论文部分内容阅读
摘 要：逆向工程是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重构技术和产品制造技术的总称，在各领域有着广泛的应用。以逆向工程在汽车盘式制动器设计中的应用为例，对结构复杂、难以直接建模的复杂零件，利用三维扫描仪获取点云数据、并以装配的思想通过三维建模软件CATIA进行数据处理、曲面拟合、实体重构和虚拟装配，着重论述了曲面拟合中的一些关键步骤并归纳总结出解决方案，为逆向工程在汽车上的应用提供了借鉴和经验。最后在逆向工程建立的基础上，对制动钳体的强度和刚度进行有限元分析，实现CAD/CAE在汽车盘式制动器设计中的应用。
关键词：逆向工程；装配思想；盘式制动器；CATIA；CAD/CAE
中图分类号：U463.5 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）01-0012-04
Abstract： Reverse engineering， commonly used in some field， is the general name of the digital technology， reconstruction technique， manufacturing prowess， which are applied to turning material object into CAD model. Those complex parts with complicated structure which are difficult to model， 3D scanner is used to obtain the point cloud data， and assembly thought is used to process data， fit surface， reconstruct and virtually assembly in CATIA through the application of reverse engineering in the design of automotive disc brake. Some key steps of surface reconstruction is focused on， summing up the solutions， providing reference and experience for the application of reverse engineering in the automotive engineering. Finally， the strength and stiffness of the braking clamp body is analyzed through FEM （finite element analysis） based on the reverse engineering， realizing the application of CAD/CAE in the design of automotive disc brake.
Key Words： reverse engineering； Assembly thought； Disc brake； CATIA； CAD/CAE
1 前言
在汽车发展过程中，制动系统在汽车安全行驶过程中起着至关重要的作用。装配一款性能优异的制动器，可以提高制动效能，保持制动效能的恒定性，从而大大减小事故发生的概率。其中以盘式制动器性能最为突出，保有量最大。盘式制动器主要由钳体，支架，活塞组件和摩擦块等关键零部件组成。
逆向工程是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重构技术和产品制造技术的总称应用先进的逆向工程思想，开发设计新一代的盘式制动器，为盘式制动器大批量生产提供较为完备的技术支持，以提高我国在汽车零部件及整车关键技术方面的自主研究开发能力。
2 数据采集
数据采集方法分为接触式采集法和非接触式采集法。所谓接触式采集法是指包括使用基于力的击发原理的触发式数据采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。非接触采集法主要运用光学原理进行数据的采集所示，主要包括：激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。这里采用非接触采集法获取复杂零件的点云数据，即三角面片数据。如图1所示，是三维扫描仪的示意图，其包含扫描支架，信号采集设备，信号输出设备，及其附属设备。零件扫描时应注意四点原则：第一，对测量头进行软件标定和硬件标定；第二，显影剂喷涂均匀；第三，标志点粘贴无序；第四，扫描环境（包括光照，振动等）要稳定。
盘式制动器中，制动钳体及支架等具有复杂的结构，难以通过简单测绘进行正向建模。尤其是制动钳体，其用于装配自调机构和活塞的活塞孔位置，其内表面结构复杂，为保证逆向效果，应尽可能多的获取内表面的点云数据。其它零件，如活塞，螺杆机构组件，卡环等则通过游标卡尺测绘建模。以制动器钳体为例，扫描得到的钳体点云数据如图2所示：
3 数据处理
经三维扫描仪扫描后获取的零件点云数据，一般可能存在破洞、背景点和坏点等现象，可通过配套软件ATOS Professional进行处理或将三角面片数据导入CATIA中，利用CATIA中的Remove功能对噪点进行清理。
利用三维扫描仪获取的数据其误差保持在10 μm以上，主要来源于设备误差。通过对设备的标定，可将该误差减小到40 μm 以下。
4 曲面拟合
CATIA曲面拟合方法有多种，对于平面，我们可以通过以下几种方法创建：Extrude，Sweep，Basic Surface Recognition以及Power Fit。对于规则曲面，可以通过Extrude，Revolve，Sweep，Basic Surface Recognition等功能创建出来。对于不规则曲面，主要通过Sweep，Blend，Multi-Sections Surfaces以及Power Fit等功能来创建。还有其它一些拟合功能，如Fill，Surfaces Network等。总之，对于拟合方法的选取，要根据零件的具体特征而定。
关键词：逆向工程；装配思想；盘式制动器；CATIA；CAD/CAE
中图分类号：U463.5 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）01-0012-04
Abstract： Reverse engineering， commonly used in some field， is the general name of the digital technology， reconstruction technique， manufacturing prowess， which are applied to turning material object into CAD model. Those complex parts with complicated structure which are difficult to model， 3D scanner is used to obtain the point cloud data， and assembly thought is used to process data， fit surface， reconstruct and virtually assembly in CATIA through the application of reverse engineering in the design of automotive disc brake. Some key steps of surface reconstruction is focused on， summing up the solutions， providing reference and experience for the application of reverse engineering in the automotive engineering. Finally， the strength and stiffness of the braking clamp body is analyzed through FEM （finite element analysis） based on the reverse engineering， realizing the application of CAD/CAE in the design of automotive disc brake.
