UG逆向設(shè)計(jì)工程在汽車(chē)內(nèi)飾件中的應(yīng)用

摘 要：本文總結(jié)了汽車(chē)內(nèi)飾件的外形特點(diǎn)，依據(jù)曲面造型的規(guī)律，提出汽車(chē)內(nèi)飾件逆向設(shè)計(jì)工程（數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型重構(gòu)、產(chǎn)品化）的具體方案。通過(guò)對(duì)方向盤(pán)的應(yīng)用，證明此方案是可靠有效的。

關(guān)鍵詞：逆向設(shè)計(jì)；塑料CAE；模擬分析；優(yōu)化

1 引言

汽車(chē)作為一種劃時(shí)代的現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品，從誕生那天起，就被賦予了人類(lèi)的價(jià)值觀、生活形態(tài)、情感需求等，折射出了不同時(shí)代、不同人群的審美取向，形成了汽車(chē)文化的特有觀念。而作為設(shè)計(jì)理念的重要表現(xiàn)部位——汽車(chē)內(nèi)飾件更是設(shè)計(jì)師們下功夫，精雕細(xì)琢的地方。也是人們買(mǎi)車(chē)時(shí)仔細(xì)欣賞的地方?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)師的工作過(guò)程一般是：根據(jù)效果圖的造型特征，直接在電腦中用輔助造型建模軟件建立三維數(shù)字模型（即CAS模型），配合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于方案評(píng)審展示。方案評(píng)審?fù)戤吅筇暨x出相應(yīng)造型，通過(guò)數(shù)控銑床銑削出全尺寸油泥模型，然后對(duì)銑出來(lái)的模型進(jìn)行精細(xì)處理。通過(guò)評(píng)審后，然后進(jìn)行激光掃描，得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，把點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入cad系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，形成工程化的產(chǎn)品模型，作為制造系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的依據(jù)，最終生產(chǎn)出該產(chǎn)品。

2 逆向設(shè)計(jì)

現(xiàn)在汽車(chē)設(shè)計(jì)中，逆向設(shè)計(jì)是一種重要的設(shè)計(jì)手段，很多零件都需要采用逆向設(shè)計(jì)方法，從模型或樣件開(kāi)始經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集 →數(shù)據(jù)預(yù)處理→ 模型重構(gòu)→產(chǎn)品化等階段，完成由模型或樣件到產(chǎn)品模型的轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)采集

在利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模的過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到最后創(chuàng)建出的三維模型質(zhì)量，要想獲得精確并且冗余度低的數(shù)據(jù)，必須減少測(cè)量過(guò)程中的誤差。在表面數(shù)字化技術(shù)中，根據(jù)測(cè)量方法不同可以將數(shù)據(jù)采集分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)， 針對(duì)汽車(chē)內(nèi)飾件體積大，需求精度高的特點(diǎn)，采用接觸式測(cè)量對(duì)模型表面特征及分型輪廓、邊界進(jìn)行測(cè)量，用非接觸式方法掃描產(chǎn)品A面。進(jìn)行測(cè)量前，通過(guò)分析方向盤(pán)零件可知，其結(jié)構(gòu)為沿中心線(xiàn)左右對(duì)稱(chēng)，曲面重建時(shí)只需造型出一半的數(shù)據(jù)，再根據(jù)UG所提供的鏡像功能得出另一半的數(shù)據(jù)。

逆向工程不是簡(jiǎn)單的復(fù)制，逆向設(shè)計(jì)目的是復(fù)制、改進(jìn)并超越現(xiàn)有的模型，測(cè)繪前我們作了以下準(zhǔn)備工作：

（1）產(chǎn)品的功能要求，數(shù)據(jù)采集前根據(jù)功能要求對(duì)模型進(jìn)行圓整，如對(duì)模型表面封閉孔及本體和喇叭蓋間的間隙，選定測(cè)繪基準(zhǔn)；

（2）產(chǎn)品數(shù)模型面的品質(zhì)要求，了解被測(cè)產(chǎn)品的關(guān)鍵部位，方向盤(pán)本體幅條位置過(guò)渡面及手型位置為特殊位置，因曲面為不規(guī)則形面，在后期造型時(shí)是難點(diǎn)；數(shù)據(jù)采集時(shí)的關(guān)鍵是加大數(shù)據(jù)采集密度，盡可能多地采集數(shù)據(jù)，以便后期造型時(shí)取舍；

（3）實(shí)際工程測(cè)量中，一次測(cè)量整個(gè)零件有難度，通常是對(duì)其重新定位獲取不同方位的表面信息，測(cè)量完成后對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)拼合。本例中對(duì)方向盤(pán)上半部外網(wǎng)及喇叭蓋大面按等距離均勻測(cè)繪后，再翻轉(zhuǎn)方向盤(pán)角度以采集側(cè)面及方向盤(pán)下半部數(shù)據(jù)，此時(shí)為了保證基準(zhǔn)統(tǒng)一，我們制造了專(zhuān)用夾具以保證翻轉(zhuǎn)時(shí)的角度位置準(zhǔn)確，在造型設(shè)計(jì)時(shí)用UG軟件將新基準(zhǔn)座標(biāo)與原座標(biāo)擬合。

