汽车复杂曲面零件的快速参数化逆向设计分析*

汝春波， 曹 恬

（1.江西科技学院 人工智能学院， 江西 南昌 330098；2.江西省交通高级技工学校， 江西 南昌 330104）

对于车辆来说，其中最主要的零部件之一就是汽车的复杂曲面零件，汽车的复杂曲面零件的品质与汽车的使用寿命息息相关，不仅如此，其品质的好坏还关系着汽车能否正常进行工作。汽车对于复杂曲面零部件的要求是质量要轻、抗腐蚀性强、韧性好，强度能够满足汽车的使用要求。随着汽车行业的兴盛，市场对于汽车复杂曲面零部件的需求也越来越高。汽车中润滑系统中最关键的装置是机油泵，它被广泛应用于各个领域，对于机油泵来说，它的壳体是最关键的组成部分，机油泵的壳体表面的特征非常的复杂，这也意味着它的正向设计周期是非常长的，设计难度也要比逆向设计建模高。采用逆向工程设计以及快速成型技术来设计机油泵壳体这一零部件，与传统的零部件设计是不一样的，使用这两项技术来生产零部件，零部件生产的周期会缩短，生产的效率也会有所提高。最近，国家加大对创新的重视，创新创业战略开始实施，国内外的研究学者加大了对逆向工程这一创新的零部件设计技术的研究。

在国内的一系列研究中，王春香等人利用实体获取点云数据，然后将点云数据进行处理，在这一基础上，对某进口品牌的汽车使用正逆向混合建模技术来快速实现实体的重构[1]。万长东等人通过对某电动车前悬架滑柱结构的逆向设计，在此基础上提出了一项规范化流程，是关于汽车悬架零件的逆向设计，这一流程具有非常强的可实用价值[2]。张晨亮采用三维扫描技术对异形曲面零件的快速逆向参数化建模，然后使用Hypermill软件来完成数控加工程序的编写，利用这一实验来验证逆向设计与五轴加工技术融合的有效性[3]。陈建洲在汽车覆盖件这一基础上提出分析零部件的表面形态的特征以及区域划分，并结合正向建模方法可以实现零部件的快速参数建模[4]。刘赛将汽车转向节作为研究对象，利用汽车转向节来比较三维点云模型和逆向重构模型的重合度，并分析零部件的复杂曲面的重构品质[5]。

在国外的研究中，Beniere在较早的时间提出了一个综合自动化的逆向工程，这一技术主要使用在机械对象离散化初始获得的三维网格[6]。Nabil等人通过在产品开发过程中增加形状获取和处理技术的使用这一方法来强调在设计和制造这一方面中逆向工程和形状重构技术的重要性[7]。Vijaya等人采用了逆向工程技术对曲轴建模并对此进行了优化和分析，同时评价和比较了汽车曲轴的疲劳性能[8]。

以上的一系列研究，已经广泛应用在零部件的逆向设计中，但是将这些方法应用在工程应用中还是存在着许多的不足。对于逆向工程的汽车复杂曲面零部件的研发仍然浅显，因此还是要深入研究将逆向工程技术应用于复杂曲面零部件进行快速设计的这一方法。所以，本篇文章将会对某汽车的机油泵壳体进行研究分析，基于机油泵的结构特点，来对机油泵壳体进行区域的划分以及特征的识别，最后提出关于逆向工程的复杂形面零部件快速逆向设计的方法。

1 汽车机油泵壳体逆向设计方法

转子式机油泵壳体是机油泵中重要的组成部分，机油泵的壳体表面分布着许多的柱状孔和锥形孔，还具有轴承连接处，它们的形状没有规则，结构相对复杂，但是具有典型性。如图1所示为机油泵零部件图。

图1 机油泵壳体

在三维扫描硬件设备上，利用先临Shining3DScanner双目型三维扫描仪采集机油泵壳体三维点云数据。在扫描前，要做好充分准备工作，先要观察壳体表面的结构，同时思考标记点的公共部分扫描后的三维点云数据应该如何更好地进行拼接，同时壳体的表面标记点数量多的那一部分应该放在光栅投影正中心，一切准备就绪以后点击扫描键，同时观察软件的扫描界面是否存在多的杂点，如果发现，应该及时将点删除和修改，处理好了后还应该点击右下方“√”进行保存，以免出现错误；然后，就需要有规律地将壳体进行移动来依次获得三维云数据，对每一张的云数据都要进行细致观察，出现杂点就进行删除和修改，然后保存，如果没有出现杂点就直接进行保存；最后，将全部扫描处理完成后，观察软件界面中三维点云数据模型导出，保存格式一律采取.asc格式，随后采用Geomagic Wrap软件进行点云数据预处理，再利用Geomagic Design X这一软件来进行机油泵壳体曲面重构。

