1 引言

　　據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，到2005年，我國汽車總需求量約為300萬輛，基本車型將達170種，另有更新車型和改裝車型430種。對于車型的更新，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)計是整個新車型開發(fā)的關(guān)鍵)，基于逆向技術(shù)(三坐標數(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)逆向工程中研究對象的不同，逆向工程分為影像逆向、軟件逆向、實物逆向等。就實物逆向而言，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物逆向。逆向工程研究內(nèi)容主要有兩個方面，即產(chǎn)品數(shù)字化和曲面重構(gòu)技術(shù)，它的兩個主要發(fā)展領(lǐng)域是自由曲面的逆向工程和表面簡單但具有復雜拓撲關(guān)系的逆向工程。

　　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)用三坐標測量機獲得零件的點數(shù)據(jù)，然后在Pro/ENGINEER軟件中完成其模型重建。

a) b)

圖1 某款汽車車門零件外形

　　本文有關(guān)數(shù)據(jù)的測量是基于英國LK公司生產(chǎn)的G-90C型三坐標測量機實現(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(測量線)，也可以接受點云數(shù)據(jù)，可以用來構(gòu)建非A 級的自由曲面，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模塊中完成點數(shù)據(jù)的處理后，可以轉(zhuǎn)至Pro/PART模塊繼續(xù)進行三維實體造型。

　　2.1 零件結(jié)構(gòu)分析

　　在測量前，應(yīng)該對零件形狀結(jié)構(gòu)進行必要的分析，針對零件的形狀結(jié)構(gòu)特點，有目的性地對零件進行測量。這樣可以用較少的測量點(零件的特征點)即可反映出零件的形狀，從而做到“事半功倍”。

　　圖1所示的汽車覆蓋件的外形為一個掃描曲面和一個自由曲面，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，只需測量零件的截面形狀;對于塊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。

　　2.2 數(shù)據(jù)采集(產(chǎn)品數(shù)字化)

　　數(shù)據(jù)采集是指通過特定的測量設(shè)備和測量方法獲取零件表面離散點的幾何坐標數(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，常用的有接觸式測量法、非接觸測量法和工業(yè)計算機斷層掃描成像法等，G-90C三坐標測量機屬于接觸式測量法。

　　該汽車覆蓋件外形表面由兩個曲面經(jīng)過曲面延伸、曲面過渡、曲面裁剪等混合而成，為了減少測量數(shù)據(jù)，便于建立零件模型，將兩個曲面進行分塊測量，每個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截面所測得的測量點數(shù)據(jù)，圖2b所示為零件外形塊Ⅱ曲面所測得的測量點數(shù)據(jù)。

a) b)

圖2 零件外形測量的特征點

　　2.3 數(shù)據(jù)處理

　　通過測量設(shè)備所得到的點數(shù)據(jù)一般較多(尤其是應(yīng)用激光測量設(shè)備所測得的數(shù)據(jù)有時多達幾兆甚至幾十兆)，因此，在對這么多的點數(shù)據(jù)進行曲面重構(gòu)前，應(yīng)對數(shù)據(jù)進行必要的預處理。數(shù)據(jù)預處理一般包括數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)清理、補齊遺失點、數(shù)據(jù)分割、數(shù)據(jù)對齊、零件對稱基準面的構(gòu)建等。

　　這里，需要對圖2所示的測量數(shù)據(jù)分成兩部分，即用來重構(gòu)掃描曲面的測量點數(shù)據(jù)和用來重構(gòu)自由曲面的測量點數(shù)據(jù)，每一部分擬合出一塊曲面，然后通過曲面編輯方法(如曲面求交、曲面過渡等)將兩塊曲面合并構(gòu)成一個完整的曲面。

　　2.4 模型重建

　　模型重建是指由測量點還原成實體，目前較為成熟的模型重建技術(shù)是通過構(gòu)建曲面來實現(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-樣條的曲面重構(gòu)和基于測量點的曲面重構(gòu)，這里采用基于點-樣條的曲面重構(gòu)。基于點-樣條的曲面重構(gòu)即為由測量所得的點擬合出曲線，再由這些曲線生成曲面，圖3a所示即為通過創(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)形所測得的數(shù)據(jù)，應(yīng)用Pro/ENGINEER軟件所得的零件實體模型。

　　完成零件的實體造型后，可應(yīng)用Pro/ENGINEER軟件有關(guān)模具設(shè)計和數(shù)控加工的功能，便可快速完成模具設(shè)計和零件NC加工。

　　進行數(shù)據(jù)測量時的注意事項：

　　(1)當對曲面進行分塊測量時，為了保證數(shù)據(jù)測量的完整性，各塊之間需有一定的重疊量，以利于模型重建時數(shù)據(jù)的融合。

　　(2)由于受到三坐標測量儀和零件的限制，外形數(shù)據(jù)和內(nèi)形數(shù)據(jù)的測量無法一次完成。因此，在測量外形數(shù)據(jù)和內(nèi)形數(shù)據(jù)時，需建立一個統(tǒng)一的坐標系，以保證數(shù)據(jù)的對齊。

　　(3)在進行數(shù)據(jù)測量時，應(yīng)根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點，定制和規(guī)劃坐標測量時的掃描路徑，掃描路徑設(shè)置的優(yōu)劣，對零件模型的重建具有較大的影響。

a) b) c)

圖3 零件外形測量的特征點

　　3 結(jié)束語

　　在汽車覆蓋件模具設(shè)計制造中，應(yīng)用基于CAD/CAM的逆向技術(shù)，可大大縮短模具設(shè)計制造的周期，這也適應(yīng)汽車行業(yè)對產(chǎn)品進行快速更新的需要。目前我國汽車工業(yè)尚處在發(fā)展階段，無論是新品設(shè)計還是產(chǎn)品仿制，主要是以實物模型為設(shè)計與生產(chǎn)的主要依據(jù)，從這一角度來說，逆向工程技術(shù)對我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。