基于逆向工程的汽車車身三維造型設計

魔猴君  知識堂   700天前

運用逆向設計的原理，以保時捷汽車模型車身為研究對象，利用激光掃描獲得車身表面的點云數據；用Geomagic Wrap(原Studio)軟件對點云數據進行體外孤點、噪聲點的去除以及點云拼接與對齊；然后用軟件進行由點—線—面的曲面重構過程，并對曲面進行連續性和光順性分析，得到質量良好的汽車車身CAD模型，完成了逆向工程在車身設計中的應用初步研究。

逆向工程（又稱反求工程），是一種產品設計技術再現過程，即對一項目標產品進行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產品的處理流程、組織結構、功能特性及技術規格等設計要素，以制作出功能相近，但又不完全一樣的產品。逆向工程的應用范圍遍及大多數行業，從汽車、航空航天、藝術與科學到醫療等。目前國內外有關逆向工程的研究方向主要集中在幾何外形的逆向，即重建產品實物的CAD模型，稱為“實物逆向工程”。逆向工程系統主要包括3個方面：實物幾何外形的數字化、CAD模型建立、產品的制造。

現代車身設計采用的都是傳統的設計方法，然而，汽車外形結構復雜，曲面很多，要用一般的機械圖紙把它完全表達出來需要大量的人力物力，相當浪費時間。不過，在逆向工程設計方法引進到汽車車身設計時，它改變了以前的設計理念，縮短了設計開發周期，獲得高質量的車身結構。逆向工程的研究日益引人注目，在數據處理、曲面擬合、幾何特征識別和坐標測量機的研究上已經取得了很大的成就。但是，在實際應用中，整個過程仍然不能完全保證曲面的光順性。

針對這些特點，本文研究的關鍵有：1）曲面數據的獲取以及后續的數據處理等；2）車身曲面的重構技術及質量檢測等。

1. 點云數據的采集與處理

1.1 點云數據的采集

    點云數據的采集，如圖1所示。

圖1 測量設備

    為了獲得質量較好的點云數據，首先進行一些前期處理，如確定模型參考位置、表面噴涂顯像溶劑及軟件的校核等。汽車模型由前、后、上、左、右側面組成，由于不能一次性測量，因此要分別測量各個表面，對于側面，只需要測量一側就行，因為汽車是左右對稱的產品，可以利用軟件鏡像。圖2、圖3為采集的未處理的車身點云數據。

圖2 車身側面和頂部的點云數據

圖3 車身前部和尾部的點云數據

1.2 點云數據的處理

    在測量點云的時候，難免會有一些外界因素影響點云質量，如設備的震動、溫度、濕度等，而且點云不能一次性測量，需要分為幾步，最后把幾部分拼接起來，這就要求在進行模型建立之前對點云進行處理。主要分為以下幾步：體外孤點、噪聲點的去除、點云拼接與對齊。利用Geomagic Wrap(原Studio)軟件進行處理，處理拼接后的整車點云如圖4所示。

圖4 拼接后的整車

2. 車身模型曲面重構

    在逆向工程中，曲面重構有2種方法：一是直接由點云生成面；二是遵循由點—線—面的過程。第1種方法要求點云數據質量足夠好，這樣生成的曲面質量才會滿足要求，它遵循點—多邊形—曲面幾個階段，運用的是Geomagic Wrap(原Studio)軟件；第2種方法是傳統的方法，可以處理各種點云數據，得到的曲面精度也很高。本文主要采用的是第2種方法。數據處理主要有以下3個過程：點云數據處理、曲線處理、曲面處理。由于在Geomagic Wrap(原Studio)中已經對點云數據進行了處理，可以直接進行后面2個步驟。

2.1 點云直接生成曲面

    所謂的直接生成曲面是指不需要構線，對點云進行處理就可以生成曲面。直接生成的NURBS曲面可以直接導入到CAD系統中進行下一步的處理，可以輸出很多種格式，如IGES、STEP等。圖5為生成的NURBS曲面。

圖5 NURBS曲面

2.2 由點、線、面的重構過程

    點—線—面過程主要是利用3D曲線、3點圓弧構建曲線，然后利用掃掠、橋接、倒圓角等命令對曲面進行處理。

    1）創建車身曲線。由于車身是對稱模型，因此創建曲線之前需要截取一部分點云，最后通過鏡像得到整車模型。創建曲線是在已有的點云基礎上截取部分點云，然后由截取的點云生成曲線，最后調整曲線的控制點來控制精度，讓其和點云的誤差最小。生成的曲線要盡可能簡單，能夠反映曲面的大致形狀，這樣才能保證重構后的曲面有足夠的光順性，同時誤差也較小。圖6為截取的車身側面點云和由截取點云構成的線。

