汽车零部件参数化逆向设计研究

设计创新

Technology Innovation and Application

2018年9期

汽车零部件参数化逆向设计研究*

陈建洲，吴婷

(嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴314001)

摘要：针对传统逆向工程设计无法参数化的问题，利用正逆向相结合的设计思想，对某汽车零部件的参数化逆向设计建模进行 研究。通过点云预处理、区域划分、特征提取、实体重建，有效提取出各部分结构单元的原始特征信息，重构出较高准确的产品参数化实 体模型。研究结果表明，该方法具有进一步参数化的修改能力，能够为后续产品的创新和优化设计提供基础，对于提高汽车零部件新产 品开发的速度和质量具有重要意义。

关键词：逆向工程;参数化；特征提取；汽车零部件中图分类号：U463

文献标志码：A

文章编号=2095-2945(2018)09-0134-03

Abstract: For the problem that the traditional reverse engineering design can not be parameterized, the parametric reverse design modeling of some automobile parts is studied using the idea of combining positive and reverse design. Through point cloud prepro­cessing, region division, feature extraction and entity reconstruction, the original feature information of each part of the structure unit is extracted effectively, and the product parameterized entity model with high accuracy is reconstructed. The results show that the method has the ability of further parameterization modification and can provide the basis for the innovation and optimization design of subsequent products, which is of great significance to improving the speed and quality of the new product development of automobile parts.

Keywords: reverse engineering; parameterization; feature extraction; automotive parts

1概述

随着计算机技术和汽车行业的蓬勃发展，逆向工程技 术在汽车产品开发领域中的应用日趋广泛。逆向工程是根

据已经存在的产品实物模型，通过三维扫描和重构形成产 品数据模型的过程[1]。运用逆向工程可以缩短产品的设计 周期，降低设计成本，提升产品的市场竞争力，拓展设计师 的设计思维，同时可对工艺产品的改良或再开发设计具有 高效的便捷性和操作性[2]。

目前，逆向工程设计流程大部分是将扫描仪获得的零 件点云数据进行曲面拟合，以重建出产品的CAD模型[3-\\这种方法虽然简单快速，但无法进行参数化编辑，对后续 的生产和创新造成很大的不便[6]。将正向设计和逆向设计 有机的结合起来的参数化设计方法是设计研发领域的必 然趋势[\\

2汽车零部件参数化逆向设计

本文以某汽车差速器壳为例，对其参数化的逆向设计 问题展开研究，运用正逆向相结合的设计思想，在Geo­magic Design X 软件平台下实现该零件的参数化逆向建 模。

2.1数据采集和预处理

差速器壳是一种外部形状复杂，内部为厚度均匀的回 转表面零件，因此对此类零件的数据采集只需利用扫描仪 扫描外部表面数据，薄壳厚度可通过测量工具获得，这样 可以减少扫描时间以及点云数据文件的大小。扫描完成

后，通过降噪、网格封装、修补等功能对数据进行优化处 理，最后得到精简的差速器网格模型如图1所示。

图1差速器壳网格模型

2.2区域划分和特征提取

由于扫描后的模型坐标系为设备全局坐标系，远离物 体表面，因此对该模型的表面形态特征进行分析和提取， 方便后续建模。首先对该差速器壳网格模型进行曲率分 析，以将模型表面形态特征进行区域划分，将相同类型的

*基金项目：嘉兴学院大学生科研训练计划(SRT)重点资助项目（编号:SRT2017B015)。

作者筒介：吴婷（1979-)，女，汉，河南洛阳人，博士，副教授，研究方向为数字化设计与制造。

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特征区域进行合并组合，对不同类型的特征区域进行手动 调整，其结果如图2所示。分别将区域1和区域2拟合为 平面，由于这两个平面相互垂直，因此可以基于它们作为 坐标系中的两个坐标面方向；然后，提取区域3回转面的 回转轴作为坐标轴。最后利用这三个特征将模型对齐到世界坐标系万向。

区域3

区域2

图5重构误差分析

差速器壳的内部表面，根据测量得到的薄壳厚度对主 体结构进行抽壳处理。对于零件两侧的平面凸台以及圆弧 状凹面结构，首先截取该位置的截面轮廓，然后利用拉伸 和镜像来获得，如图4(a)所示。差速器壳的所有孔特征，同 样利用拉伸切割功能来实现。对于差速器壳的铸造圆角特

图2区域划分和特征提取

征，利用软件中的“面片估算圆角”测量功能估算圆角区 域的曲率半径，进行参数化倒圆角，其最终结果如图4(b) 所示。

2.4误差分析

为保证重构后的产品CAD模型符合精度要求，需要对 重构后的CAD模型进行误差检测。误差分析主要是从定量 的角度实现对逆向模型的质量检查，即原有模型与逆向模

型之间到底偏离了多少，在实际应用中是否可被接受同。

将重构的差速器壳实体模型与原始点云数

据进行比较，得出如图5所示的误差分布图。可以看出，本研究重构的模型外表面与原始点云 之间的偏差大部分在±0.1mm的公差范围内，设 计精度要求较高。对于偏差较大的区域，其原因 可能是在特征提取以及轮廓拟合过程中存在一 定的误差，因此，可以返回到设计界面对所构建 的特征进行参数化局部调整，直到满足要求为止。

