件的关键部位，采用实际测量和虚拟测量相结合的方法，分析逆向重构的模型与实际模型的误差，评估逆向重构完成的模型精度，结果发现满足要求，验证了逆向重构与误差检测方法的正确性。采用逆向工程工作方式可以高效地完成零件的模型，大大地降低了产品开发成本，同时也为其他产品的设计与制造提出新的设计思路。

　　关键词：逆向工程；汽车车灯罩；数据采集；误差检测

　　Research on Reverse Reconstruction of Complex Surface Parts and Actual Model Error

　　Liang Tuzhen1，Lu Chusheng2，Xie Li1，Yi Xianqin3

　　（1.Guangzhou Electromechanical Technician College,Guangzhou 510435,China;2.Guangzhou Public Utility Technician College,

　　Guangzhou 510080,China;3.Guangdong Polytechnic of Light Industry,Guangzhou 510300,China）

　　Abstract:Reverse engineering,also known as reverse design,is an important part of modern product design theory and method,as well as an extension and supplement of forward design.It is widely used in automotive parts,aerospace,mold,medical and other fields.In order to ensure the accuracy of reverse reconstruction data,the error between the reverse reconstructed model and the actual model is studied with complex surface parts.A method of reverse reconstruction and the error detection of the actual model is proposed.The scanner is used for data collection of the part,the Geomagic software is used for point cloud processing,and the UG software is used for reverse reconstruction.Finally,the three-dimensional model completed by reverse reconstruction is compared with the collected point cloud data to analyze whether the reverse reconstructed model is qualified.The error between the reverse reconstructed model and the actual model is analyzed by combining actual measurement with virtual measurement,and the accuracy of the completed reverse reconstructed model is evaluated.The results show that the reverse reconstructed model meets the requirements,and the correctness of the reverse reconstructed and error detection method is verified.Using reverse engineering can efficiently complete the model of parts,greatly reduce the cost of product development,but also put forward a new design idea for the design and manufacture of other products.

　　Key words:reverse engineering;car lamp shade;data acquisition;error detection

　　0引言

　　正向设计是一个从无到有的一个过程，传统的产品开发就是设计工程师根据客户的要求，先想出产品的模型，然后通过手绘草图，使用软件把手绘的草图建模出来，输出加工图纸、三维模型，最终将这个模型转入到制造流程中，完成产品的整个设计制造的过程[1]。而逆向设计是与正向设计过程相对应的一门新型学科，跨学科、跨专业的综合性工程，它是在没有零件加工图纸和三维模型的情况下，对已有的零件进行数据采集，将得到的零件三维点云数据，经过CAD、CAE等软件进行数据处理，重新构建零件的数学模型，并且生成数控程序，由数控机床重新加工出零件的过程。目前逆向设计把手持式激光扫描仪、坐标测量机、CAD/CAM/CAE软件、CNC机床、3D打印技术结合在一起，已经成为产品研发和生产的一个高效途径。随着各个领域高科技技术的发展，逆向工程是一种对产品再创新、改良和研发的快捷手段，已经被广泛应用于汽车零部件、航空航天、模具、医疗等领域，近几年逆向工程在汽车行业研究特别广泛，但都是对已有产品进行数据采集、点云处理、曲面重构的过程，对一些高精度要求的零件，特别是涉及装配位置的孔径、宽度等部位没有进行误差检测分析。钟振龙、俞丕珠[2]提出逆向工程在汽车车灯设计中的应用，但逆向完成后的模型没有进行误差检测；刘赛[3]对汽车转向节进行了逆向重构与误差检测应用技术研究，但在曲面重构的时候采用Geomagic软件直接生成曲面，这样圆角、孔、大曲面等位置的特征是变形的，而且曲面是不光顺的，这种方法只适合一些精度和曲面要求不高的情况下，对涉及有装配精度要求高的零件，这种方法是达不到要求的；马辉、杨晶[4]提出逆向工程的曲面壳体类零件的设计与应用研究，在精度检测的时候没有全面进行分析，只通过一个偏差图和几个点偏差进行分析，特别是装配位置孔径、宽度等关键部位，因为在数据采集的时候，激光无法采集到的数据或者采集不完整的情况下，这样逆向建模出来的数据是存在着很大的误差，如果没有对这些关键部位进行误差检测分析，这样也是无法检验你所逆向重构的模型是否达到要求。

