一、前言

在汽車的整體設(shè)計(jì)中，車身占整車總成本的40%以上，其更新頻度高，技術(shù)進(jìn)步快，是汽車產(chǎn)品商品性的重要標(biāo)志，而車身設(shè)計(jì)是轎車開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著汽車設(shè)計(jì)技術(shù)及手段故不斷發(fā)展:特別是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代工程技術(shù)方法的飛速進(jìn)步，日益成熟的CAD/CAE/CAM一體化產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)在轎車車身設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)月。轎車車身設(shè)計(jì)方法正逐步由傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法向著以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周欺和提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度為目標(biāo)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變。此時(shí)逆向工程技術(shù)能夠快速吸收國(guó)外汽車車身設(shè)計(jì)的先進(jìn)技術(shù)，快速響應(yīng)市場(chǎng)，提高我國(guó)自主設(shè)計(jì)開發(fā)汽車的能力。

二、逆向工程技術(shù)

逆向工程技術(shù)，又稱反求工程技術(shù)，是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法起始于設(shè)計(jì)者的意圖和對(duì)市場(chǎng)的分析，而反求工程技術(shù)是綜合應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的理論方法、生產(chǎn)工程學(xué)、材料學(xué)和有關(guān)專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)地分析研究已存在的產(chǎn)品，進(jìn)而快速開發(fā)制遣皇高附加值、高技術(shù)水平的新產(chǎn)品。通過快速成型技術(shù)應(yīng)用，它可以顯著縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造生產(chǎn)周期，反復(fù)對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行反求再設(shè)計(jì)，直到滿足用戶的切身需求為止。目前，該技術(shù)已廠泛用于家電、汽車、玩具、輕工、醫(yī)療、航空、航天、國(guó)防等行業(yè)，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。而應(yīng)用逆向工程將國(guó)外優(yōu)秀能車身設(shè)計(jì)產(chǎn)品化，將成為快速掌握汽車車身的開發(fā)能力從而形成汽車自主開發(fā)能力的突破口，這具有非常重要的意義。

逆向工程主要通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)采樣，數(shù)據(jù)處理及CAD三維模型的建立，產(chǎn)品功能模擬及再設(shè)計(jì)，后處理等。Pro/ENGINEER軟件應(yīng)用于逆向工程技術(shù)的流程圖如圖1所示。

圖1 應(yīng)用Pro/ENGINEER的逆向工程技術(shù)流程圖

三、ProIENGINEER軟件設(shè)計(jì)車身實(shí)例

1 數(shù)據(jù)采樣

數(shù)據(jù)采樣分為非接觸法和接觸法(觸發(fā)、掃描)。非接觸法中包括光學(xué)法〔三角測(cè)量、測(cè)距、干涉測(cè)量、結(jié)構(gòu)光照、影像分析)、聲學(xué)法、電磁法。目前應(yīng)用最廣的是應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x和激光三角形測(cè)量法。從發(fā)展趨勢(shì)看，工業(yè)CT和逐層切削照相測(cè)量將占反求工程測(cè)量方法主導(dǎo)地位，應(yīng)用范圍也會(huì)逐漸廣泛。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，可以用來測(cè)量特征的空間坐標(biāo)、掃描剖面、測(cè)量分型線以及輪廓線。此設(shè)備獲得點(diǎn)的數(shù)據(jù)量不像激光掃描儀掃描的那么大，適用于Pro/ENGINEER軟件的逆向工程設(shè)計(jì)，且Pro/ENGINEER軟件對(duì)于整合點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三圍立體建模及其后處理具有強(qiáng)大的功能。本文就應(yīng)用pro/ENGINEER軟件處理三坐標(biāo)側(cè)量機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向造型設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行探討。

2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是指在獲得測(cè)量數(shù)據(jù)后，根據(jù)原來物體跳結(jié)構(gòu)，包括物體的邏輯結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)，物體包含哪些標(biāo)準(zhǔn)件，材料構(gòu)成，物體表面顏色分布，各個(gè)部件的幾何尺寸，不同部件之間的裝配方式及不同部件之間的幾何尺寸約束等，也可以指根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)零件模型庫(kù)將整個(gè)測(cè)量點(diǎn)云大致分解為幾個(gè)不同的部分。基于離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維建模過程，實(shí)質(zhì)上就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理過程。其通用手段有數(shù)據(jù)調(diào)整、復(fù)制區(qū)域修剪、數(shù)據(jù)密度修改、數(shù)據(jù)光順、尖角保留等。

Pro/ENGINEER軟件有處理點(diǎn)數(shù)據(jù)的專用模塊Pro/Scantools，通過此模塊可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、修剪、密度修改、優(yōu)化(包括數(shù)據(jù)調(diào)整、數(shù)據(jù)光順和尖角保留)等操作，最后得到很精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。一般通過測(cè)量?jī)x器獲取的點(diǎn)數(shù)據(jù)格式有IGES、DXF和IBL等幾種，Pro/ENGINEER軟件對(duì)這幾種格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都可以識(shí)別和處理。本文采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，處理得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2

