基于Geomagic、Proengineer的轿车外观钣金件造型设计

林 茂 用

(福建信息职业技术学院， 福州 350003)

基于Geomagic、Proengineer的轿车外观钣金件造型设计

林 茂 用

(福建信息职业技术学院， 福州 350003)

针对轿车外观钣金件正向设计周期长、工作量大、成本高等问题，提出了基于Geomagic、Proengineer逆向工程与正向设计相结合的方法，阐述了逆向工程概念、应用及关键技术,通过实例验证了该方法的合理性，为复杂曲面的造型设计提供借鉴。

Geomagic； Proengineer； 轿车外观钣金件； 造型设计

汽车外部覆盖件造型设计不仅影响其美观，同时还影响其动力性和经济性，是汽车设计的重要组成部分[1-2]。针对某豪华轿车外部覆盖件的特点，提出逆向工程与正向设计相结合的方法，选择非接触式采集数据信息，采用Geomagic进行数据处理，处理的数据导入Proengineer进行设计，获得了预期的设计效果[3-4]。

1 逆向工程的概念

逆向工程是根据现有产品的模型或部分数据，反求出产品设计完整数据的过程。即从一个存在的模型或破旧的原型，通过测量、扫描等采集手段获得原始点云，把点云导入专业软件中进行处理、曲面构成、CAD模型重构等全过程。正向设计是一个从无到有的过程，即根据用户需要，设计出实现产品功能的多种方案，并从中挑选出最佳方案。然后建模设计得到三维数字化模型，最终将这个模型导入到制造系统中，完成产品的整个生产周期[5]。逆向工程流程图如图1所示。

2 逆向工程的应用

逆向工程是现代制造技术研究的热点之一，其应用主要表现在以下几个方面：(1) 形状不规则的复杂零件曲面建模设计，需要运用逆向手段将这些零件模型数字化；(2) 对机械零部件的结构分析，需要通过试验来确定机械零部件的形状；(3) 产品造型设计的美学评价，需要通过计算得到外观的真实模型；(4) 只有一个实物模型，而需要大批量生产时；(5) 出土的文物、高雅的艺术品、医用的关节骨头、个性化的头盔、特种服装等[5]。

图1 逆向工程流程图

3 逆向工程技术

3.1数据采集

数据采集是逆向工程的首要任务，主要分为接触式测量与非接触式测量两大类。三坐标测量是广泛采用的接触式测量，它测量精度较高、适应性强，目前仍是数据采集的手段之一。但其测量效率低，数据需要半径补偿，而且由于测量力的存在，难以测量软质表面或易损表面的物体。非接触式测量有光学测量法、核磁共振测量法、超声波测量法、工业CT测量法、电磁测量法、层析法等。其中，光学测量法比较成熟，应用最广，其具有测量范围大、速度快、效率高、成本低、携带方便、操作方便、测量稳定、受环境因素影响较小等特点。非接触式测量的缺点是测量有一定的局限性，对表面曲率变化较大的物体，测量精度较低[6]。

3.2数据处理

逆向工程的数据处理主要包括数据拼接、噪声去除、数据简化、数据补缺等。

3.2.1 数据拼接

点云拼接是数据处理的最基本方式，不论采用何种测量方式，要获得工件上所有表面的数据，必须进行多视角、全方位的采集。数据处理时需要拼接点云，需要对不同视角测量的数据确定一个合适的坐标变换来拼接；将各段点云集合到一个公共的坐标系下进行拼接；要在工件上贴标记点和编码点作为识别标签，根据每个视角的标签进行拼合。

3.2.2 噪声去除

噪声是在测量过程中由于各种因素引起的环境变化和其他人为因素引起的数据点采集误差。必须对点云进行噪声去除，对于规则的点云采用滤波方法实现；对散乱的点云必须先建立数据点间的邻接关系，避免噪声去除时零件的棱角特征被光滑处理。

3.2.3 数据简化

数据简化要在不影响采集数据完整的情况下，为提高后续数据处理速度而采取的简化方式。尤其是采集很高密度的数据，有大量的冗余数据存在，直接影响后续进程，必须采取有效的方法减少一定数量的冗余点云，对于规则点云可以采取等间距均匀简化、等量简化等方法。

3.2.4 数据补缺

采集数据的完整性直接关系到模型重构的精度，当被测工件本身的几何结构因素或者是受到其他物体的阻挡时，会有部分表面的数据无法测量、采集的数字化模型存在数据缺损的现象，因而需要按照一定的规则进行数据补缺。

4 应用实例

4.1点云的采集

由于轿车外覆盖件比较大，一次扫描无法完成，考虑到汽车覆盖件的对称性，只需采集一半的点云数据，研究采用非接触式三维扫描设备从侧面、前面、背面、顶面测得Porsche-scan-side、Porsche-scan-front、Porsche-scan-back、Porsche-scan-top 4块点云，以提高采集效率。

4.2点云拼接

把采集到的点云导入Geomagic中，它是点云处理最有效、最快捷的逆向工程软件之一,尤其是处理复杂形状点云时，更具有优势。Geomagic可与主要的三维采集设备和主流的三维软件进行集成，能够作为一个独立的应用程序运用于快速制造[7]。