　　本文以汽车车灯罩为例，提出了逆向重构与实际模型误差检测的方法，对汽车车灯罩使用扫描仪进行数据采集，Geomagic软件进行点云处理，UG软件进行逆向重构，最后将逆向重构完成的三维模型和采集的点云数据进行比较，分析逆向重构的模型是否合格，对于汽车车灯罩的关键部位，采用实际测量和虚拟测量相结合的方法，分析逆向重构的模型与实际模型的误差，评估逆向重构完成的模型精度，结果发现满足要求，验证了逆向重构与误差检测方法的正确性。因此对汽车车灯罩进行逆向工程研究，对其他产品的研发起到指导作用。汽车车灯罩的工作流程如图1所示。

 

　　1数据采集

　　数据采集是逆向重构的首要环节，数据采集主要分接触式和非接触式两种采集方法[5]。接触式数据采集是通过传感器测量设备与零件接触来记录零件表面的坐标位置，包括触发式、连续扫描式，设备如坐标测量机、关节臂。非接触式数据采集是基于光学原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为零件表面的坐标点，用非接触式采集零件表面数据的时候，设备不与零件直接接触，而是通过光学的原理进行三维数据采集，设备如手持式激光扫描仪、拍照式三维扫描仪[6]。本次汽车车灯罩的数据采集所使用的设备是BYSCAN350手持式激光扫描仪，如图2所示。该扫描仪一共有7束激光线，6束平行激光线以及1束可以单独工作的激光线，可以切换使用，一束激光线扫描深孔有优势，扫描仪重量轻，扫描使用的时候直接握在手上即可。使用手持式激光扫描仪扫描汽车车灯罩主要优点有被扫描物体可以移动，无需固定，外部环境对扫描精度影响小，即使是阳光直射也能正常工作，多条线激光状态可以实现快速扫描，单条线激光可以实现死角和深孔优化扫描。需要数据采集的汽车车灯罩如图3所示。

 

　　由于汽车车灯罩是透明的，扫描前先喷反差增强剂，目的是为了方便数据采集，然后贴标记点，贴标记点的时候要均匀且无规律地粘贴在车灯罩表面上，必要的时候可以借助辅助夹具，将标记点贴在夹具上面，容易扫描。做完前期的准备工作后，打开设备配套的软件Scan Viewer，然后进行扫描参数设置，扫描参数设置是数据采集中非常重要的一个环节，其中扫描解析度就是影响扫描质量的一个关键参数，扫描解析度越小，扫描细节越清晰，数据量也越大。由于车灯罩面比较光滑，结构简单，零件体积适中，所以将扫描解析度设置为0.3 mm，其他参数选择默认即可，然后开始扫描，扫描的时候扫描仪要保持和车灯罩合适的距离，如果扫描仪与被扫描的车灯罩太近或者太远，直接会影响到扫描数据的质量。

　　2数据处理

　　2.1点云数据处理

　　点云数据处理完成情况直接影响着后续曲面重构的效率及质量，所以点云数据处理是逆向工程中非常重要的一步。Geomagic Wrap软件是目前逆向工程应用的主流软件，将汽车车灯罩的点云数据导入在软件中，点云数据存在部分噪点、离散点、偏离点等，这些数据会影响产品三维数据的质量，因而需要将这些不在物体表面的则需去除掉[7]，先通过去除体外孤点、减少噪声、统一采样、删除等操作，进行一步处理汽车车灯罩点数据，然后选择封装指令，将汽车车灯罩点云数据封装为多边形模型[8]。然后将汽车车灯罩坐标对齐，方便后续建模。如图4所示，汽车车灯罩点云数据处理完成保存为STL格式。

