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汽车逆向设计项目中三维扫描仪的应用

时间:2014-11-18 17:00:08来源:本站浏览次数:4715

一、逆向设计的概念

    逆向工程(ReverseEngineering-RE)是对产品设计过程的一种描述。

    在工程技术人员的一般概念中,产品设计过程是一个从无到有的过程,即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等,然后通过绘制图纸建立产品的三维数字化模型,最终将这个模型转入到制造流程中,完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们称为“正向设计”过程。逆向工程产品设计可以认为是一个“从有到无”的过程。简单地说,逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型,反向推出产品设计数据(包括设计图纸或数字模型)的过程。从这个意义上说,逆向工程在工业设计中的应用已经很久了。早期的船舶工业中常用的船体放样设计就是逆向工程的很好实例。随着计算机技术在制造领域的广泛应用,特别是数字化测量技术的迅猛发展,基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备(如三维扫描仪、三坐标等)获取的物体表面的空间数据,需要利用逆向工程技术建立产品的三维模型,进而利用CAM系统完成产品的制造。因此,逆向工程技术可以认为是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和几何建模技术的总称。逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。

    作为一种新产品开发以及消化、吸收先进技术的重要手段,逆向工程和快速原型技术可以胜任消化外来技术成果的要求。它们的出现改变了传统产品设计开发模式,大大缩短了产品开发的时间周期,提高产品研发的成功率。

    当今,各个行业越来越注重产品的外观设计,以此来吸引顾客,最终在商业上取得成功。这点在消费产品的设计中体现的尤为突出。特别是手机、数码相机、汽车等行业。

二、顺、逆向工程在设计流程中的比较与分析

    逆向工程,顾名思义与顺向工程的设计流程不同,其过程是依靠已经存在的零件或是产品原型的表面所得到的资料来建立3DCAD模型,而不是透过设计图。


图1:两个设计流程的主要差别在于传统的顺向工程是概念设计、产品规范到产品设计图,

而逆向工程则是由测量到的资料来反推得到3DCAD模型。

    如图1所示,其两个设计流程的主要差别在于传统的顺向工程是概念设计、产品规范到产品设计图,而逆向工程则是由测量到的资料来反推得到3DCAD模型。顺向的产品开发程序是设计师依据产品企划时所定的规划与设计构想,绘制草图及效果图,并且依据效果图制作手工模型,或以建构CAD几何模型,最后进行NC或RP(RapidPrototype)的加工程序。然而导入逆向工程设计程序后,设计师仍是依据产品设计企划时所定的规范与设计构想,但效果图或精细描绘则已不是必备的程序了,取而代之的将是直接运用逆向工程对PU泡沫或油土模型进行点资料扫描,并交由CAD系统进行编修与重建,最后进行NC或RP的加工程序,从开发角度看,这个流程中可以明显发现顺、逆向工程的差异如图2所示。

 

图2

    单纯全流程逆向工程会产生以下问题:资料量大、调取数据麻烦、曲面定位(Location)、曲面的连续性控制等。采用混合式设计流程,仅需要对修改部分作局部逆向工程快速重建、从而能缩短整个设计制造的程序。如图3所示。


图3

三、逆向设计的基本流程


图4 汽车设计项目实际流程

    逆向工程是将实物转变为CAD模型的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称,逆向工程是汽车产品开发的新方式。目前基于CAD/CAM系统的三维扫描仪(数字扫描技术)为实物逆向工程提供了有力的支持,在进行数字化扫描、完成实物的3D重建后,通过NC加工就能快速地制造出模具,最终注塑得到所需的产品,通过逆向工程技术,在消化、吸收先进技术的基础上,建立和掌握自己的产品开发设计技术,进行产品的创新设计,是提高汽车设计能力和制造效率的捷径。

    逆向工程的简单过程是:利用三维扫描仪扫描实体模型,将数据导入计算机,利用逆向工程软件处理获取的点云数据,行程曲线、曲面、实体模型,对实体模型进行修正,形成最终的三维模型。相比正向建模,逆向工程建模的速度更快,效率更高。逆向工程队对计算机处理器、内存和显卡的性能有综合要求,特别是要保证实时数据采集和处理,必须配置较高的内存和性能强大的显卡。

1、逆向工程的结构体系

    逆向工程系统主要由三部分组成:产品实物几何外形的数字化、CAD模型重建、产品或模具制造。逆向工程中的关键技术是据采集、数据处理和模型的重建。


逆向工程流程图

(1)数据采集

    数据采集是逆向工程的第一步,其方法的得当直接影响到是否能准确、快速、完整地获取实物的二维、三维几何数据,影响到重构的CAD实体模型的质量,并最终影响产品的质量。


图6 数据采集

(2)数据处理

    对于获取的一系列点数据在进行CAD模型重建前,必须进行格式转换、噪声滤除、平滑、对齐、归并、测头半径补偿和插值补点等处理。


图7 运用CATIA软件进行数据处理

(3)模型重建

    将处理过的测量数据导入CAD系统,依据前面创建的曲线、曲面构建出原型的CAD模型。


图8 重新建模

    简单理解汽车逆向设计流程:拿到实物产品----进行产品公析扫描------三维扫描仪进行扫描输出数据文件STL格式-----Surfacer或Geomagic进数据处理格式为igs------进行Pro/E等三维软件中进行绘图,当今主要流行的三维CAD软件如UG、IMAGEWARE、CATIA、I-DEAS、Pro/Engineer。


 



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