常影　明哲　佟沐霖　梁麗青　楊珊珊、吉林農(nóng)業(yè)科技學院機械工程學院　、吉林農(nóng)業(yè)科技學院水利與土木工程學院

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基于Geomagic Studio的汽車懸架控制臂點云數(shù)據(jù)處理

常影1明哲1佟沐霖1梁麗青2楊珊珊2
1、吉林農(nóng)業(yè)科技學院機械工程學院2、吉林農(nóng)業(yè)科技學院水利與土木工程學院

摘要：汽車懸架控制臂是決定汽車性能的主要因素之一，由于其曲面結(jié)構(gòu)復雜，通過正向建模獲得零件模型較困難。應用逆向建?？梢钥s短建模周期，降低研發(fā)成本。本文主要研究基于Geomagic Studio軟件的汽車懸架控制臂點云數(shù)據(jù)處理。

關鍵詞：Geomagic Studio；汽車懸架控制臂；逆向建模；點云數(shù)據(jù)

引言

隨著科學技術(shù)的飛快發(fā)展，人們對新事物、新車型、新技術(shù)、新體驗要求越來越高。汽車不僅僅是簡單的代步工具，人們更需要駕駛時舒適。這就不僅僅要求汽車的外形漂亮吸引人，同時還要具有良好的性能。汽車懸架系統(tǒng)決定了汽車的駕駛性能，對汽車行駛的穩(wěn)定性、安全性和舒適性影響很大。而汽車懸架控制臂是汽車懸架系統(tǒng)中的主要零部件，其性能會直接影響汽車駕駛的性能［1-3］。而汽車上的零部件大多復雜，正向建模很困難，這就增加了建模的成本和建模的周期。采用逆向建模技術(shù)，可以應用三維掃描儀獲得零件的點云數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)導入逆向建模軟件，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和模型建立，最終獲得零件的模型。逆向建模不僅縮短了產(chǎn)品的建模周期和成本，還可以快速有效地優(yōu)化產(chǎn)品，為產(chǎn)品的創(chuàng)新設計提供了很好的幫助。

本文研究汽車懸架控制臂零件的性能，選擇某一汽車懸架控制臂零件實體，獲得點云數(shù)據(jù)，再應用逆向建模軟件對其點云數(shù)據(jù)進行處理，為后期的模型建立提供一定的基礎。本文應用Geomagic Studio軟件對汽車懸架控制臂進行點云數(shù)據(jù)處理［4-6］。處理的方法如下：首先應用非接觸式三維掃描儀獲得多組點云數(shù)據(jù)；然后導入Geomagic Studio軟件中，應用減少噪音模塊對采集到的數(shù)據(jù)進行噪音處理并進行偏差分析，如果不符合要求，則需要重新進行噪音處理直到滿足精度要求為止；最后對多組點云數(shù)據(jù)進行對齊操作，擬合成一個數(shù)據(jù)，填充缺少的部分數(shù)據(jù)，并進行偏差分析，檢查所得數(shù)據(jù)是否滿足要求，如不滿足則需要重新擬合數(shù)據(jù)直到滿足精度要求為止。汽車懸架控制臂的點云數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1　汽車懸架控制臂逆向造型流程圖

1　點云數(shù)據(jù)采集

影響逆向建模精度的一個關鍵因素就是獲得的點云數(shù)據(jù)質(zhì)量。數(shù)據(jù)獲取掃描方式主要分為接觸式和非接觸式兩種儀器。對于點云數(shù)據(jù)質(zhì)量要求高的可以采用接觸式三維掃描儀，但同時要求零件表面硬度高，這樣可以降低接觸時的磨損程度。對于零件表面硬度很低，并且要求掃描速度快的可以采用非接觸式掃描儀，并且可以多次測量，測量數(shù)據(jù)較完整。

本文中的汽車懸架控制臂零件實體相對比較大，而且結(jié)構(gòu)復雜，所以需要多次快速地完成點云數(shù)據(jù)的獲取，所以選擇非接觸式三維掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)。

2　基于Geomagic Studio的點云數(shù)據(jù)處理

逆向建模的誤差主要受到三維掃描儀以及點云數(shù)據(jù)處理兩個因素影響。點云數(shù)據(jù)處理的操作直接影響得到的模型誤差大小。所以如何能夠快速去除噪音點并得到最多的反應特征點是非常重要的。本文將三維掃描儀得到的點云數(shù)據(jù)導入Geomagic Studio軟件中進行數(shù)據(jù)處理，主要包括點云數(shù)據(jù)噪音處理、噪音偏差分析、點云數(shù)據(jù)對齊、填充孔、偏差分析等過程。