　　2.2曲面重构

　　实物的三维模型重构是逆向工程过程中最关键、最为复杂的一个环节，直接影响到后续的加工、CAE分析、创新设计等，所以需要对重构的模型要准确还原原来零件的特征。汽车车灯罩曲面重构使用的是UG软件，它是应用最广泛的计算机辅助设计、分析、制造软件之一。车灯罩曲面重构采用是NURBS曲面为基础的曲面构造方法，它能够在一个系统中严格地以统一的数学模型定义产品的几何形状，使得系统精简，并可采用统一的数据库，易于数据管理[9]，在1991年国际标准化组织（ISO）颁布的工业产品数据交换标准STEP中，已将NURBS作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法[10]。将处理完成的汽车车灯罩STL数据导入到UG软件中，根据车灯罩的结构特点，然后使用UG软件中直线、拉伸、扫掠、X型等命令构建车灯罩曲面，创建曲面的时候除了要对曲面进行误差检测外，还需要对重构的曲面进行截面分析，检查曲面是否光顺，如图5所示，截面分析。通过截面分析，如果面的曲率不好，虽然误差在合格范围内，那也不行，使用X型命令进行调整曲面，直到曲率顺畅，而且重构的曲面也在误差范围内，这样才合格。

 

　　车灯罩的曲面重构完成后，接着进行修剪曲面，然后使用UG软件中的缝合功能将曲面模型进行缝合[11]，最后进行倒圆角等操作。如图6所示，完成汽车车灯罩的曲面重构，保存为.STEP格式。

 

　　3汽车车灯罩模型误差检测

　　3.1整体检测分析

　　由于汽车车灯罩逆向重构的过程是根据采集数据用UG软件进行建模的，每个车灯罩的特征不可避免地存在着误差，所以需要把逆向重构完成的汽车车灯罩进行检测，检测的方法就是UG建模完成的数据和采集完成的数据进行比对分析，通过比对分析来检查精度是否在误差范围内，如果精度没有在误差范围内的，继续对模型进行重构或者修改，直到满足精度要求。本次使用的软件是Geomagic Control X，它是业界内较为强大的三维检测软件，使用非常广泛。

　　首先将UG逆向重构好的汽车车灯罩三维模型和扫描的数据导入到Geomagic Control X软件中，然后把扫描的数据设置为测试数据，汽车车灯罩三维模型设置为参考数据，接着就是需要把两个数据的坐标进行对齐之后再分析，对齐的方法有初始对齐、最佳拟合对齐、基准对齐、3-2-1对齐等，由于汽车车灯罩都是曲面特征，所以这里采用的对齐方法是先快速初始对齐，然后再使用最佳拟合对齐，然后进行3D比较，偏差设置为±0.1 mm，发现平均误差0.062 1 mm，95.9053%在公差内，4.0947%超出公差，整体误差不大，满足精度要求。所以使用三维软件UG进行逆向建模，Geomagic Control X软件进行精度分析，完成的数据更加准确[12]。汽车车灯罩误差分析如图7所示。

　　3.2关键部位检测分析

　　零件中对于要求较高的位置，一般采用接触式测量方法，设备有坐标测量机、关节臂等。坐标测量机是一种高精密测量仪器，被广泛用于航空航天、汽车制造、轨道交通、模具等领域，应用于产品设计、制造、检测的全过程。它是一种大型、高精密的接触式测量仪器，测量准确、效率高、通用性好[13]，可以对复杂形状零件的空间尺寸、角度、位置以及形位公差等要求进行测量，测量数据不受零件表面的光照、颜色及曲率的影响，在测量中稳定性好，对盲区（如深孔）测量具有一定优势，3D扫描对一些关键位置的定位精度不高，为了保证逆向重构的质量，可以结合坐标测量机的高精度测量验证[14-15]。本次汽车车灯罩关键部位检测使用的坐标测量机是海克斯康GLOBAL S 07.10.07，该坐标测量机测量精度高，具有精密的三角梁，整体式的燕尾导轨，全铝的框架，敞开式的测量空间，远置的电机和独特的光栅系统充分保证了测量机运行的稳定性和系统分辨率；该坐标测量机支持触发式测头、接触式扫描测头以及非接触激光与光学测头，从而实现了从规则几何形状的零件到复杂形状零件的测量、评价与分析[16]。

　　测量前要先擦拭坐标测量机导轨、测针、汽车车灯罩等，然后根据测量位置，装夹好汽车车灯罩，装夹时要注意考虑为了减少测量误差，能用一个测头测量角度完成测量的就用一个测头角度测量，本次汽车车灯罩装夹用A0B0测头角度即可完成测量，接着校正测针，然后测量建立好零件坐标系。利用坐标测量机高精度测量的特性，开始测量关键部位的尺寸[17]。如图8所示，在坐标测量机上检测汽车车灯罩关键部位尺寸。检测完汽车车灯罩关键部位尺寸后输出检测报告，如图9所示。将逆向重构完成的数模在UG软件中测量出来，如图10所示，汽车车灯罩关键部位虚拟测量。

