Pro/ENGINEER軟件在汽車覆蓋件逆向工程中的應(yīng)用

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1 引言    據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì),，到2005年，我國(guó)汽車總需求量約為300萬(wàn)輛，基本車型將達(dá)170種,，另有更新車型和改裝車型430種,。對(duì)于車型的更新,，最主要的工作就是獲得原有車型的幾何模型（其中大型覆蓋件的設(shè)計(jì)是整個(gè)新車型開發(fā)的關(guān)鍵），基于逆向技術(shù)（三坐標(biāo)數(shù)據(jù)掃描）,、CAD/CAM技術(shù)（曲面構(gòu)建,、模型重建）是目前獲取幾何模型應(yīng)用最廣的方法。
    根據(jù)逆向工程中研究對(duì)象的不同,，逆向工程分為影像逆向、軟件逆向,、實(shí)物逆向等,。就實(shí)物逆向而言，又包括形狀（幾何）逆向,、功能逆向,、材料逆向、工藝逆向,，汽車覆蓋件的逆向工程屬于實(shí)物逆向,。逆向工程研究?jī)?nèi)容主要有兩個(gè)方面，即產(chǎn)品數(shù)字化和曲面重構(gòu)技術(shù),，它的兩個(gè)主要發(fā)展領(lǐng)域是自由曲面的逆向工程和表面簡(jiǎn)單但具有復(fù)雜拓?fù)潢P(guān)系的逆向工程,。
( t: n4 t9 g& G. }    圖1為某款汽車的車門零件，圖a,、b分別為車門的外形和內(nèi)形表面形狀,，需獲得該零件的幾何模型。本文結(jié)合逆向技術(shù)和CAD/CAM技術(shù),，應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)獲得零件的點(diǎn)數(shù)據(jù),，然后在Pro/ENGINEER軟件中完成其模型重建。
4 I+ X1 N, @' _6 R3 r0 w/ U8 d

a）            b）
圖1  某款汽車車門零件外形

    本文有關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量是基于英國(guó)LK公司生產(chǎn)的G-90C型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)現(xiàn)的,。
2 Pro/ENGINEER軟件在逆向工程中的應(yīng)用
    PTC公司開發(fā)的產(chǎn)品中,，具有逆向功能的有ICEM Surf、Pro/DESIGNER（CDRS）,、Pro/SCANTOOLS,，其中Pro/SCANTOOLS 是一個(gè)完全集成于Pro/ENGINEER 軟件中的逆向功能模塊。Pro/SCANTOOLS可以接受有序點(diǎn)（測(cè)量線）,，也可以接受點(diǎn)云數(shù)據(jù),，可以用來(lái)構(gòu)建非A 級(jí)的自由曲面，一般應(yīng)用于電器產(chǎn)品,、汽車內(nèi)飾件,、塑料件等行業(yè)。在Pro/SCANTOOLS模塊中完成點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理后,，可以轉(zhuǎn)至Pro/PART模塊繼續(xù)進(jìn)行三維實(shí)體造型,。
! k* e, g! O& A) F' c* Z- C) @2.1 零件結(jié)構(gòu)分析
4 G7 C' g# G7 T9 a/ |" ]8 g    在測(cè)量前，應(yīng)該對(duì)零件形狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的分析，針對(duì)零件的形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn),，有目的性地對(duì)零件進(jìn)行測(cè)量,。這樣可以用較少的測(cè)量點(diǎn)（零件的特征點(diǎn)）即可反映出零件的形狀，從而做到“事半功倍”,。
% {5 {& n! I- T) d: y    圖1所示的汽車覆蓋件的外形為一個(gè)掃描曲面和一個(gè)自由曲面,，掃描曲面需要確定掃描曲線和截面曲線，這里掃描曲線為一直線,，因此,，只需測(cè)量零件的截面形狀；對(duì)于塊Ⅱ所示的自由曲面,，則可用放樣曲面或混成曲面等方式來(lái)生成,。該零件內(nèi)形有多處起伏和沖孔，其形狀較為規(guī)則,，只需測(cè)量各處的形狀尺寸和定位尺寸即可,，但需注意各組成部分間具有較高的位置度要求。
; B) ]( H& E5 x0 F) k3 ~  R2.2 數(shù)據(jù)采集（產(chǎn)品數(shù)字化）
: _: t0 _3 k$ x/ E' e, ~( j    數(shù)據(jù)采集是指通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲取零件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)采集是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)之一,。目前，數(shù)據(jù)采集使用的方法很多,，常用的有接觸式測(cè)量法,、非接觸測(cè)量法和工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像法等，G-90C三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)屬于接觸式測(cè)量法,。
    該汽車覆蓋件外形表面由兩個(gè)曲面經(jīng)過(guò)曲面延伸,、曲面過(guò)渡、曲面裁剪等混合而成,，為了減少測(cè)量數(shù)據(jù),，便于建立零件模型，將兩個(gè)曲面進(jìn)行分塊測(cè)量,，每個(gè)曲面使用不同的方法完成曲面重構(gòu),。圖2a所示為零件外形塊Ⅰ截面所測(cè)得的測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，圖2b所示為零件外形塊Ⅱ曲面所測(cè)得的測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù),。

a）                                            b）
  Z: w  A3 K) k- \圖2  零件外形測(cè)量的特征點(diǎn)

