汽車工業(yè)目前主要是通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，構(gòu)造零、部件CAD模型和模具CAD模型，再通過(guò)數(shù)控加工制造模具，進(jìn)而再進(jìn)行零件生產(chǎn)的設(shè)計(jì)制造流程。但在我國(guó)引進(jìn)、組裝、再引進(jìn)的汽車生產(chǎn)方式中，中方往往缺乏零、部件的CAD模型，使得國(guó)產(chǎn)化開發(fā)的進(jìn)程受到極大制約。該現(xiàn)狀促成逆向工程技術(shù)在我國(guó)汽車制造業(yè)中的發(fā)展。

逆向工程技術(shù)在汽車領(lǐng)域主要應(yīng)用是：1)車身零件制造質(zhì)量檢測(cè)的應(yīng)用；2)復(fù)雜型面的車身設(shè)計(jì)開發(fā)和制造；3)損壞或磨損零件模具、檢具和夾具的還原。

一、逆向工程的軟硬件條件

1. 逆向工程的硬件條件

逆向工程的主要測(cè)量手段有兩種：接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。采用光電法的非接觸式測(cè)量方法的特點(diǎn)是測(cè)量過(guò)程中測(cè)頭不接觸被測(cè)表面，避免了接觸式測(cè)量中測(cè)頭或被測(cè)表面的損傷和測(cè)頭半徑的補(bǔ)償測(cè)量速度快、自動(dòng)化程度高，適用于各種軟、硬材料的各種復(fù)雜曲面模型的三維高速測(cè)量。

本文采用COMET非接觸光學(xué)掃描系統(tǒng)完成汽車零件表面的數(shù)據(jù)采集。

2. 逆向工程的軟件條件

CATIA軟件在造型風(fēng)格、車身等方面具有獨(dú)特的長(zhǎng)處，使用自動(dòng)化的多表面曲率與切矢管理，可幫助用戶快速進(jìn)行風(fēng)格造型和曲面造型。目前，CATIA發(fā)布了第5版本。

目前一些著名汽車制造商如Renault、Toyota、Kar2man、Volvo、Chrysler等已經(jīng)100%的切換為CATIA設(shè)計(jì)，并且被各國(guó)的汽車零、部件供應(yīng)商所認(rèn)可。

CATIA事實(shí)上已成為汽車行業(yè)CAD軟件標(biāo)準(zhǔn)。CATIA的數(shù)字化外形編輯器(Digital Shape Editor，DSE)、快速曲面重建(Quick Surface Reconstruction，QSR)以及創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊(Generative Shape Design，GSD)是強(qiáng)大的逆向開發(fā)工具。它們能完成點(diǎn)云讀入、輸出、編輯以及曲面快速而便捷的重建。本文介紹以CATIAV5的DSE、QSR和GSD模塊為零件逆向開發(fā)的軟件基礎(chǔ)。

二、CATIA在汽車零件逆向開發(fā)中的應(yīng)用

下面結(jié)合某車型的油箱蓋外板逆向開發(fā)，來(lái)說(shuō)明CATIAV5逆向開發(fā)過(guò)程。

1. 零件表面數(shù)字化

零件正確裝夾以后，可用光學(xué)掃描儀對(duì)零件進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量?jī)?nèi)容可包括工件的分型(邊界)線、輪廓線、面、結(jié)構(gòu)等幾何特征，以及用于重定位的定位基準(zhǔn)。由此得到零件表面數(shù)字化的ASCII文件。

2. 點(diǎn)云預(yù)數(shù)據(jù)處理

1) 在CATIAV5的DSE模塊中，通過(guò)Insert|Importcloud導(dǎo)入零件的ASCII文件(如圖1所示)。導(dǎo)入過(guò)程中可以用鼠標(biāo)移動(dòng)6個(gè)綠色的控制點(diǎn)，改變導(dǎo)入點(diǎn)云邊界，過(guò)濾一些無(wú)用的點(diǎn)(即降噪)。

圖1 油箱蓋外板原始點(diǎn)云

2) 選擇Insert | Cloud Edition | Cloud Filter，利用Adaptative選項(xiàng)能將曲面變化小的地方過(guò)濾較多的點(diǎn)，而變化大的地方過(guò)濾較少的點(diǎn)，使特征變得更明顯。本開發(fā)將Adaptative值設(shè)為0.005進(jìn)行第二次降噪(如圖2所示)，該值越大則過(guò)濾掉的點(diǎn)越多。

圖2 降噪去掉多余點(diǎn)后的點(diǎn)云

3) 通過(guò)Insert | Cloud Edition | Remove Point，進(jìn)一刪除掃描過(guò)程中邊界部分的誤點(diǎn)和缺陷點(diǎn)。圖3 點(diǎn)云的鋪面

