基于逆向工程的汽车后视镜的再设计研究

基于逆向工程的汽车后视镜的再设计研究
通过研究和讨论逆向工程的理论和方法，提出汽车后视镜再设计中需要解决的主要问题。

利用ATOSII三维光学扫描测量系统对汽车后视镜进行了反求测量实验；利用Pro／E 软件进行了实体模型的萤构；用UG进行了关键点的选取，再通过ANSYS对汽车后视镜壳体进行了受力分析，在UG中经过改进，最终得到受力更加合理的三维CAD模型。

逆向工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术，运用逆向工程技术可大幅度缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力，所以推广实施逆向工程技术是我国工业、企业发展的必由之路。

随着计算机图形学、计算机辅助几何设计和高性能计算等相关技术的发展，三维CAD技术已在制造业中被广泛使用，产品的三维CAD模型已成为现代产品开发、制造、改型和使用维护的基础和平台。

逆向工程技术主要应用于新产品的设计研制与开发，对已有产品的剖析和再设计、零件制造精度检测、医学康复研究。

因此，逆向工程的着眼点在于对原有实物进行修改和再设计，制造出新的产品。

结构光的测量技术在商化的光学测量系统中最为流行，ATOSII测量系统是其中非常有代表性的一种，并在工业实践中被广泛使用。

随着产品及技术的交流日益频繁，其生命周期变得越来越短，各部门纷纷采用新技术来满足市场需求，其中在产品设计领域中广泛采用了快速原型制造和逆向工程。

针对产品的外形，研究和探讨一些精确快速的数据获取、数据处理和模型重构及再设计的方法，使得重构模型不但能够满足实际精度要求，而且在受力上更加合理。

1 汽车后视镜再设计需要解决的主要问题
1．1数据采集
利用对物体的三维集合形状进行三维离散数字化处理，ATOSII三维光学扫描测量系统采用的是非接触式测量，不接触待测物体的表面，测量速度快，因而可以相当密集地对产品表面进行测量，形成所谓的“点云”数据。

1．2数据处理
将获得的外形点云数据进行CAD模型重建以前必须进行格式的转化，如转化成STL格式，利用ATOS II系统对经过数据采集设备获得的杂点及噪声进行滤除、平滑、对齐、归并等处理，达到有利于后续的建模工作。

1．3 曲面重构
一般情况下，曲面的重构是依据密集点云恢复曲面形状建立CAD模型的。

在数据分割的
基础上，首先辨明不同的点云数据类型，然后根据不同类型的点云模型选择不同的曲面构建方法。

1．4再设计
利用Pro／E和UG软件系统对实物模型或样件进行重构曲面，利用ANSYS对模型进行气体动力学仿真实验，找到相对更加理想的实物模型，即逆向工程再设计环节。

重建的模型充分体现出较原型的理想性，即把正向设计和反求工程有机结合起来进行优化再设计。

这一结果是达到逆向工程的最终目的的必然要求。

2 汽车后视镜的三维CAD模型的重构和再设计实例
通过ATOSII系统对汽车后视镜壳体进行点云数据的采集，然后综合运用Pro／E、ANSYS 和UG这3种软件的强大功能对汽车后视镜壳体模型进行点云数据处理、再设计和三维CAD 模型重构等。

运用ANSYS软件对汽车后视镜进行有限元分析。

在分析过程中如果模型出现问题也可以返回Pro／E中及时进行修改，在UG中对模型进行改进，并重新生成3D模型。

2．1 利用ATOSII系统进行汽车后视镜壳体模型点云数据的获取
ATOSII系统是一种在逆向工程和工业检测中被广泛使用的光学测量设备，它综合了光学三角化、条纹投影和相位移动等原理对实物样件进行非接触高速测量。

使用ATOSII系统对样件进行光学扫描，在扫描过程中获取样件的表面数据以及根据参考网格对齐从不同视角测量时所获得的多个点云。

使用ATOSII系统测量时，需要用未编码的点作为参考点集，参考点以矩形网格模式按一定的间距均匀放置在样件的表面，使得从任一个视角进行测母时都能保证在视场中至少有3个参考点。