2.3 數(shù)據(jù)處理
. m  E, f' g. O1 O* U- V    通過(guò)測(cè)量設(shè)備所得到的點(diǎn)數(shù)據(jù)一般較多（尤其是應(yīng)用激光測(cè)量設(shè)備所測(cè)得的數(shù)據(jù)有時(shí)多達(dá)幾兆甚至幾十兆）,，因此，在對(duì)這么多的點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu)前,，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理,。數(shù)據(jù)預(yù)處理一般包括數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)清理,、補(bǔ)齊遺失點(diǎn),、數(shù)據(jù)分割,、數(shù)據(jù)對(duì)齊、零件對(duì)稱基準(zhǔn)面的構(gòu)建等,。
    這里,，需要對(duì)圖2所示的測(cè)量數(shù)據(jù)分成兩部分，即用來(lái)重構(gòu)掃描曲面的測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)和用來(lái)重構(gòu)自由曲面的測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù),，每一部分?jǐn)M合出一塊曲面,，然后通過(guò)曲面編輯方法（如曲面求交、曲面過(guò)渡等）將兩塊曲面合并構(gòu)成一個(gè)完整的曲面,。
2.4 模型重建
1 g/ _! Y; }2 t3 p. V" D    模型重建是指由測(cè)量點(diǎn)還原成實(shí)體,，目前較為成熟的模型重建技術(shù)是通過(guò)構(gòu)建曲面來(lái)實(shí)現(xiàn)模型重建，因此,，構(gòu)建曲面是模型重建的關(guān)鍵。曲面重構(gòu)有基于點(diǎn)-樣條的曲面重構(gòu)和基于測(cè)量點(diǎn)的曲面重構(gòu),，這里采用基于點(diǎn)-樣條的曲面重構(gòu),。基于點(diǎn)-樣條的曲面重構(gòu)即為由測(cè)量所得的點(diǎn)擬合出曲線,，再由這些曲線生成曲面,，圖3a所示即為通過(guò)創(chuàng)建曲面、曲面編輯后所得的完整曲面,。圖3b,、c所示為根據(jù)零件內(nèi)形所測(cè)得的數(shù)據(jù)，應(yīng)用Pro/ENGINEER軟件所得的零件實(shí)體模型,。
    完成零件的實(shí)體造型后,，可應(yīng)用Pro/ENGINEER軟件有關(guān)模具設(shè)計(jì)和數(shù)控加工的功能，便可快速完成模具設(shè)計(jì)和零件NC加工,。
* G6 u! X* P  P" ~6 ^. M6 S9 G    進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)的注意事項(xiàng)：
    （1）當(dāng)對(duì)曲面進(jìn)行分塊測(cè)量時(shí),，為了保證數(shù)據(jù)測(cè)量的完整性，各塊之間需有一定的重疊量,，以利于模型重建時(shí)數(shù)據(jù)的融合,。
    （2）由于受到三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x和零件的限制，外形數(shù)據(jù)和內(nèi)形數(shù)據(jù)的測(cè)量無(wú)法一次完成,。因此,，在測(cè)量外形數(shù)據(jù)和內(nèi)形數(shù)據(jù)時(shí)，需建立一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系,，以保證數(shù)據(jù)的對(duì)齊,。
    （3）在進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),，定制和規(guī)劃坐標(biāo)測(cè)量時(shí)的掃描路徑,，掃描路徑設(shè)置的優(yōu)劣,，對(duì)零件模型的重建具有較大的影響。
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a）                          b）                         c）
圖3  零件外形測(cè)量的特征點(diǎn)

3 結(jié)束語(yǔ)
    在汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)制造中,，應(yīng)用基于CAD/CAM的逆向技術(shù),，可大大縮短模具設(shè)計(jì)制造的周期，這也適應(yīng)汽車行業(yè)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行快速更新的需要,。目前我國(guó)汽車工業(yè)尚處在發(fā)展階段,，無(wú)論是新品設(shè)計(jì)還是產(chǎn)品仿制，主要是以實(shí)物模型為設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的主要依據(jù),，從這一角度來(lái)說(shuō),，逆向工程技術(shù)對(duì)我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。