Pro/ENGINEER软件在汽车覆盖件逆向工程中的应用

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1 引言    据有关部门统计，到2005年，我国汽车总需求量约为300万辆，基本车型将达170种，另有更新车型和改装车型430种。对于车型的更新，最主要的工作就是获得原有车型的几何模型（其中大型覆盖件的设计是整个新车型开发的关键），基于逆向技术（三坐标数据扫描）、CAD/CAM技术（曲面构建、模型重建）是目前获取几何模型应用最广的方法。
* J' R* {, r3 W+ C    根据逆向工程中研究对象的不同，逆向工程分为影像逆向、软件逆向、实物逆向等。就实物逆向而言，又包括形状（几何）逆向、功能逆向、材料逆向、工艺逆向，汽车覆盖件的逆向工程属于实物逆向。逆向工程研究内容主要有两个方面，即产品数字化和曲面重构技术，它的两个主要发展领域是自由曲面的逆向工程和表面简单但具有复杂拓扑关系的逆向工程。
    图1为某款汽车的车门零件，图a、b分别为车门的外形和内形表面形状，需获得该零件的几何模型。本文结合逆向技术和CAD/CAM技术，应用三坐标测量机获得零件的点数据，然后在Pro/ENGINEER软件中完成其模型重建。
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a）            b）
图1  某款汽车车门零件外形

    本文有关数据的测量是基于英国LK公司生产的G-90C型三坐标测量机实现的。
4 T  j" r8 Q+ H. k) R0 B2 Pro/ENGINEER软件在逆向工程中的应用
, H9 g3 f1 x1 b2 O+ B6 N    PTC公司开发的产品中，具有逆向功能的有ICEM Surf、Pro/DESIGNER（CDRS）、Pro/SCANTOOLS，其中Pro/SCANTOOLS 是一个完全集成于Pro/ENGINEER 软件中的逆向功能模块。Pro/SCANTOOLS可以接受有序点（测量线），也可以接受点云数据，可以用来构建非A 级的自由曲面，一般应用于电器产品、汽车内饰件、塑料件等行业。在Pro/SCANTOOLS模块中完成点数据的处理后，可以转至Pro/PART模块继续进行三维实体造型。
$ L& N3 Y0 \9 _2.1 零件结构分析
" ^$ |$ x5 R) {; m9 L2 E    在测量前，应该对零件形状结构进行必要的分析，针对零件的形状结构特点，有目的性地对零件进行测量。这样可以用较少的测量点（零件的特征点）即可反映出零件的形状，从而做到“事半功倍”。
: H! A. y+ U0 P6 e  M: R- O    图1所示的汽车覆盖件的外形为一个扫描曲面和一个自由曲面，扫描曲面需要确定扫描曲线和截面曲线，这里扫描曲线为一直线，因此，只需测量零件的截面形状；对于块Ⅱ所示的自由曲面，则可用放样曲面或混成曲面等方式来生成。该零件内形有多处起伏和冲孔，其形状较为规则，只需测量各处的形状尺寸和定位尺寸即可，但需注意各组成部分间具有较高的位置度要求。
2.2 数据采集（产品数字化）
    数据采集是指通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据，数据采集是逆向工程的关键技术之一。目前，数据采集使用的方法很多，常用的有接触式测量法、非接触测量法和工业计算机断层扫描成像法等，G-90C三坐标测量机属于接触式测量法。
0 H. r3 ~+ b1 `5 }0 x0 D% D1 y! q2 r    该汽车覆盖件外形表面由两个曲面经过曲面延伸、曲面过渡、曲面裁剪等混合而成，为了减少测量数据，便于建立零件模型，将两个曲面进行分块测量，每个曲面使用不同的方法完成曲面重构。图2a所示为零件外形块Ⅰ截面所测得的测量点数据，图2b所示为零件外形块Ⅱ曲面所测得的测量点数据。
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a）                                            b）
图2  零件外形测量的特征点

2.3 数据处理
, |9 ]# U8 T  q% A5 g    通过测量设备所得到的点数据一般较多（尤其是应用激光测量设备所测得的数据有时多达几兆甚至几十兆），因此，在对这么多的点数据进行曲面重构前，应对数据进行必要的预处理。数据预处理一般包括数据平滑、数据清理、补齐遗失点、数据分割、数据对齐、零件对称基准面的构建等。
    这里，需要对图2所示的测量数据分成两部分，即用来重构扫描曲面的测量点数据和用来重构自由曲面的测量点数据，每一部分拟合出一块曲面，然后通过曲面编辑方法（如曲面求交、曲面过渡等）将两块曲面合并构成一个完整的曲面。
2.4 模型重建
, E' J! K& {; X$ l, z: z    模型重建是指由测量点还原成实体，目前较为成熟的模型重建技术是通过构建曲面来实现模型重建，因此，构建曲面是模型重建的关键。曲面重构有基于点-样条的曲面重构和基于测量点的曲面重构，这里采用基于点-样条的曲面重构。基于点-样条的曲面重构即为由测量所得的点拟合出曲线，再由这些曲线生成曲面，图3a所示即为通过创建曲面、曲面编辑后所得的完整曲面。图3b、c所示为根据零件内形所测得的数据，应用Pro/ENGINEER软件所得的零件实体模型。
    完成零件的实体造型后，可应用Pro/ENGINEER软件有关模具设计和数控加工的功能，便可快速完成模具设计和零件NC加工。
6 D' Z. E; _8 J1 z. [' d) q5 Q    进行数据测量时的注意事项：
+ v8 G2 u5 ]" ~8 e    （1）当对曲面进行分块测量时，为了保证数据测量的完整性，各块之间需有一定的重叠量，以利于模型重建时数据的融合。
1 I  `7 N' N. B/ z5 T    （2）由于受到三坐标测量仪和零件的限制，外形数据和内形数据的测量无法一次完成。因此，在测量外形数据和内形数据时，需建立一个统一的坐标系，以保证数据的对齐。
0 K* |0 @/ O, S. L+ C+ X; T    （3）在进行数据测量时，应根据零件的结构特点，定制和规划坐标测量时的扫描路径，扫描路径设置的优劣，对零件模型的重建具有较大的影响。
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a）                          b）                         c）
3 w9 \- ?( n: R  s图3  零件外形测量的特征点

3 结束语
& x0 C' K: w; |8 P$ h, z6 Q; ]) l    在汽车覆盖件模具设计制造中，应用基于CAD/CAM的逆向技术，可大大缩短模具设计制造的周期，这也适应汽车行业对产品进行快速更新的需要。目前我国汽车工业尚处在发展阶段，无论是新品设计还是产品仿制，主要是以实物模型为设计与生产的主要依据，从这一角度来说，逆向工程技术对我国汽车工业的发展具有重要的现实意义。