2 壳体的点云数据预处理

利用三维扫描仪Shining3D-Scanner来扫描获取壳体的三维点云数据，再将这些数据导入Geomagic Wrap软件中，然后根据点云模型的规模来选择一个合适的采样比例以及合适的数据单位。本次壳体的点云数据模型设置了100%的采样比率，数据的指定单位是毫米（mm），此外还对壳体的点云数据模型进行了涂色这一步骤，如图2展示的就是步骤都设置完成的汽车零部件转子式机油泵壳体的点云数据。

图2 设置完成的壳体点云数据

2.1 点阶段处理

1） 去除体外孤点。在扫描壳体的时候，因为三维扫描仪器自身以及各方面不可避免的因素，难免出现误差，如环境光线不均匀和显像剂涂局部不均匀等不足，这些不足会导致壳体的点云数据上产生杂点。这时候就需要利用套索功能来尽可能地删除大量的杂点，然后依次点击非连接项和体外孤点，来设置好参数，最后删除。去除体外孤点如图3所示。

图3 去除体外孤点

2） 减少噪声。因为Shining3D-Scanner在扫描和采集数据的时候仪器工作会产生抖动，而减少噪声会让扫描到的物体的表面特征更加细致，在物体表面不太明显的云点就会减少，因此在扫描时，要在软件工具栏那一侧点击“减少噪声”，然后根据零部件自身的条件来设置好参数，同时由于壳体自身的体积比较小，它的表面也属于复杂的曲面，因此在选择“自由曲面形状”中“菱柱形（积极）”，“平滑度水平”滑标到无，“迭代”为2，“偏差限制”为0.1mm和选择“预览”选框的“采样”选项取消。经过这一系列操作后的点云数据模型的表面将会更加平滑，具体的对比如图4所示。

图4 减少噪声前后对比

3） 采样。在不移动任何点的情况下来减少点云数据的数量，这样做可以让点云数据在软件中的处理速度更快，大大提高了点云数据处理的效率。具体操作是在软件界面选择采样中的“统一采样”，在“统一采样”中选“绝对”定义“间距”为0.6mm，最后的结果就如图5中完成统一采样所示。

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图5 采样前后

4） 封装点云数据。在统一采样这一步骤完成以后点击软件工具栏中封装这一功能，然后将噪声设置为无，三角形的数量调整为最大25万，封装这一步骤结束以后就会自动形成多边形的工作栏。

2.2 多边形阶段处理

1） 钉状物的删除。有些物体在扫描之后很容易出现钉状物，这种物体主要出现在物体较小的表面特征中，如果想要删除就可以点击工具栏中“删除钉状物”，随后会出现对话框，然后设置参数平滑级别为最高，最后点击确认就完成了。删除钉状物前后对比如图6所示。

图6 删除钉状物前后对比

2） 孔洞的填充。因为零部件壳体在扫描前需要贴好标记点，同时扫描的角度不够充分也很容易出现孔洞，从而导致扫描获取到的点数存在缺漏，因此需要在软件上选择孔洞填充来对壳体表面的孔洞进行填充。孔洞填充也存在不同的类型，分别为全部填充和单孔填充，同时单孔填充中有曲率、平面、切线、内部孔、边界孔和搭桥6个选项。填充的步骤为先用“填充单个孔”来填充形状较为规范的孔洞，而在处理一些较大的孔洞时为了避免影响云数据的精度，我们需要使用搭桥功能来处理。具体情况如图7所示。在处理完大孔以及一些形状规则的孔洞以后，使用“全部填充”来处理一些小的孔洞。图8展示了孔洞填充时的模型。

图7 搭桥处理

图8 全部填充处理

3） 网格的松弛。在对孔洞进行填充以后，模型的表面有时会出现不够平整的问题，因此还需要对模型进行松弛处理。图9展示了模型在经过松弛处理以后的效果图，在软件上按默认参数，最后点击应用按钮就处理完成了。

图9 松弛前后效果图

4） 特征的去除。如果壳体的表面存在明显的突起或者凹陷，这时候我们可以使用去除特征来帮助解决这类问题。去除特征的步骤具体如下：先在软件中套索工具中选择壳体上不平整的部分然后点击工具栏中的“去除特征”这一步骤就完成了，特征去除后的的效果对比如图10所示。

