基于Geomagic Studio的汽车引擎盖的逆向设计

陈堰芳

（上海电机学院高职学院，上海　200240）



基于Geomagic Studio的汽车引擎盖的逆向设计

陈堰芳

（上海电机学院高职学院，上海200240）

摘要：使用逆向工程软件Geomagic Studio对汽车引擎盖进行逆向设计，对点云数据进行精确的处理以及曲面重构，得到汽车引擎盖的曲面模型，最后将曲面模型进行精度分析，与初始点云数据比较。结果表明：这种设计方式可以比较精确地还原实体的各项特征，能够为汽车引擎盖的后续分析和优化设计提供可靠的曲面模型。

关键词：汽车引擎盖；逆向工程；Geomagic Studio

1　汽车引擎盖及逆向工程技术应用

车身是汽车上四大总成（底盘、车身、发动机、电器设备）之一，而引擎盖作为汽车车身的一个重要组成部分，与汽车众多零部件具有严格的装配关系，因而汽车引擎盖的设计和制造具有十分重要的地位。汽车引擎盖是一个形状复杂的空间薄壁壳体，在设计过程中不仅要运用机械设计知识，而且还要考虑空气动力、人机工程和材料工程等方面的因素，传统的设计方法已经难以满足现代汽车引擎盖的设计要求。

逆向工程（Reverse Engineering）也称反求工程，是近年来迅速发展的一种产品开发设计制造技术，它是指设计人员对现有实物模型进行测量、数据处理及模型重构，最后经过CAD/CAE/CAM系统改进旧产品、创造新产品的过程。这种设计制造技术给设计人员提供了方便快捷的产品开发途径，缩短了产品的设计制造周期，在汽车产品开发中得到广泛的应用。赵毅、王明辉基于Geomagic Studio软件，运用逆向工程技术研究了汽车连杆锻件的NURBS曲面造型；何新毅、张庭芳等依据逆向设计的原理，对保时捷汽车模型车身进行了研究，得到了良好质量的汽车车身CAD模型，完成了逆向工程在车身设计中的应用初步研究；武振锋、谢坤等借助CATIA V5软件，研究了轿车引擎盖的逆向设计过程。本文运用逆向工程技术，对某型号汽车的引擎盖进行扫描获取其表面的点云数据，然后利用Geomagic Studio软件对点云数据进行精确处理和曲面造型，得到了比较可靠的曲面模型，完成了该汽车引擎盖的曲面造型设计。

2　逆向工程

逆向工程是一个从有到无的过程，根据已存在的产品模型或实物，通过各种测量手段、数据处理软件及三维几何建模方法，将原有的实物模型转化为三维数字模型，反向推出产品的设计图纸数据。图1为逆向工程流程。从图1可以看出，在逆向工程设计的过程中，实物模型表面数据的测量、处理、曲面模型重构等三个方面的技术是关键技术。

图1　逆向工程流程

实物模型表面数据测量是逆向工程设计的首要环节，是指通过特定的测量方法和设备，将实物模型表面形状转换成几何空间坐标点，从而得到逆向建模和尺寸评价所需要的数据。测量得到的数据结果一般称为点云。然而测量方法和设备有很多种，每种测量方法和设备都有其各自的优点和缺点。我们需要根据实物模型表面形状的特点来选取合适的测量方法和设备，来进行数据测量，从而给后续的数据处理和曲面重构提供一个精确的质量良好的点云。

实物模型表面测量数据的处理是逆向工程设计的中间环节，是指对测量数据进行剔除错误点、降噪拉回偏离的杂点和噪声点、过滤一部分数据点以节省计算机内存提高处理速度、修补数据漏洞等处理。无论是哪一种测量方法和设备，也无论是哪一位操作者进行数据测量，都会产生错误点、杂点和噪声点，而且最终所需的点云数据的数量、点云之间的距离均有不同要求，因而要对测量数据进行必要的处理。

实物模型的曲面模型重构是逆向工程设计的后续环节，是指从一个已有的物理模型或实物零件产生出相应的CAD模型的过程，即物体离散点的网格化、特征提取、表面分片和曲面生成等操作，是逆向工程设计过程中最关键、最复杂的一个环节，为后续的结构设计、CAE分析和CAM加工制造等应用提供数字模型。

