Pro/ENGINEER軟件在汽車覆蓋件逆向工程中的應用

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1 引言    據有關部門統計，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計是整個新車型開發的關鍵），基于逆向技術（三坐標數據掃描）、CAD/CAM技術（曲面構建、模型重建）是目前獲取幾何模型應用最廣的方法。
    根據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。逆向工程研究內容主要有兩個方面，即產品數字化和曲面重構技術，它的兩個主要發展領域是自由曲面的逆向工程和表面簡單但具有復雜拓撲關系的逆向工程。
* ]; J  e1 {# g7 z( P    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形表面形狀，需獲得該零件的幾何模型。本文結合逆向技術和CAD/CAM技術，應用三坐標測量機獲得零件的點數據，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

    本文有關數據的測量是基于英國LK公司生產的G-90C型三坐標測量機實現的。
/ @  _, W: a# U% i' j2 Pro/ENGINEER軟件在逆向工程中的應用
" _" u# \/ n% l+ Q    PTC公司開發的產品中，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），也可以接受點云數據，可以用來構建非A 級的自由曲面，一般應用于電器產品、汽車內飾件、塑料件等行業。在Pro/SCANTOOLS模塊中完成點數據的處理后，可以轉至Pro/PART模塊繼續進行三維實體造型。
2.1 零件結構分析
    在測量前，應該對零件形狀結構進行必要的分析，針對零件的形狀結構特點，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。該零件內形有多處起伏和沖孔，其形狀較為規則，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 數據采集（產品數字化）
    數據采集是指通過特定的測量設備和測量方法獲取零件表面離散點的幾何坐標數據，數據采集是逆向工程的關鍵技術之一。目前，數據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。
  c' z) b, F  z( A  _2 {    該汽車覆蓋件外形表面由兩個曲面經過曲面延伸、曲面過渡、曲面裁剪等混合而成，為了減少測量數據，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。圖2a所示為零件外形塊Ⅰ截面所測得的測量點數據，圖2b所示為零件外形塊Ⅱ曲面所測得的測量點數據。
  s2 j5 b7 X. e7 r7 k

a）                                            b）
7 w' P5 w& G+ w1 B+ F3 ?圖2  零件外形測量的特征點

2.3 數據處理
8 H2 J# D8 K7 p& e    通過測量設備所得到的點數據一般較多（尤其是應用激光測量設備所測得的數據有時多達幾兆甚至幾十兆），因此，在對這么多的點數據進行曲面重構前，應對數據進行必要的預處理。數據預處理一般包括數據平滑、數據清理、補齊遺失點、數據分割、數據對齊、零件對稱基準面的構建等。
# [  C6 Y+ R' y$ z8 [  V7 `    這里，需要對圖2所示的測量數據分成兩部分，即用來重構掃描曲面的測量點數據和用來重構自由曲面的測量點數據，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）將兩塊曲面合并構成一個完整的曲面。
; Z5 ]% n. O9 H6 m; K2.4 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是通過構建曲面來實現模型重建，因此，構建曲面是模型重建的關鍵。曲面重構有基于點-樣條的曲面重構和基于測量點的曲面重構，這里采用基于點-樣條的曲面重構。基于點-樣條的曲面重構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所示即為通過創建曲面、曲面編輯后所得的完整曲面。圖3b、c所示為根據零件內形所測得的數據，應用Pro/ENGINEER軟件所得的零件實體模型。
3 m- @$ t( O. v9 a( _7 c* w0 F0 t    完成零件的實體造型后，可應用Pro/ENGINEER軟件有關模具設計和數控加工的功能，便可快速完成模具設計和零件NC加工。
    進行數據測量時的注意事項：
% k' J* \. }( e) [6 A    （1）當對曲面進行分塊測量時，為了保證數據測量的完整性，各塊之間需有一定的重疊量，以利于模型重建時數據的融合。
- g6 @6 d4 L1 K7 V    （2）由于受到三坐標測量儀和零件的限制，外形數據和內形數據的測量無法一次完成。因此，在測量外形數據和內形數據時，需建立一個統一的坐標系，以保證數據的對齊。
    （3）在進行數據測量時，應根據零件的結構特點，定制和規劃坐標測量時的掃描路徑，掃描路徑設置的優劣，對零件模型的重建具有較大的影響。

a）                          b）                         c）
  v* U- E, a5 g, }3 Y- q* f圖3  零件外形測量的特征點

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