3 三維建模

建立模型的好壞取決于曲線、曲面擬合是否光順及曲面連接是否光滑，曲線、曲面的光順特別重要。曲線光順應(yīng)滿足3個(gè)條件曲線二階幾何連續(xù);曲線沒有奇點(diǎn)和多余拐點(diǎn);曲率變化均勻，應(yīng)變能較小。曲線光順可分3步進(jìn)行:尋找壞點(diǎn)，并修改壞點(diǎn)的坐標(biāo)值;粗光順，使曲線上各段的曲率符號(hào)一致，保證滋線單凸或單凹性:精光順，使曲線上各段的曲率變化均勻，滿足光順的要求。滿足曲面光順的條件是構(gòu)成曲面的關(guān)鍵曲線光順;曲面的網(wǎng)格線無多余拐點(diǎn)曲面高斯曲率變化均勻。光順曲面的方法是:先光順曲面的縱向曲線，然后通過新型值點(diǎn)生成橫向樣條茲線并光順，重新生成縱向樣條曲線并光順，直至所有縱向、橫向樣條曲線都滿足光順準(zhǔn)則，最后利用光順的縱向、橫向樣條曲線構(gòu)造出光順曲面。

打開Pro/ENGINEER軟件，通過Datum Point/Off setCsys命令讀入點(diǎn)云數(shù)，在Standard或Scantool模塊下連線。連線時(shí)應(yīng)注意，在變化趨勢(shì)小的地方的點(diǎn)應(yīng)盡量的少，對(duì)于明顯偏離趨勢(shì)的點(diǎn)應(yīng)略去，以免過多的點(diǎn)造成曲線不光順。得到汽車車門的光順曲線網(wǎng)格圖形如圖3所示。

圖3 光順曲線網(wǎng)格圖

完成3D Curve線后，通過Create/Surface/Advanced，利用前面所建立的3D Curve線建立3D光滑曲面。在建面的過程中，需要注意面與面之間的光順，同時(shí)可以利用Analysis分析所建立的曲面的光滑程度和曲面的曲率分布狀況，最后利用Create/Prot rusion/Use Quilt將所建立的曲面生成實(shí)體完成3D建模。建模后可通過Pro/ENGINEER軟件中的View/advanced--iPhotorender進(jìn)行渲染處理，及Analysis-- Model Analysis/Curve Analysis/Surface Analysis的分析方法來檢驗(yàn)所建立的模型、曲線和曲面的合理性與精確度。

4 后處理
利用Pro/ENGINEER軟件進(jìn)行逆向工程設(shè)計(jì)還可以進(jìn)行相應(yīng)的后處理工作。將前面完成的3D CAD Model匯入Pro/ENGINEER軟件的Manufacturing模塊中進(jìn)行Nc加工程序的制作，并利用Pro/ENGINEER軟件生成NC加工的G代碼輸入三軸(或五軸)加工中心加工出產(chǎn)品。在Pro/ENGINEER軟件的Part模塊中利用File/Export--Model--STL導(dǎo)出STL文件，利用快速原型制造系統(tǒng)進(jìn)行快速原型制作。應(yīng)用Pro/ENGINEER軟件的Assembly和Modei模塊進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，生成模具的型芯和型腔，并產(chǎn)生最終的零件和完整的模具來裝配模型。在用快速成形方法制作成品后，利用自動(dòng)檢查設(shè)備〔如激光測(cè)量?jī)x)對(duì)成品進(jìn)行檢查，取得數(shù)據(jù)，再利用Pro,Neri行模塊對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比較，檢查復(fù)雜產(chǎn)品的制造精度。

四、結(jié)論

將來的汽車開發(fā)，是在對(duì)CAS/CAD/CAE/CAM/CAT集成自動(dòng)化技術(shù)研究應(yīng)用的基礎(chǔ)上，向著CIMS方向發(fā)展，同時(shí)采用并行工程、敏捷制造和虛擬企業(yè)等加速汽車產(chǎn)品的開發(fā)。逆向工程正是這樣一項(xiàng)具備開拓性、實(shí)用性和綜合性的技術(shù)，利用Pro/ENGINEER軟件的逆向工程技術(shù)不僅能在汽左車身設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的快速開發(fā)，也可以充分利用已有的設(shè)計(jì)制造成果，充分利用數(shù)字化設(shè)計(jì)制造帶來的極大便利。而且能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)生產(chǎn)和模具設(shè)計(jì)制造的系統(tǒng)集成，使其在整主的開發(fā)中發(fā)揮巨大的作用。