通过筛选和划分得到比较精确的数据点云，使用ATOSII 对汽车后视镜壳体进行扫描得到的数据点云，如图1所示。

图1 汽车后视镜壳体数据点云
2．2 利用Pro／E软件对汽车后视镜壳体模型进行重构
利用Pro／E软件，读取通过ATOSII三维光学扫描仪测量系统对汽车后视镜扫描获取的
数据点云，进行点云数据的处理，编辑成曲线、蒙面，构造出该汽车后视镜壳体的模型。

过程如下：从图1中提取能代表该汽车后视镜壳体的数据点，然后通过Pro／E软件中的Scan Tool模块进行连线得到具有代表性的壳体的轮廓线，利用create→Suface→Advanced→Boundaries创建Boundaries曲面，利用Create→surface→Flat创建Flat平底面，将所创建的曲面和平底面合并曲面，用Protrusion→Use Quilt→Solid将合并完成的曲面转为模型，如图2所示为通过Pro／E建模得到的模型。

图2 通过Pro／E建模得到的模型
2．3 汽车后视镜壳体模型的再设计
ANSYS的几何建模功能相对较强，是集结构、磁?场、流体分析于一体的大型有限元分析软件，具有与Pro／E、AutoCAD等多数CAD软件的数据接口，成功地实现了与Pro／E的数据共享和交换。

ANSYS具有强大的网格划分功能、加载求解能力和后处理能力。

2．3．1 利用ANSYS对汽车后视镜壳体模型进行受力分析
将汽车后视镜壳体模型导入到ANSYS软件中，通过定义各种属性和网格划分转化为有限元模型，结合ANSYS软件的具体功能，选用与该壳体分析相匹配的Quad 4node42单元，并选用Brick 8node45实体单元，其横截面由直线和样条曲线组成，一端固定在汽车上，另一端悬空的自由度，选取具有代表性的截面，通过ANSYS有限元分析显示壳体的模态自由度。

汽车后视镜壳体的材料为一般耐热的工程塑料XC-180，泊松比为u=0.3；弹性模量为E=2 300MPa；密度为P=1.08×103kg／m3。

在分析过程需要经过定义标题和设置参数、定义单元类型、定义材料性质、创建关键点，在UG软件中进行操作，将关键点显示出来，创建关键点后创建关键线，得到关键线后创建横截面，再定义网格密度并进行网格划分等。

图3 受力分析
在分析过程中，将坐标进行简化，受力分析采用如图3所示的形式，得到如图4所示的受力分析结果图，依图中数据分析可知，曲率小的形式的受力分析效果不如曲率大的形式的受力分析效果好，所以最终采用曲率大的截面形式。

(a) 改进前的受力分析结果图
(b) 改进后日可受力分析图
图4 受力分析结果图
2．3．2 使用UG改进模型
确定了截面形式后，在UG中按曲率大的截面形式将各个坐标改进后得到实体模型哺o，如图5所示为改进后的汽车后视镜三维CAD模型。

图5 改进后的汽车后视镜三维CAD模型
3 结束语
(1)通过对CAD模型在产品全生命周期中作用的分析，提出通过逆向工程从逆向获取CAD 模型的必要性。

在逆向工程的实际应用中，可以利用ATOSII三维光学扫描仪测量系统对研究对象进行测量，将结果转化为STL、IGES或DXF等格式，直接导入到通用CAD软件如UG、Pro／E中进行数据处理和模型重构，利用ANSYS对模型进行受力分析。

(2)将理论研究应用于某汽车后视镜壳模型的再设计，利用Pro／E对模型进行了点云数据的处理，利用ANSYS对模型进行受力分析，得出曲率小的截面形式的受力分析效果不如曲率大的截面形式的受力分析效果好，并采用UG软件系统进行了后视镜壳体模型的再设计，最终得到的模型在受力上更加合理。