基于逆向工程的汽车车身的设计制造

一、工作原理

反求技术是利用电子仪器去收集物体表面的原始数据,之后再使用软件，计算出采集数据的空间坐标，并得到对应的颜色。扫描仪是对物体作全方位的扫描、然后整理数据、三维造型、格式转换、输出结果。整个操作过程，可以分为四个步骤：

(1)物体数据化：

普遍采用三坐标测量机或激光扫描仪来采集物体表面的空间坐标值。

(2)从采集的数据中分析物体的几何特征：

依据数据的属性，进行分割、再采用几何特征和识别方法来分析物体的设计及加工特征。

(3)物体三维模型重建：

利用CAD软件，把分割后的三维数据作表面模型的拟合，得出实物的三维模型。

(4)检验、修正三维模型。

二、设备、软件、书籍资料

1、Geomagic Studio

由美国Raindrop (雨滴)公司出品的逆向工程和三维检测软件Geom

Geomagic Studio软件的使用

agic Studio 可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS 曲面。该软件也是除了Imageware 以外应用最为广泛的逆向工程软件。

Geomagic Studio主要包括Qualify、Shape、Wrap、Decimate、Capture 五个模块。主要功能包括：

自动将点云数据转换为多边形(Polygons)

快速减少多边形数目(Decimate)

把多边形转换为NURBS 曲面

曲面分析(公差分析等)

输出与CAD/CAM/CAE 匹配的文件格式(IGS、STL、DXF等)

1.从CAD数模得到的产品模型

2.将CAD模型读入Geomagic Studio

3.CAD 设计模型与从实际模型扫描所得的点云数据(不同坐标系)

4.扫描数据与CAD模型的自动对合

5.扫描数据与CAD模型的自动对齐

6.误差以彩色图形直观显示

7.用户可标出任意点误差

8. Qualify 的结果可以输出为HTML 格式

2、Surfacer——逆向工程工具和class 1 曲面生成工具

3、UG逆向工程

介绍了在逆向工程中如何用UG做逆向设计。一般是先输入测得的数据点云，根据数据点连线，然后构建曲面。最后又介绍了把片体构造为实体的过程和方法。

一、释义

传统的产品设计一般都是“从无到有”的过程，设计人员首先构思产品的外形、性能以及大致的技术参数等，再利用CAD建立产品的三维数字化模型，最终将模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期，这样的过程可称为“正向设计”。而逆向工程则是一个“从有到无”的过程，就是根据已有的产品模型，反向推出产品的设计数据，包括设计图纸和数字模型。

逆向工程的专业软件有Surfacer、ICEM、CopyCAD和RapidForm等，这些软件非常适合处理大量扫描的点云数据。例如，对一个小车的外型进行激光扫描，大约可以得到30万个测量点，通过专业的Surfacer软件建构而得到数字模型，达到了预期的效果。同时，我们也对UG在逆向工程中的应用进行了探索，在过程中得到了一些经验，下面详细介绍如下。

二、数据点的输入

用UG软件做逆向工程，使用的测量设备大多都是接触式手动三坐标划线机，主要针对剖面、轮廓和特征线进行测量，测量的数据点不是很多，UG处理起来也比较容易。

但是本文的车模型用激光扫描测到的数据点多达30万个，这么多的数据点输入UG是很困难的，因此我们在Surfacer软件里对点云数据进行了除噪、稀疏等预处理。而为了准确地保持原来的特征点和轮廓点，我们大体构造了轮廓线和特征线，和点云数据一起导入UG中，如图1所示。

图1 输入数据

三、通过点构造曲线

1.在连线过程中，一般是先连特征线点，后连剖面点。在连线前应有合理的规划，根据此车的形状和特征确定如何分面，以便确定哪些点应该连接，并对以后的构面方法做到心中有数，连线的误差一般控制在0.4mm以下。

2.常用到的是直线、圆弧和样条线（spline），其中最常用的是样条线。一般选用“through point” 方式，阶次最好为3阶，因为阶次越高，柔软性越差，即变形困难，且后续处理速度慢，数据交换困难。

3.因测量时有误差以及模型外表面不光滑等原因，连成的样条线不光顺时还需要进行调整，否则构造出的曲面也不光滑。调整时常用的一种方法是Edit Spline，一般常用Edit pole选项，包括移动、添加控制点以及控制极点沿某个方向移动，方便对样条进行编辑，此外，曲线的断开（divide）、桥接（bridge）和光顺曲线（Smooth spline）也经常用到。

总之，在生成面之前需要做大量的调线工作，调线时可以使用曲率梳对其进行分析，以保证曲线的质量，如图2所示。

图2 构造的曲线

四、构造曲面

因为车身要求有流畅的外形、光顺的外表面，因此在构造曲面的时候，要分成若干曲面进行，尤其要保证面和面之间能够相切连续或曲率连续，这样才能形成一个没有接痕的曲面。另外，构造曲面时，还要根据具体情况选择合适的构造方法。

1.构造曲面的方法

(1)最常用的构造方法是Though Curve Mesh，不仅可以保证曲面边界曲率的连续性，还可以控制四周边界曲率（相切），而Though curves只能保证两边曲率。

(2)使用较多的还有nxn命令，可以动态显示正在创建的曲面，还可以随时增、减定义曲线串，而曲面也将随之改变。同样，还可以保持与相邻面的G0、G1以及G2连续。

(3)在构造曲面时，经常会遇到三边曲面和五边曲面。一般做条曲线，把三边曲面转化为四边曲面，或将边界线延伸，把五边曲面转化成四边曲面，用以重构曲面。其中，在曲面上，做样条线（curve on surface）和修剪（trim）是常用到的两个命令，如图3所示。