基于逆向工程的某汽车车身部件的三维CAD数模的建立

1、0引言传统的产品实现通常是从概念设计到图样 , 再制造出产品我们称 之 为 正 向 工 程 , 而 相 对 于 传 统 的 设 计 而 言 “ 逆 向 工 程 ” (Reverse Engineering, RE, 也称反求工程 、 反向工程等 , 指对已有的实物原型或 模型 , 利用 3D 数字化设备如实地测量出其表面的三维坐标点 , 并根据 这些坐标点通过三维几何建模方法来重构原型的 CAD 模型及设计 、 制造产品的过程 。 逆向工程技术在汽车工业的新产品开发中得到了广 泛应用 。 与传统正向工程相比 , 逆向工程具有设计精度高 、 开发设计周 期短 、 易于开展后续有限元分析 、 优化

2、设计以及运动学仿真工作等优 点 。车身部件的逆向设计流程如图 1所示 。图 1车身部件的逆向设计流程此车身部件 (图 2 逆向工程中的关键技术主要包括实物样品模 型表面点云数据获取 、 处理技术和随后的部件件曲面重建技术 。 本文 结合 Geomagic Studio 软件和 Siemens NX 4.0软件 , 介绍了某 汽 车 车 身部件逆向设计的过程与方法 。图 2车身部件实拍图1采用 3DSS 系列三维扫描仪获取点云数据3DSS 系列三维扫描仪采用一种结合结构光技术 、 相位测量技术 、 计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术 , 所以 3DSS 又称为 “ 结 构光三维扫描仪 ”。

3、采用这种测量原理 , 使得对物体进行照相测量成为可能 , 所谓照 相测量 , 就是类似于照相机对视野内的物体进行照相 , 不同的是照相 机摄取的是物体的二维图象 , 而 3DSS 系列三维扫描测量仪获得的是 物体的三维信息 。 测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到 待测物体上 , 成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图象 , 然后对图 象进行解码和相位计算 , 并利用匹配技术 、 三角形测量原理 , 解算出两 个摄像机公共视区内像素点的三维坐标 。扫描过程中需要主意的问题 :1 环境光 :确保室内灯光都关闭 , 采用交流电得到光源都使波动 会影响到测量效果 ;2 表面处理 :物体的表面质

4、量对测量结果影响很大 。 物体较理想 的表面状况为亚光白色 , 通常可以给物体喷上一层白色显像剂 , 不需 要太厚 , 否则会影响到测量的精度 ; 由于此车身部件由玻璃钢材料制 造 , 其表面颜色为亚光白 , 在日光条件下 , 非常容易得到点云 , 因此不 需要喷任何显影剂 ;3 在扫描过程中 , 由于不断任意改变被测物的角度和位置 , 为使 被测物的各部分的相对坐标保持不变 , 应在被测物表面设置足够的参 照点 , 使被测物转至任意方位后 , 系统仍在此位置找到多于三个以上 的参照点 (注意三个参照点不在一条直线上 , 确保测量坐标系准确的 定位 。 如图 3所示 。图 3贴有参照点的部件2

5、采用 Geomagic Studio 对点云数据处理Geomagic Studio 是应用越来越广泛专业逆向工程软件 , 该软件是 目前对点云处理及三维曲面构建功能最强大的商业软件 。 它以先进的 数学模型 、 曲面构建理论为基础 , 能快速地整理曲面点云数据 , 自动 产生网格 , 可建构任意复杂的精确曲面模型 , 创造从原型曲面测量点 云 , 到多边形数据的高品质三维模型产品 。采用 geomagic 软件对点云进行处理步骤 :(1 首先读入前面拼接好的所有测得的点云数据 , 合并点云 , 删去多余点云 ; 重复删除体外孤点 ; 得到如图 4所示点云 ;(2 减少噪声点 :在扫描过程中 ,

6、 由于扫描设备的轻微震动或不精确的扫校准或被扫描物体表面准备处理不好 , 会产生噪声点 。 噪声点的存在将影响工件表面质量 , 必须去除 。(3 进行统一采样 :由于测量数据点云密度很大 , 而利用数据点云进行曲面重构 、 三角网格构造或评价被测曲面的误差 , 不需要过密的数据点 , 特别是在被测曲面的曲率较小时 。 过密的点云不但计算量大 , 而且可 能影响其光顺性 。 因此 , 精简测量数据是数据预处理的重要工作之一 , 可用采样来减少对象中的点数量 , 保持零件的精确性 。(4 封装 :将点封装 , 生成三角面片 , 如图 5所示图 5封装后的模型 (下转第 80页 基于逆向工程的某汽车