 

　　根据坐标测量机检测的报告，需要对检测数据进行分析，如表1。通过表中汽车车灯罩关键部位理论值和实际测量值比较，可知最大误差值0.017 mm，最小误差值0.000 mm，相对误差最大为0.71%，相对误差最小为0.00%，满足要求。

 

　　4结束语

　　本文以汽车车灯罩为例，详细阐述了汽车车灯罩数据采集的方法，并根据数据采集的点云数据使用Geo⁃magic Wrap软件进行处理，输出STL格式的数据，再使用主流UG软件对处理完成的点云数据进行曲面重构，曲面重构过程中进行截面分析，保证车灯罩上每个曲面重构的质量。对完成曲面重构的数据，使用Geomagic Control X软件将采集数据和完成曲面重构的数据进行误差分析，分析整体曲面重构的重合程度，对于汽车车灯罩的关键部位，采用高精度坐标测量机对汽车车灯罩实物进行测量，使用UG软件对逆向重构完成的模型进行测量，分析逆向重构完成的模型与实际模型的误差，通过测量值比较分析，最终得出曲面重构完成的数据满足精度要求，验证了逆向重构与误差检测方法的正确性。实现了汽车车灯罩的数字化设计验证，大大地降低了产品开发成本，为汽车类零件及其他产品的开发提供参考。

参考文献：

　　[1]梁土珍.基于逆向工程技术的汽车门拉手创新设计[J].现代制造技术与装备,2019(9):19-20.

　　[2]钟振龙,俞丕珠.基于逆向工程在汽车车灯设计中的应用[J].模具技术,2010(3):43-47,53.

　　[3]刘赛.汽车转向节逆向重构与误差检测应用技术研究[J].制造业自动化,2017,39(9):75-78,110.

　　[4]马辉,杨晶,王媛.基于逆向工程的曲面壳体类零件的设计与应用研究[J].太原学院学报(自然科学版),2021,39(2):30-34.

　　[5]丁倩岚.无人机螺旋桨气动性能实验与数值模拟仿真研究[D].天津:天津大学,2015.

　　[6]侯斌斌.汽车发动机进气歧管逆向设计及快速成型关键技术研究[D].郑州:河南农业大学,2019.

　　[7]郑进辉,许冠,毛卫东,等.基于Geomaic Design X软件的逆向工程研究[J].机电工程技术,2021,50(11):91-95.

　　[8]梁土珍.逆向工程与3D打印技术在文物保护中的应用[J].机电工程技术,2022,51(9):197-200.

　　[9]袁锋.基于NURBS曲面重构的汽车轮毂帽逆向设计[J].机械工程师,2005(12):122-123.

　　[10]卜俊,唐刚,郑伟.基于CATIA逆向工程的SUV后围保险杠曲面造型设计[J].制造业自动化,2018,40(3):121-124.

　　[11]郑敏,蔡怡瑶,张美琴.人体下肢骨骼CT数据的重建与步态仿真[J].机械设计与制造,2021(11):220-224.

　　[12]谢黧.易拉罐印刷机用滚筒的逆向建模研究[J].机电工程技术,2021,50(5):40-44.

　　[13]梁土珍,李淑映,陈柏青.基于世界技能大赛数控加工零件的测量方法及不确定度分析[J].计量与测试技术,2021,48(9):113-116.

　　[14]王乔,杨雪荣,成思源,等.基于CMM和光学扫描的集成测量与混合建模[J].制造业自动化,2015,37(7):84-87.

　　[15]李芹,卢涤非,陈桂强.HSS圆锯片锯齿参数自动检测装置及算法研究[J].机电工程,2022,39(1):107-111.

　　[16]李平.基于逆向工程的液压元件设计、检测方法的应用研究[D].青岛:山东科技大学,2010.

　　[17]魏言标,郑磊,薛少兵,等.基于三坐标测量和3D扫描的凸轮逆向建模设计[J].机械设计,2021,38(9):71-74.

关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！

文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/77142.html