基于逆向工程的汽车车身前翼子板重建技术1.docx

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基于逆向工程的汽车车身前翼子板重建技术1

基于逆向工程的汽车车身前翼子板重建技术

ReconstructionofAutoBodyfrontfenderbasedonreverseengineering

Abstract：

Reverseengineeringisabroadprospectofthehigh-tech,quick,accurateandeasyaccesstodataandthree-dimensionalmodelofphysicalmodelforproductdesignprovidesadvancedproductdevelopment,designandmanufacturingapproach.Inthispaper,thebodyfrontfenders,forexample,usingnon-contactthree-dimensionalbodyscannertoobtainthepointcloudfile,usegeomagic-studiosoftwareforpointcloudsamplingcurvatureandpitch,getthecomputertohandlepointclouddata,thepointscloudfilenoisereductionprocessing,generatingsurface,surfacesmoothingofaseriesoftreatment,accesstoB-levelsurface.

摘要：

逆向工程技术是一项具有广泛应用前景的高新技术，可以迅速、精确、方便地获得实物模型的三维数据及模型，为产品设计提供了先进的产品开发、设计及制造的途径。

本文以车身前翼子板为例，利用非接触式三维扫描仪获得车身的点云文件，利用geomagic-studio软件对点云进行曲率和点距取样，得到计算机能够处理的点云数据，将点云文件进行降噪等处理，生成曲面，对曲面进行光顺等一系列的处理，获得B级曲面。

引言:

逆向工程（ReverseEngineering,RE），也称反求工程、反向工程等。

传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，我们称之为正向工程〔或顺向工程），而产品的逆向工程是根据零件（或原型）生成图样，再制造产品。

它是一种以先进产品设备的实物、样件、软件（包括图样、程序、技术文件等）或影像（图像、照片等）作为研究对象，应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品的技术，是针对消化吸收先进技术采取的一系列分析方法和应用技术的结合。

广义的逆向工程包括形状（几何）逆向、工艺逆向和材料逆向等诸多方面，是一个复杂的系统工程。

实物零件的数字化是通过特定的侧量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据。

只有获得了样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的建模、评价、改进、制造。

因而，如何高效、高精度地实现样件表面的数据采集，一直是逆向工程的主要研究内容之一。

一般说来，三维表面数据采集方法可分为接触式数据采集和非接触式数据采集两大类，接触式有基于力一变形原理的触发式和连续扫描式数据采集和基于磁场、超声波的数据采集等。

而非接触式主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法等。

另外，随着工业CT技术的发展，断层扫描技术也在逆向工程取得了应用。

非接触式激光三角形法由于同时拥有采样精度高和采集速度快的特点，因而在逆向工程中应用最为广泛[1]。

1非接触式激光数据采集方法

非接触式数据采集方法主要运用光学原理采集数据，它分为以下几类测量方法:

1）激光扫描法

利用激光二极管所发出的激光，经过透镜投射样件表面，被样件表面反射或漫射，反射或漫射的激光通过收集透镜聚焦，形成了位置测量器上的小光点。

采样头和模型之间的距离，可以根据反射位置计算出来。

激光扫描法是迄今逆向工程中曲面数据采集运用最广泛的方法。

其主要特点是:

探针不与样件接触，因而能对松软材料的表面进行数据采集，并能很好地测量到变面尖角、凹陷处等复杂轮廓。

数据采集速度很快，可将大型表面在CMM或数控机床上迅速完成数据采集。

所采集的数据是表面上的实际数据，无需测头补偿。

价格较贵，杂散反射，对于垂直臂等表面特征会影响采集精度。

2）距离方法

该方法将一定模式（主要有脉冲波、调幅连续波、调频连续波等工作方式。

）的光照射到被测样件的表面，然后测得反射光的图像，通过对比不同模式之间的差别来获取样件表面的点的位置。

这种方法中最典型的就是ShadowMoiers干涉条纹法其特点是不需要三坐标测量机这样的精密设备，造价低，但精度也较低，操作复杂。

3）结构光法

该方法将一定模式的光照射到被测物体的表面，由反射光的图像，通过比较不同模式间的差别而获取样件表面的点的位置。

最典型的方法为ShdaowMoiers干涉条纹法，其特点是不需要坐标测量机等精密设备，造价比较低，但精度较差，操作复杂。

4）密栅云纹法

分影像云纹法和投影云纹法，其工作原理为，将栅线投影到被测物体表面，栅线在被测物体上被调制，被调制图像与基准栅图像产生干涉，得到反映被测物体形状变化的密栅云纹图像，经图像处理后，得到物体的三维尺寸。