3　汽车引擎盖点云数据处理

在Geomagic Studio软件中导入测量得到的点云数据，查看点云的信息，观察其大致形状。引擎盖点云数据处理过程如下：首先通过选择非连接项/体外孤点命令，手动删除误采集到的意外点和体外孤点。其次通过减少噪音命令，将点移至统计的正确位置以弥补扫描误差，使点的排列更加平滑。然后通过统一采样命令，设置采样间距和曲率，以规定密度来减少平坦曲面上的点数目。图2为降噪过滤后的引擎盖点云。

图2　降噪过滤后的汽车引擎盖的点云图

通过封装命令，将点云网格化，使点对象转换成多边形对象。这时的多边形对象是一个比较完整的点云数据，但存在一些孔洞需要进一步修复。可以先清除孔洞周围的点云数据，再通过填充孔命令，完成孔洞的修补，得到完整的点云数据。然后通过快速光顺/砂纸/松弛命令，可以使三角网格的大小一致而且更平滑。最后通过网格医生命令，修复三角网格内的缺陷，得到一个质量良好的三角网格点云，如图3所示。

图3　汽车引擎盖的三角网格点云图

4　汽车引擎盖曲面模型重构

Geomagic Studio软件中构造曲面模型的方法有两种，即精确曲面和参数化曲面。通过分析汽车引擎盖的形状特征，引擎盖表面是一个不规则的复杂曲面，而参数化曲面方法适合构建规则曲面，因此本文选择精确曲面方法来实现引擎盖的曲面模型重构。

进入精确曲面模块后，首先通过探测轮廓线命令，设置曲率敏感度和分隔符敏感度，来构造引擎盖的轮廓线。然后辅助于编辑轮廓线操作，优化轮廓线效果，使轮廓线的形态更加贴合于引擎盖的实际形状特征，从而以轮廓线为依据，将引擎盖模型进行区域分隔。然后通过轮廓线和边界线构造每个区域的曲面片，并利用移动命令来调整每个区域的曲面片的排列，使所有曲面片的排列在整体上趋于均匀一致。利用松弛命令，使曲面片的轮廓线更加平滑，增加曲面片之间的光顺性。最后通过拟合曲面命令生成一个NURBS曲面，完成汽车引擎盖的曲面模型重构，如图4所示。

图4　汽车引擎盖的曲面模型

通过偏差分析命令，将构造的汽车引擎盖曲面模型与初始点云数据进行比较，得出了如图5所示的拟合曲面偏差分布彩图。

图5　汽车引擎盖曲面模型的偏差分析

从图5可以看出，拟合曲面的偏差很小，最大偏差分别为0.012mm、-0.013mm，分别出现在曲面过渡处和结构特征复杂处，平均偏差分别为0.001mm、-0.003mm，相对于汽车引擎盖整体尺寸来说可以忽略不计。这表明了构造的汽车引擎盖曲面模型与初始点云数据的重合度很高，满足汽车引擎盖曲面重构的精度要求。

5　结语

本文介绍了逆向工程的流程及关键技术，并以某型号汽车的引擎盖为例，利用Geomagic Studio软件对采集的点云数据进行优化处理和曲面模型重构，最后对拟合的曲面模型进行偏差分析。分析结果表明，重构的曲面模型可以完全呈现与实体一致的特征，能够为后续汽车引擎盖的优化设计做准备。这种设计方式能够满足汽车零部件逆向设计的需求，可以为实际汽车车型设计和型号改造提供参考。

The Reverse Design of Automobile Bonnet Based on Geomagic Studio

CHEN Yan-fang
（Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China）

Abstract:The reverse engineering software Geomagic Studio is used in reverse design of automobile bonnet，cloud data is carefully dealt with and surface reconstruction is done to build the surface model of automobile bonnet.Finally，precision analysis of surface model is compared with original data.The result shows that this design can accurately simulate characteristics of the material object and can provide reliable surface model.

Key words:automobile bonnet；reverse engineering；Geomagic Studio

作者简介：陈堰芳（1989-），女，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向：机械设计制造及其自动化。

收稿日期：2015-12-29

中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）01-0061-02