測(cè)繪完成的點(diǎn)云如下圖所示：

3 數(shù)據(jù)處理（造型理論）

數(shù)據(jù)處理是逆向工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的結(jié)果將直接影響后期模型重構(gòu)的質(zhì)量；為了獲得完整、正確的測(cè)量數(shù)據(jù)，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以方便后面的曲面重構(gòu)，將測(cè)繪完的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)G或CATIA等三維設(shè)計(jì)軟件，采用由點(diǎn)到線(xiàn)，由線(xiàn)到面，由面到體的順序進(jìn)行造型生成方向盤(pán)A面，數(shù)據(jù)處理時(shí)的難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)是：

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理：由于受外部環(huán)境影響及設(shè)備影響，不可避免會(huì)引入嗓聲數(shù)據(jù)，所以在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)操作之前先進(jìn)行消除噪聲的工作，刪去外界干擾形成的點(diǎn)和不在掃描線(xiàn)上的點(diǎn)，減少其對(duì)重建模型精度的影響。

3.2 數(shù)據(jù)分塊：為了后續(xù)CAD造型的方便，在數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)結(jié)合實(shí)際物體的表面形狀，識(shí)別其曲面特征，進(jìn)行數(shù)據(jù)分割測(cè)量。根據(jù)組成實(shí)物外形曲面的類(lèi)型，采用不同顏色，存放在不同的數(shù)據(jù)層中以示區(qū)別。

3.3 數(shù)據(jù)的光順：對(duì)外觀要求比較高的產(chǎn)品A面，要求曲面之間的過(guò)渡必須達(dá)到曲面連續(xù)，通常采用局部回彈法、圓周率法和最小二乘法和能量法等來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸入U(xiǎn)G的點(diǎn)云需進(jìn)行精度和光順的優(yōu)化，對(duì)于大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取精度高的特征邊界數(shù)據(jù)點(diǎn)，再由點(diǎn)重構(gòu)到線(xiàn)。在本例中使用的是通過(guò)建立多個(gè)平行的平面，判斷每一個(gè)點(diǎn)和每一個(gè)平面的距離，將誤差范圍內(nèi)的點(diǎn)投影到離他們最近的平面上，得到多組平行特征邊界點(diǎn)，有的位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)密集，或過(guò)稀疏，擬合的曲線(xiàn)會(huì)有拐點(diǎn)或誤差大，可以根據(jù)點(diǎn)云的疏密程度來(lái)調(diào)節(jié)參數(shù)。

3.4 產(chǎn)品的配合及工藝要求：逆向設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不是孤立的，與現(xiàn)有的產(chǎn)品或三維數(shù)模存在配合關(guān)系，在進(jìn)行模型重建時(shí)可根據(jù)產(chǎn)品的功能要求對(duì)零件表面的孔、加強(qiáng)筋等特殊位置，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要用UG里的工具作出；本例中輪轂部位的孔根據(jù)組合開(kāi)關(guān)的位置、尺寸配合作出。

曲面的構(gòu)建：曲面重構(gòu)是逆向工程中最重要、繁雜的一環(huán)，是根據(jù)密集點(diǎn)云恢復(fù)曲面形狀建立CAD模型的過(guò)程。

在曲面重建方面，UG系統(tǒng)主要有兩種：（1）由掃描點(diǎn)直接生成曲面不需要生成曲線(xiàn)；（2）先建立曲線(xiàn)，而后由曲線(xiàn)生成面；第一種曲面重構(gòu)方法，可用于構(gòu)建區(qū)域大的表面，通常構(gòu)建出的曲面會(huì)大于點(diǎn)云，后續(xù)進(jìn)行曲面修剪。

4 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

產(chǎn)品A面數(shù)據(jù)完成后，根據(jù)零件的外形特點(diǎn)（如內(nèi)孔、凹槽、平面和圓柱面等），由簡(jiǎn)單的平面曲線(xiàn)或曲線(xiàn)族經(jīng)過(guò)拉深、旋轉(zhuǎn)、掃掠和倒圓等規(guī)則來(lái)生成曲面或?qū)嶓w模型，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出特征線(xiàn)，再通過(guò)相關(guān)的特征操作構(gòu)建出特征，圖示的方向盤(pán)構(gòu)建特征時(shí)有以下特點(diǎn)：①對(duì)曲面進(jìn)行過(guò)渡、相交、縫合和倒角處理，創(chuàng)建三維實(shí)體模型。②對(duì)喇叭蓋、下護(hù)罩等壁厚均勻的零件，對(duì)產(chǎn)品A面進(jìn)行增厚處理；再根據(jù)裝配關(guān)系作出卡樁和襯板的結(jié)構(gòu)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)完畢，即可進(jìn)入方向盤(pán)本體、喇叭蓋、下護(hù)罩等模具制造階段；模具制造完畢可按照設(shè)定好的工藝參數(shù)進(jìn)行試模及注塑生產(chǎn)。

5 結(jié)論

實(shí)踐表明，逆向設(shè)計(jì)是汽車(chē)內(nèi)飾件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，提高產(chǎn)品質(zhì)量與降低廢品率的有效手段。同時(shí)也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新的一條重要途徑。

作者簡(jiǎn)介：鄧曉紅（1974.10-），女，湖北省十堰市（籍貫），現(xiàn)職稱(chēng)：工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：汽車(chē)內(nèi)飾件設(shè)計(jì)。