Key Words： reverse engineering； Assembly thought； Disc brake； CATIA； CAD/CAE
1 前言
在汽车发展过程中，制动系统在汽车安全行驶过程中起着至关重要的作用。装配一款性能优异的制动器，可以提高制动效能，保持制动效能的恒定性，从而大大减小事故发生的概率。其中以盘式制动器性能最为突出，保有量最大。盘式制动器主要由钳体，支架，活塞组件和摩擦块等关键零部件组成。
逆向工程是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重构技术和产品制造技术的总称应用先进的逆向工程思想，开发设计新一代的盘式制动器，为盘式制动器大批量生产提供较为完备的技术支持，以提高我国在汽车零部件及整车关键技术方面的自主研究开发能力。
2 数据采集
数据采集方法分为接触式采集法和非接触式采集法。所谓接触式采集法是指包括使用基于力的击发原理的触发式数据采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。非接触采集法主要运用光学原理进行数据的采集所示，主要包括：激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。这里采用非接触采集法获取复杂零件的点云数据，即三角面片数据。如图1所示，是三维扫描仪的示意图，其包含扫描支架，信号采集设备，信号输出设备，及其附属设备。零件扫描时应注意四点原则：第一，对测量头进行软件标定和硬件标定；第二，显影剂喷涂均匀；第三，标志点粘贴无序；第四，扫描环境（包括光照，振动等）要稳定。
盘式制动器中，制动钳体及支架等具有复杂的结构，难以通过简单测绘进行正向建模。尤其是制动钳体，其用于装配自调机构和活塞的活塞孔位置，其内表面结构复杂，为保证逆向效果，应尽可能多的获取内表面的点云数据。其它零件，如活塞，螺杆机构组件，卡环等则通过游标卡尺测绘建模。以制动器钳体为例，扫描得到的钳体点云数据如图2所示：
3 数据处理
经三维扫描仪扫描后获取的零件点云数据，一般可能存在破洞、背景点和坏点等现象，可通过配套软件ATOS Professional进行处理或将三角面片数据导入CATIA中，利用CATIA中的Remove功能对噪点进行清理。
利用三维扫描仪获取的数据其误差保持在10 μm以上，主要来源于设备误差。通过对设备的标定，可将该误差减小到40 μm 以下。
4 曲面拟合
CATIA曲面拟合方法有多种，对于平面，我们可以通过以下几种方法创建：Extrude，Sweep，Basic Surface Recognition以及Power Fit。对于规则曲面，可以通过Extrude，Revolve，Sweep，Basic Surface Recognition等功能创建出来。对于不规则曲面，主要通过Sweep，Blend，Multi-Sections Surfaces以及Power Fit等功能来创建。还有其它一些拟合功能，如Fill，Surfaces Network等。总之，对于拟合方法的选取，要根据零件的具体特征而定。