密栅云纹法进行物体外形三维测量，产生等高线云纹，高度变化观察直观，精度较低，影像云纹法由于受基准栅板面积限制，测量面积小。

投影云纹法采用基准栅线投影的方式，测量面较大。

5）投影栅相位法

其工作原理为，将栅线投影到被测物体表面，栅线在被测物体上产生相位变化，对测量栅线图像进行傅立叶解相和相展开，根据相位得到物体的三维尺寸。

其特点为；只需拍摄一幅图像，用傅立叶解相处理。

6）多视图拼接方法

根据被测物体的特征或标志，求出旋转矩阵R和平移矩阵T，进行坐标变换，将不同视图下不同坐标系的测量数据，转换到统一坐标系。

有转台拼接法、标志点拼接法、编码标志点拼接法等。

其原理是对被测物体去除一层，测量一次轮廓，为快速成型的反过程，属破坏性测量。

其特点是测量精度高达

，层间距离最小

，可以对物体内部型腔进行测量，测量速度慢，破坏被测物体。

7）超声波法

该方法采用回声原理计算被测点与参考点的位置。

其优点是量程比磁场法大，对材料的导磁性无限制，但精度较低。

8）图像分析法

与结构光方法的区别在于它不采用投影模板，而是通过匹配确定物体同一点在两幅图像中的位置，由视差计算距离。

由于匹配精度的影响，图像分析法对形状的描述主要是用特征点、边界线与特征描述物体的形状，故较难精确描述复杂曲面的三维形状。

9）工业计算机断层扫描成像法

工业计算机断层扫描成像（indusrtialcomPuertTomograph，简称ICT）是对产品实物经过ICT层析扫描后，获得一系列断面图像切片和数据，这些切片和数据提供了工件截面轮廓及其内部结构的完整信息，不仅可以进行工件的形状、结构和功能分析，还可以提取产品工件的截面，并由工件系列截面数据重建工件的三维几何模型。

ICT的最大优点在于它能测量工件的内部断面的信息，因而适用于任意的形状结构，但其测量精度较低。

10）逐层切削照相测量法

逐层切削照相测量法（layer-cuttingPhotomerology）以极小的厚度去逐层切削实物样件，并对每一断面进行照相，其轮廓测量精度较高，但属于破坏性测量。

与接触式测量方法相比较，非接触式测量方法具有以下特点:

优点:

测量速度快，曲面数据获取容易。

不需要进行测量半径补偿。

无接触力，不会损伤精确表面，可以直接测量软工件、薄工件、不可接触的工件。

缺点:

测量精度较低，无法判定特定的几何特征，价格较高。

易受工件表面的反射特性的影响，如颜色、斜率等。

工件表面的粗糙度和明暗度会影响测量结果。

易受环境光线以及杂乱光线的影响产生噪声，数据处理比较麻烦。

对边线、孔以及不连续形状的处理比较困难。

非接触式采集方法在高速采集数据方面具有显著的优势而且数据采集和数据处理能够进行并行处理，因此越来越受到重视。

其中，光学原理的测量方法在非接触式测量方法中应用最为广泛，基于光学原理的测量设备在逆向工程中的应用最为广泛[2-3]。

本文采用非接触式数据采集方法中的激光扫描法。

2点云的获取与处理

2.1点云的概念

在采集过程中，能对零件表面实现密集的数据采集，在逆向工程中，这种极为密集的测量数据被称为“点云”。

密集、散乱的“点云’数据是逆向工程数据采集的主要特点之一。

点云是在同一空间参考系下表达目标空间分布和目标表面特性的海量点集合。

三维激光扫描仪，其扫描结果直接显示为点云（pointcloud意思为无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果），依据点云能够提取任何你想得到的信息。

通过运用非接触式三维扫描仪，获得了车身前翼子板的点云数据如图1所示。

图1前翼子板点云

2.2点云文件的处理

点云数据处理大致可分为[4-6]:

点数据的坐标定位，数据杂点的删除，数据的噪声滤除、排序、平滑化及筛减，利用特征搜索功能找出曲面的趋势或特征，切割除不需要的点或剖切点数据。

点云通过三角面片化的方法称为多边形面（三角面）。

在处理的过程中要注意几点事项:

1）在建模的初期，应对模型整体的建构有一定的初步规划。

可以在模型上勾勒出曲面与曲面间隔:

也可将模型的一些简单几何要素找出来，作为后续曲面建模与模型基准的参考。

2）必须了解对精度与平滑度之间取舍的允许度。

在允许的精度误差上，舍弃精度取平滑度。

3）必须对后处理的过程有全盘的了解。

由于不同的曲面建构、不同的软件以及后续的加工等，都可能造成不同的结果，所以必须通盘了解，以控制误差的允许度。

4）曲面的建构应尽可能简单。

简单的曲面有利于后续工作的编辑，较容易构建出高质量的平滑曲面模型。

5）在曲面编辑之前，如能利用软件的分析功能，来充分掌握各建构曲线的精度与控制点，则建构出高质量曲面的可能性就较大。

为了计算机处理方便，在起始时设置显示点云数为5﹪。

由于在获取点云的过程中，经过大量的拍摄，造成了点云的重复，因此为了处理方便，首先要对点云进行处理。

图2为经过处理后的点云数据。

图2经过处理后的点云数据

3前翼子板的曲面重建

3.1曲面重建

曲面的重建是逆向工程数据处理过程中最为关键的一步。

目前,逆向工程中主要有三种构造曲面的方法:

第一种是以B-Spline样条曲线或非均匀有理B样条曲线（NURBS曲线）为基础的曲面构造方法；第二种是以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方法,第三种是以多面体方式来描述曲面物体。

采用NURBS曲线构造方法有着突出优点:

它可以精确地表示二次规则曲线曲面,从而能用统一的数学形式表示规则曲面与自由曲面；具有可影响曲线曲面形状的权因子,使形状更宜于控制和实现；NURBS曲面还可以准确表达多块面片连接而成复合曲面；在几个面片之间连接的NURBS曲面可以达到C2连续。

NURBS曲线的这些特性对创建高品质的曲面是非常重要的[7-8]。

重建后的前翼子板模型如图3所示

图3重建后的前翼子板模型

3.2面模型的修正

1.由于在扫描过程中要在扫描车身表面粘贴标志点，所以在获取的点云数据生成的曲面上有大量的孔洞，经过修正得到曲面模型如图4

图4修正后的前翼子板模型

3.3面的构建

在创建片体之前，用户首先需要确定称作轮廓线的实体，它可以由手动指定，也可以由软件根据模型曲率自动侦测。

轮廓线用来指导曲面节片的构成并且允许对节片组成进行轻松的编辑。

使用DetectCurvature命令，可以在模型上根据曲面曲率自动突出轮廓线，ConstructPatches命令在三角面上生成四边的节片，根据具体情况选择适当的数量。

注意应使节片井然有序。

通过加强边线生成uv网格等命令最终形成C1连续的NURBS曲面。

创建完成的曲面如图5所示。

图5获得NURBS曲面的前翼子板模型

4结论

本文以汽车车身前翼子板为例，将逆向工程技术应用于复杂的曲面中，对实物车身前翼子板的侧围的数据进行收集并进行了表面处理。

研究了逆向工程的关键技术及其在实际应用中需要注意的问题。

主要结论如下：

1）在对接触式和非接触式测量方法原理理解的基础上，分析不同测量方法的优缺点，并运用非接触三维扫描仪完成了对车身前翼子板的数据采集工作。

2）通过对点云文件的处理，了解了点数据和曲面间的联系，在对点云的处理中深入的理解了曲面生成的理论。

在对模型处理的过程中，对曲面的光滑、平顺的特征的处理更加理解了获取数据中对精度的要求，以及如何充分反映出设计要求。

3）软件，充分利用GeomagicStudio软件的功能和优势对车身前翼子板的侧围进行模型的创建工作，并对零件的光滑、曲率等特征进行了修正使其达到要求。

通过以上研究，我们可以得出逆向工程技术应用在汽车工业可以提高设计精度，缩短研制周期，方便而准确的获取车身外形数据，从而使企业成本大大降低，产品快速进入市场，获得更大的竞争优势和利益。

参考文献

[1]金涛童水光逆向工程技术[M].北京：

机械工业出版社2003.

[2]刘伟军.逆向工程—原理方法及应用[M].北京：

机械工业出版社2009.

[3]王培俊，高明.虚拟现实和逆向工程技术实验教程[M].成都：

西南交通大学出版社2006.

[4]王霄，刘会霞，梁佳洪.逆向工程技术及其应用[M].化学工业出版社，2004

[5]贾庆全，王宏，张英杰.实物反求工程的关键技术分析[J].机械设计.1999.6:

4-6.

[6]李江雄，柯映林.基于特征的复杂曲面反求建模技术研究[J].机械工程学报.2000.36（5）:

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[7]张学昌.逆向建模技术与产品创新设计[M].北京：

北京大学出版社,2009.

[8]赵斌，张湘伟等.汽车覆盖件逆向工程设计应用[J].机床与液压,2008,6（5）：

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