本案例的拼接技巧是，拼接前先着色点云，以便观察点云的形貌，采用手动拼接，在模式栏中选择n点注册、在固定窗口中选择Porsche-scan-back、在浮动窗口中选择Porsche-scan-side，分别在固定窗口与浮动窗口中点击3个以上相同的点云位置，然后点击下一个，用同样的方法拼接Porsche-scan-top、Porsche-scan-front。在拼接过程中要注意拼接顺序，保证拼接的点云具有相同的公共点。手动拼接完成后，点云还没有完全重合，还需要全局拼接，设置拼接公差、最大迭代数及采样大小后，点执行、确定，拼接过程如图2 — 图4所示。

图2 导入原始点云

图3 手动拼接

经过全局拼接后的点云还不是一个整体，需要合并和封装才能组成整体的三角网格的多边形。多边形处理主要包括修补、平滑、填充、联合、偏移、边界、锐化等过程，其中，修补是最重要的一个环节，如图5红色部分是由功能键“网格医生”找到的尖状物三角形，必须进行删除处理。

图4 全局拼接

图5 删除尖状物

曲面阶段主要包括探测轮廓线、构造曲面片和格栅、曲面拟合、偏差分析等，如图6 — 图9所示。

图6 探测轮廓线

实践表明，Geomagic主要处理的是点、线、面，要完成实体设计，需要在专业的三维软件中实现，研究把Geomagic处理后的参数导入Proengineer中，Proengineer软件是美国参数技术公司的三维软件。该软件在目前的三维造型领域中占重要地位。Proengineer作为当今世界机械领域的新标准而得到认可和推广，是当今三维造型三大主流软件之一，其特点为：(1) 全参数化设计；(2) 基于特征建模，模型修改极其方便；(3) 单一数据库，在设计过程中，有任何一处修改，可以快速反应在相关环节上。这种数据结构与工程设计的结合，使设计更轻松，结构优化更合理，产品质量更可靠。本项目利用Proengineer的强大造型设计功能，通过曲面重构、镜像、实体化操作等过程完成项目的设计[8-9]。设计效果如图10 — 图11所示。

图7 构造格栅

图8 曲面拟合

图10 导入的数据

图11 实体化

5 结 语

汽车外部覆盖件的设计在汽车整车研发中具有举足轻重的地位，如何快速、准确、创新汽车造型设计是摆在广大工程技术人员面前的一项重大课题。研究基于Geomagic、Proengineer逆向工程和正向设计相结合、通过汽车外部覆盖件高效设计的实例，验证项目研究的可行性，为各类汽车造型设计积累了经验，为相关复杂曲面的设计提供借鉴。

[1] 蔡兴旺.汽车构造与原理[M].北京：机械工业出版社,2017：276-299.

[2] 曾东建.汽车制造工艺学[M].北京:机械工业出版社,2006：250-346.

[3] RELVAS C，RAMOS A，COMPLETO A，et al. Accuracy Control of Complex Surfaces in Reverse Engineering[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2011，12(6):1035-1042.

[4] 赵斌，张湘伟，成思源，等.汽车覆盖件逆向工程设计应用[J].机床与液压，2008，36(5):272-274.

[5] 陈雪芳,孙春华.逆向工程与快速成型技术应用[M].北京:机械工业出版社,2015:1-20.

[6] 鞠华.逆向工程中自由曲面的数据处理与误差补偿研究[D].杭州：浙江大学，2003：11-30.

[7] 成思源，吴问霆，杨雪荣，等.基于Geomagic的快速曲面重建[J].现代制造工程，2011(1):8-12.

[8] 贾志欣，陈俊华，童森林，等.基于ProE软件的逆向工程技术研究与应用[J].工具技术，2006，40(8)：27-29.

[9] 陈伟,李兴凯,关学强,等.Proengineer wildfire 5.0三维建模及应用[M].北京：中国电力出版社,2012：90-99.

Abstract:The top-down design of sheet metal parts for automobile is difficult and with long cycle and high cost, so combined with reverse engineering and top-down design, the technology based on Geomagic and Proengineer is proposed. The concept of reverse engineering, application and key technology are also discussed, and a rationality of the process is confirmed by an example, which could provide the reference for designs of complex parts.

Keywords:Geomagic; Proengineer; automobile outer covering parts; style design

StudyonDesignofAutomobileOuterCoveringPartsBasedonGeomagicandProengineer

LIN Maoyong

(Fujian Polytechnic Information Technology, Fuzhou 350003, China)

TH122

A

1673-1980(2017)05-0059-04

2017-03-25

2016年福建省中青年教师教育科研项目-职教创新创业研究专项“基于职教创新的豪华轿车快速精准造型设计探索与实践”(JZ160557)；福建省教育厅A类课题“多功能可调式防盗无链条自行车研制”(JA14378)

林茂用(1966 — )，男，教授，研究方向为逆向工程、机械设计与制造。