圖6 截取的點云和構成的線

    2）創建車身曲面。創建曲面通常光滑和精確是不能同時兼顧的，只能居其中或者擇其一。為了控制誤差，通常利用調節控制點來控制曲面與原始點云的距離，這種方法通常是手動調節，因此也是存在一定誤差，但是也基本可以滿足工業要求。圖7為車身側面控制點模型，圖8為重構的車身側面曲面與原始點云之間的誤差。

圖7 車身側面控制點

圖8 車身側面與原始點云誤差

   由圖8可以看出：車身側面原始點云（藍色區域）和重構的曲面（紅色區域）分布比較均勻，這樣就可以大致確保曲面與點云的誤差了。如果出現大面積紅色或者藍色區域，則說明重構的曲面與原始點云誤差較大，不能滿足需求。這種方法是通過調節控制點來控制誤差，本文車身逆向設計主要是利用這種方法。圖9為通過這種方法重構的引擎蓋和車身頂部曲面。

圖9 引擎蓋和車身頂部

2.3 各個曲面間的處理

    各部分曲面創建好了之后，需要對曲面進行倒圓角、修剪、橋接、縫合等操作，以得到連續性的曲面。倒圓角是一種基本的曲面間處理方式，圓角過渡不僅避免了應力集中，提高了強度，而且直接影響產品的美觀程度。圖10為車尾曲面間倒圓角前后效果圖。

圖10 車尾曲面倒圓角前后效果

圖11 整車車身模型

3 車身曲面質量評估

3.1 曲面連續性分析

    對于車身而言，連續性就是指曲面間曲率均勻過渡、無壞點。曲面的連續性大致包括以下4個方面：位置連續（G0）、切線連續（G1）、曲率連續（G2）、曲率相切連續（G3）。一般情況下，只要滿足切線連續就可以，基本可以滿足工業上需求。在汽車行業有一個名詞：A面。所謂A面就是指必須滿足相鄰曲面間間隙在0.005mm以下，切率改變在0.16°以下，曲率改變在0.005°以下的曲面。一般通過曲率梳可以判斷曲面的連續性，曲率梳相鄰曲率針長度和方向反應曲面的曲率值和曲率方向。檢查U、V方向的曲率梳得到車尾和車頭的分析結果，如圖12所示。

圖12 車尾和車頭處連續性分析結果

    圖12中顯示車尾和車頭處多個曲面間連續性較好。

3.2 曲面光順性分析

   曲面光順性分析準則是光順分析的依據。曲面光順準則為：曲面的U、V等參數線分別平行于U、V方向2組等距離的平面與曲面相交得到的交線，通過檢查曲面上的相交線來判斷曲面的光順性，對于生產的曲面光順性分析主要有檢查U、V方向的曲率梳、高亮反射線等檢測方法。

   高亮線分析方法可以直觀地檢查曲面的光順性，通過觀察線條的均勻度來判斷曲面的光順性，越均勻曲面光順性越好。它是由1組平行光源投影到曲面上得到的1簇高光線。圖13、圖14為車身幾個主要大面的光順性檢查結果。

圖13 車頭引擎蓋和車身側面反射線分布圖

圖14 車頂和車身后圍板反射線分布圖

    可以看出：反射線分布比較均勻，曲面的光順性基本滿足要求。所以該逆向設計總體符合設計要求。

4. 結論

    本文基于逆向工程技術對汽車車身進行三維造型設計研究，主要研究成果如下：1）利用Geomagic Wrap(原Studio)軟件對用3D測量儀測取的點云數據進行了處理，獲得拼接后的整車車身點云數據；再利用軟件進行了由點—線—面的曲面重構，獲得整車車身曲面模型；2）對重構的整車車身曲面模型進行連續性、光順性分析，最終得到符合設計要求的車身CAD模型，該模型可為后續的有限元分析優化設計以及多體動力學等分析提供基礎。

    從目前來看，逆向工程這項技術依然存在一些發展瓶頸，從而減緩了逆向工程的發展。但是相比正向設計，逆向設計的優點很明顯，能給企業帶來巨大的效益，所以具有廣闊的發展前景。

來源：e-works網站