2.1點云數(shù)據(jù)噪音處理

三維掃描儀獲得的點云數(shù)據(jù)是“.stl”格式的，可以直接導入Geomagic Studio軟件中。打開點云數(shù)據(jù)，進入網(wǎng)格醫(yī)生模塊，選擇相應的選項進行自動噪音處理，快速刪除一些雜點，如圖2所示。然后應用減少噪音模塊，通過勾選不同的形狀，對該區(qū)域內(nèi)的雜點數(shù)據(jù)進行刪除，即可進一步對點云數(shù)據(jù)進行除噪，如圖3所示。

圖2　網(wǎng)格醫(yī)生噪音處理

圖3　減少噪音

2.2噪音偏差分析

經(jīng)過上述網(wǎng)格醫(yī)生和噪音處理后，基本上看不到有噪音，但是為了檢測是否已完全消除噪音，可以應用噪音偏差分析模塊，檢查是否還有遺漏的噪音點未處理，如圖4所示。如果沒有達到要求，則需要重新進行噪音處理，直到?jīng)]有噪音為止。

圖4　噪音偏差分析

從圖中可以看到，此時已經(jīng)沒有噪音點，滿足去噪要求。

2.3點云數(shù)據(jù)對齊

汽車懸架控制臂模型比較大，曲面結(jié)構(gòu)復雜，為了得到精度更高的模型，對零件進行多掃描。在對模型進行重建的過程中需要對多組數(shù)據(jù)同時進行參考。在Geomagic Studio軟件中有點云對齊模塊，可以把多組數(shù)據(jù)擬合在一起，綜合去抽取、保留精準點，去除一些雜點。首先將一組點云數(shù)據(jù)打開，然后導入多組點云數(shù)據(jù)，確定固定點云和浮動點云，進行手動注冊。通過這種方法將多組點云數(shù)據(jù)擬合到一組數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5　點云數(shù)據(jù)對齊

2.4填充孔

經(jīng)過點云數(shù)據(jù)處理，相對來說得到的點云數(shù)據(jù)最全。但是仍然會發(fā)現(xiàn)在點云數(shù)據(jù)中有些小孔沒有數(shù)據(jù)，如果直接應用此數(shù)據(jù)進行曲線、曲面建立，則會缺少一些特征點，所以此時應該想辦法對這些小孔進行合理填充，從而降低建模誤差，如圖6所示。

圖6　（a）填充孔前

圖6?。╞）填充孔后

2.5偏差分析

為了檢驗最后所得到的數(shù)據(jù)是否在允許誤差范圍內(nèi)，應用Geomagic Studio軟件中的偏差分析模塊對所得點云數(shù)據(jù)進行分析，如圖7所示。從圖中可以看到標準偏差為0.179mm，小于1mm，滿足逆向建模要求，保存文件為“.igs”格式，為后續(xù)的曲線、曲面建立奠定一定基礎。

圖7　偏差分析

3　結(jié)論

本文對建模的方法進行了介紹，對汽車懸架控制臂的結(jié)構(gòu)進行了探索，分析了逆向建模的優(yōu)點。本文對汽車懸架控制臂點云數(shù)據(jù)的獲取及應用Geomagic Studio軟件進行點云數(shù)據(jù)處理進行了詳細的研究。為后續(xù)的模型建立奠定一定基礎，為像汽車懸架控制臂這樣類似零件圖紙不全、結(jié)構(gòu)復雜、正向建模周期長、生產(chǎn)成本高的問題找到一定的解決方法。

參考文獻：

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［5］馬金鋒，高東強，林歡等.基于Geomagic Qualify的曲面模型精度分析［J］.制造業(yè)自動化，2013，35（9）∶6-8.

［6］付偉，張海.基于Geomagic Studio軟件的逆向工程設計［J］.工具技術(shù)，2007，41（11）∶54-57.

作者簡介：常影，1988年出生，吉林省長春市人，助教，研究方向：模具設計、數(shù)控加工及逆向建模等。

基金項目：吉林農(nóng)業(yè)科技學院青年基金項目（吉農(nóng)院合字［2015］第212號）。