3结束语随着数字化的高速发展，逆向工程不管是 在创新型企业或者非创新型企业都得到了广泛的应用。本文以Geomagic Design X软件为平 台，通过分析某汽车差速器壳的表面形态特征， 有效地提取出各个结构单元的原始形状特征， 重构出较高准确的产品参数化实体模型；并以 原始采集数据为依据，对参数化模型进行了误 差分析。该方法可使工程师更加清楚的了解产 品的原始设计意图，从而对模型的信息掌握更 加明确，结合正向建模思路可以解决一些复杂

区域1

2.3参数化实体结构重建

差速器壳的主体结构为回转体，首先利用过回转轴的 平面截取网格模型来获得初始截面轮廓，并进行轮廓曲线 拟合和参数化修改以及添加约束关系，来勾勒出精确的回

转轮廓，如图3(a)所示。利用该轮廓，在“回转”命令下进行 回转建模重建出差速器壳主体结构，如图3(b)所示。

(a)截面轮廓拟合(b)构建回转实体

图3差速器主体结构重建

(a)抽壳和拉伸切割 （b)打孔和倒圆角

图4差速器壳其他结构重建

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决完机械内在的功能性要求后，自然产生提高机械外部适 应性的要求。如果我们把一台机械看成是一个智能体，尽管 它可能处于智能的不同阶段，但它也总会或最终也由于“心 理”或“生理”的需求而要完成其与周围环境的相互适应的 任务。我们说人类的情感是对客观事物的态度，反映着客观 事物与人的需要之间的关系。人机工程学则是研究人、机械

人人类和周围环境，这些都将是情感表达最直观、最感性的 一面。所以，人机工程学对人工智能的情感设计具有重要的

意义。

从当前人工智能研究现状来看，人工情感设计的内在 形式和外在形式依然还是一个热点，在情感识别与情感表

达方面取得的成果不应仅仅局限在语音、面部、肢体运动等

及其工作环境之间相互作用的学科。人类的情感是以“我” 方面，还应在更广泛的意义上加人人机工程学等学科做更 为主，反映着“我”对客观事物的需求关系;而人机工程学则 深人的研究。毕竟，传统的工程技术造就了一大批和人类生 是从操作者的角度，来调整机器、人类、环境三者之间的关 系。从表面上看，似乎并没有机械的自主参与，但是人机工 程学的任务就是先行代替机械完成其表情、声音、肢体、服 饰、色彩搭配等的适应性设计，有朝一日实现了机械的自主 思维，如同一个失忆的人清醒过来，他就能够迅速的找回自 己。所以。如同传统的科学知识都可以集成、贮存在数据库 中，成为人工智能知识层面上的基本构成一样，人机工程学 也必将是重复这样一个过程。

如果把人工智能个体看作是一个类人智能体，那么最 终他的情感即是“他”对客观事物的一种态度，反映着客观 事物与“他”之间的关系。而人机工程学亦应是研究“他”与 人、周围环境之间相互作用的学科。当“他”意识到自己生活 和工作在人类和周围环境之间，如果“他”要适应人类和周 围环境，“他”就必须学会控制自己、调整自己、改造自己。当 前阶段，人类如同其“形象设计师”，这种控制、调整、改造基 本上是出于人类的一己之需;但从客观上，又不可能不影响 到自己与“他”之间的情感协调。我们规划人工智能体，人工 智能体也同时在规划我们。从目前人机工程学研究情况来 看，主要是人体测量、人体感知与运动输出、显示装置设计、 操纵装置设计、工作台椅与手握工具设计、工作岗位与作业 空间设计、事故分析与安全设计、作业环境的分析与评价。 上述内容基本上由人来主导。如果从“他”的角度来看，即变 成是自己如何去适应人类和周围环境。“我”要了解人类的 构造，“我”的外表(显示装置)要能够得到人类的认可;“我” 的举手抬足(操纵装置、手握工具等)要与人类的生理习惯 相一致;“我”的行止范围要满足人类的心理和生理要求； “我”的存在不能给人类带来危胁和隐患。这些非语言因素 是机械表达情感的表层方式，并帮助类人智能体更好地融

参考文献：

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活密切相关的机械产品，如何让他们以智能化的形式更好

地与人、环境相互适应并和谐发展更具有现实意义。从情感 理解方面的进一步研究看，比较研究人类的情感理解可知， 脱离沟通对象的外在表现形式而纯粹谈论情感理解要困难 得多，利用人类的思维规律去重新认识人机工程学，合理的 规划机械的情感设计，可能会为人工情感理解的研究另辟 蹊径。

从历史上看，不同学科可以并行发展，人工智能的知、 情、意三个方面也是同理，人工情感设计可以与其他两个方 面并行发展，人机工程学也可与人工情感设计的其它手段 协同并进。人类的所有知识来源于认识自我，由认识自我到 认识外部世界，再由外部世界返回到自身，最终达到复制自 己。人类科学知识发展到现在，很多方面都可以归结到人工 智能这个大框架中，我们已经构建的众多学科体系都会在 这个大框架中找到自己的位置。这个过程是不自觉的，但是 在人类认识自身、认识自然的过程中按照认识规律又是必 然的。人机工程学与所有相关学科都将是这个拼图上的一 个拼块，并寻找到自己在智能发展史上的恰当位置。

(上接135页）

模型的创新设计，有效提高产品的开发速度，缩短开发周 期，具有较好的应用价值。参考文献：

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