图10 特征去除前后的效果图

5） 网格医生。叶轮多边形网格存在的各种缺陷可以利用网格医生来进行修复处理，网格医生会根据网格状态自动分析非流形边、自相交、高度折射边、钉状物、小组件、小通道、小孔等特征。网格医生能够自动检测系统有什么需要修改的地方，从而让多边形网格更加精确，具体的步骤为点击网格医生的对话框，然后点击确定就可以完成操作，网格医生处理完成以后就可以以.stl格式保存导出，为接下来的曲面重构做好准备，图11所示为预处理完成好的模型图。

图11 预处理完成的模型图

3 机油泵壳体的逆向建模

壳体的逆向建模是利用逆向软件Geomagic Design X处理操作的。

3.1 壳体的结构特征分析

图12 壳体的结构特征分析

3.2 壳体逆向模型的重构

3.2.1 坐标系的对齐

坐标系的对齐方式分为两种，一是对齐向导，二是手动对齐。对齐向导指的是根据面片模型中的分割领域进行坐标系的对齐，而手动对齐则指的是通过手动的方式来选择合适的点和面来进行坐标系的对齐。手动对齐也分为两种类型，一种是3-2-1，另一种是X-Y-Z。经过专业的分析以后，决定对壳体模型采用手动对齐“3-2-1”这一对齐方式，具体如图13所示。

图13 手动对齐

3.2.2 面片数据的领域划分

预处理完成后的点云数据面片模型还需要进行划分领域，这样操作能够让实体模型更加精准。将数据划分区域也有具体的规定，需要根据点云模型的特征以及曲率来进行划分，自动将面片模型划分成不同的领域，方便以后对不同部分进行提取和使用。虽然，划分模式分为手动划分和自动划分这两种类型，但是在选择划分类型时还是需要根据物体的具体情况来进行划分，经过分析后，决定对壳体的面片模型使用自动划分这一方式，具体操作为将“敏感度”设置为10，然后进行一段时间的等待，领域的划分就结束了，如图14所示。

图14 完成领域划分

3.2.3 壳体各部分的重构

1） 底板部分的重构。需要在壳体的底部创建追加的平面来创建面片的草图，具体情况如图15所示，然后再点击面片草图模型工具栏中的拉伸功能按钮，将它拉伸至对应的位置，具体如图15b所示，最后再在模式工具栏里选择切割这一功能，按要求进行切割，保存符合要求的部分。

图15 壳体底板部分的重构

2） 连接孔的重构。在相应的连接孔处创立一个参考平面，然后创建该连接孔处的面片草图如图16a所示，然后在创建的面片草图模型工具栏的拉伸功能中点击拉伸，然后拉伸到轴孔的底部，最后再点击切割功能来进行切割，具体如图16b所示。

图16 连接孔的重构

3） 中央部分重构。壳体的中央主体的方向与轴孔的竖直的方向是相同的，因此可以在轴孔处建立面片草图来添加参考平面，具体如图17a所示，然后在模型工具栏里找到拉伸功能进行点击，再在中央主体部分上创建与轴孔的面片草图垂直的草图，然后对它周围的表面特征曲面进行领域的划分，随后再利用面片的拟合功能来生成周围的表面特征曲面，最后再使用剪切功能来将合适的部分进行保留。如图17b所示，展示为壳体的主体部分实体模型。

图17 壳体的中央主体部分重构

4） 运用布尔合成进行实体模型的合成。在软件界面找到布尔运算功能，利用这一功能将建立好的各实体模型进行合成，然后对局部实体模型进行细节部分的修改和处理。如图18a所示，展示为最终的壳体模型图。图18b展示的为壳体模型的颜色公差。

图18 实体模型的合成

4 结论

1） 本文建立了含时滞主动悬架离散控制系统的动力学模型，设立了最优的控制器，还进行了实例仿真验证，给研究提供了理论依据。

2） 使用最优控制算法在含时滞的主动悬架离散系统中，能够实现主动悬架振动控制，同时它的响应速度非常快并且动态性能也非常好。

3） 时滞的出现会导致很多的不良后果，会引起主动悬架系统动态性能的恶化，让系统变得不稳定，同时，临界时滞量与悬架系统参数及最优控制目标函数权重有关，所以对于某给定主动悬架，系统时滞量为固定量，就可以利用调整控制器采样时的频率这一方法来改善系统的动态性能以及稳定性，对于改善主动悬架系统性能，这将会提供一个全新的思路。