7、车身部件的 三维 CAD 数模的建立李晓达 占向辉 徐 杭(吉林大学珠海学院机电工程系 广东 珠海 519041【 摘 要 】 本文介绍了某汽车车身产品逆向开发流程 , 分析了点云数据采集 、 处理 、 曲面重构等工作要点 。 通过结构光三维扫描仪测得点云 数据 , 利用 Geomagic Studio 软件对测量数据进行处理 , 用 Siemens NX4.0软件进行部件表面重构 , 得到部件的三维 CAD 数模 。【 关键词 】 逆向工程 ; 结构光三维扫描仪 ; Geomagic ; NX图 4拼接处理后的点 云数据 (上接第 39页 内外的研究状况进行了概述 , 发现微波反应具有反应

8、时间短 、 副反应少 、 产率高 、 操作方便 、 环境友好等优点 。 我们选择稠合 的含氮杂环化合物的微波合成作为我们的研究目标 , 既可以扩大微波 在有机合成中的应用范围 , 又可以合成一些新的含氮杂环化合物 , 为寻找新的活性物质提供可供筛选的化合物 。 责任编辑 :翟成梁 科 科(上接第 100页 (5 补洞 , 根据需求对多边形进行修改 , 如松弛 、 孔填充 、 创建或修改边界 、 曲线 。(6 找坐标 、 取边界及特征线 , 如图 6所示 。 特征线是产品的外观 流线 , 或者是边界线与装配约束线 , 是曲面模型的 “ 骨架 ”。图 6由轮廓线和边界线构成的模型3利用 Sieme

9、ns NX4.0进行曲面重构通过逆向软 件 Geomagic Studio 等 对 采 集 到 的 数 据 进 行 处 理 后 , 另存成 IGS 或 STEP 格式 , 在 Siemens NX4.0三维软件中进行设计 。首先重构特征线并调整其光顺度 , 应用 “ 通过曲线网格 ” 等命令建 构出决定产品外观的基础大曲面 ; 其次构建曲面的过渡曲面 , 经过适 当的倒圆和裁剪后就完成了曲面模型 。 曲面模型完成后对曲面进行一 次总的质量检查和评估 , 得到最终的 CAD 数模如图 7所示 。4结束语本文介绍了采用 3DSS 系列三维扫描仪获取点云数据 , 由点云数 据生成曲线 、 曲面模型的

10、逆向设计理论和方法 。 利用逆向工程软件Geomagic Studio 处理点云 , 得到特征线及轮廓线 , 再由 Siemens NX4.0重构汽车车身部件的三维曲面模型 。 将逆向设计方法应用于车身部件 设计 , 反求出产品模型可开展后续结果性能分析 、 有限元分析和运动 学仿真等 , 最后对产品作再设计优化与制造 。 【 参考文献 】1李响 , 等 . 逆向工程在工业设计中的应用 . 轻工机械 , 2010年 2月 第 28卷 第 1期 :102-106.作者简介 :李晓达 (1977, 女 , 黑龙江大庆人 , 工学硕士 , 吉林大学珠海学 院教师 , 研究方向为 CAD/CAE/CA

11、M。责任编辑 :汤静 图 7部件的 CAD 数模 科shift_reg=dac_low;end if; elsebit_cnt=bit_cnt+1;end if;3.3软件仿真 (运用 SignalTap II 嵌入逻辑分析仪 嵌入式逻辑分析仪可以随设计文件一并下载于目标芯片中 , 用以 捕捉目标芯片内部 , 设计者感兴趣的信号节点处的信号 , 而又不影响 愿硬件系统的正常工作 。 使用 SignalTap 后 , 系统设计将要占用部分 RAM 。 对本设计完整程序运用 SignalTap 嵌入式逻辑分析仪得到的 仿真波形图如图 2所示 。图 2运用 SignalTap 嵌入式逻辑分析仪得到仿

12、真波形图4硬件调试我们使用的是 Mars-EDA Cyclone PFGA 开发板进行调试 , 用实验板上的 Mars-EDA Cyclone 核心板上的主芯片 EP1C3T144来模拟 SPI 的主器件由它发数据给从器件 ; 将带有 SPI 接口的 TLC5615芯片作为 从器件进行数据的接收 。 在这 , 将一个并行数据发送给主芯片 , 在其内 部进行并串的转化 , 输出给从器件 。 从器件将收到的数据存储移位后 在 DOUT 端输出 , 同时进行数模转化 , 并将转化后的结果在 OUT 端输 出 。 故我们可将 DOUT 端口用作反馈数据的输出送给主器件 。5结论本设计采用 VHDL 语言来设计 SPI 的 IP 核 , 实现了 SPI 的基本 功能 。 从程序设计方面来看 , 主要是将时钟信号与移位控制结合起来 以实现两个 SPI 接口之间的的基本通信的 。 在完成了基本的通信之 后 , 便结合 SPI 接口通信时的状态和模式设计了模式和时钟频率的选 择 。 由于在设计中并没有涉及到如何使用一个 SPI 主器件来控制多个 从器件 , 也没有涉及到数据同步的问题 , 所以还有许多技术问题没有 涉及和解决 。 因此 , 在后续设计中 , 应进一步完善设计 , 以解决更多的