4) 對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行鋪面處理，它是點(diǎn)云的三角片圖像，主要是為了提高點(diǎn)云的可視性，以便于提高曲面造型的效率。選擇Insert|Mesh|MeshCreation進(jìn)行鋪面。如果有破洞存在(如圖3所示)，不能單純?cè)黾?/SPAN>Neigborhood的值，否則一些不該補(bǔ)的部分也會(huì)被鋪成面可用Insert | Mesh | Fill Holes完成破洞的手動(dòng)修補(bǔ)。

圖3 點(diǎn)云的鋪面

3. 特征線提取

從零件具體結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，先用斑馬線仔細(xì)分點(diǎn)云的鋪面(如圖4所示)，進(jìn)行曲面重構(gòu)之前的合規(guī)劃。劃分曲面塊的主要依據(jù)是零件的棱線以及面的曲率變化。零件一般由多塊曲面構(gòu)成，每塊曲根據(jù)特性可以判斷用什么方式構(gòu)建，是點(diǎn))面(這情況較少)，還是點(diǎn))線)面的方式。CATIAV5Q模塊Insert | Scan Creation | Planar Sections提取部分特線，然后用Insert | ScanCreation | Free Edges得到點(diǎn)云邊界線(如圖5所示)，以便于用GSD模塊完成曲面重構(gòu)。

圖4 點(diǎn)云鋪面的斑馬線             圖5 點(diǎn)云的特種線

對(duì)每一條曲線都要仔細(xì)檢查其連接的連續(xù)性、率的連續(xù)性以及它與點(diǎn)云的誤差。這是構(gòu)建高品曲面的必要保證?？梢酝ㄟ^(guò)Insert | Analysis | Curvatur Analysis、Connect Checker和Distance Analysis來(lái)檢查曲線的質(zhì)量和精度。

4. 曲面重構(gòu)

根據(jù)特征線，利用GSD提供的掃掠(sweep)、混合(blend)等曲面造型功能生成特征面(如圖6所示)，再通過(guò)求交(join)、裁減(trim)、倒圓(fillet)等操作將各曲面片光滑拼接或縫合成整體的復(fù)合曲面，最后通過(guò)Insert | Wireframe | Projection將邊界線投影到復(fù)合曲面上并用剪刀(split)功能完成零件曲面的邊界(如圖7所示)。

圖6 利用特征線生成的特征面         圖7 油箱蓋外板逆向曲面數(shù)模

5. 曲面品質(zhì)評(píng)價(jià)

（1）精度分析

在QSR模塊中，通過(guò)法向距離分析，可分析出點(diǎn)云與零件重構(gòu)曲面的偏差(如圖8所示)，結(jié)果顯示誤差控制在±0.5㎜之內(nèi)。觀察發(fā)現(xiàn)極值點(diǎn)僅出現(xiàn)在開口部，而保證整車裝配精度的型面與翻邊部位誤差都在±0.1㎜內(nèi)?？紤]到開口是因修邊再翻邊的變形，這樣的精度還可滿足要求。

圖8 點(diǎn)云與面曲的偏差

（2）曲面質(zhì)量分析

曲面質(zhì)量對(duì)轎車的外覆蓋件尤其重要，表面上微小的缺陷都會(huì)在噴漆之后引起光的漫反射，從而有損外觀。通過(guò)斑馬線分析功能、曲面斷面線分析功能、幾何連接性分析功能可以分析曲面的質(zhì)量圖9為斑馬線分析的結(jié)果。

圖9 逆向曲面數(shù)模的斑馬線分析結(jié)果

三、逆向開發(fā)中注意的問(wèn)題

1. 誤差問(wèn)題

對(duì)于車身覆蓋件，考慮到在沖壓后的回彈以及拆卸時(shí)的變形，在曲面重建時(shí)應(yīng)從整車裝配工藝出發(fā)在保證曲面質(zhì)量的前提下，要充分考慮零件之間的配合面問(wèn)題，確保間隙和段差在合理公差允許的范圍內(nèi)，并且均勻一致。如果只追求完全忠實(shí)于零件，零件的制造誤差和缺陷會(huì)不斷帶到建模中，從而導(dǎo)致逆向零件裝配的不良。

2. 曲面重構(gòu)問(wèn)題

對(duì)于零件細(xì)小的結(jié)構(gòu)可稍后考慮，先構(gòu)建較大的面。大面可以分塊，面與面之間可以用blend或者QSR模塊中的powerfit方式連接。對(duì)曲率變化較小或者變化均勻的曲面，可將它當(dāng)作一張曲面來(lái)構(gòu)建。對(duì)于曲率變化不是很大的地方，直接由特征線建面(如用拉伸、掃掠和放樣等功能)的精度比用powerfit更高。

四、結(jié)語(yǔ)

基于CATIA的逆向建模技術(shù)已開始應(yīng)用到新產(chǎn)品的開發(fā)、舊零件的還原和產(chǎn)品的檢測(cè)中，它不僅還原實(shí)物原型，而且還能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，制造出新產(chǎn)品。

（轉(zhuǎn)載）