車引擎覆蓋件設(shè)計(jì)中點(diǎn)云重構(gòu)A級(jí)曲面的技術(shù)研究

周鋒，周華章

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215123）

0 引言

歷年來，汽車制造行業(yè)中的車引擎覆蓋件設(shè)計(jì)A級(jí)曲面成為人們普遍關(guān)心的話題。在老的汽車業(yè)有這樣一種分類法:A面，車身外表面，白車身;B面，不重要表面，比如內(nèi)飾表面;C面，不可見表面。這其實(shí)就是A級(jí)曲面的基礎(chǔ)。但是現(xiàn)在隨著美學(xué)和舒適性的要求日益提高，對(duì)汽車內(nèi)飾件也提到了A-Class的要求。因而分類隨之簡(jiǎn)化，A面，可見（甚至是可觸摸）表面;B面，不可見表面。所以車覆蓋件的重構(gòu)A級(jí)曲面技術(shù)應(yīng)用，提高了整車外觀設(shè)計(jì)的水平［1］。

1 A級(jí)曲面評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和理論知識(shí)

1.1 A級(jí)曲面評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

A級(jí)曲面是車身工程領(lǐng)域的特定概念，首先由達(dá)索軟件公司提出，滿足一定數(shù)學(xué)要求和車工程要求的曲面。它既要滿足數(shù)學(xué)連續(xù)性要求，又要滿足汽車氣動(dòng)力學(xué)要求，外觀光順和美觀性要求，同時(shí)要求曲面上的控制點(diǎn)盡量排列均勻的四邊形，如圖1所示。

圖1 控制點(diǎn)均勻的方正四邊形

參照車身工程要求，A級(jí)曲面要滿足以下準(zhǔn)則［2］:

1）單一特征面的建模默認(rèn)誤差小于0.000 01，角度誤差小于 0.001°;

2）所有特征間的連接偏差小于0.000 1;

3）所有特征面的光順保證2階導(dǎo)數(shù)以上連續(xù);

4）所有特征都必須分解成單凸或單凹特征;

5）所有特征都必須具有可擴(kuò)展性和可編輯性。

1.2 相關(guān)理論知識(shí)

a）點(diǎn)云數(shù)據(jù)

車引擎覆蓋件設(shè)計(jì)中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是反映引擎覆蓋件理想設(shè)計(jì)曲面的數(shù)據(jù)集合，通過測(cè)量?jī)x器獲得。直接由測(cè)量?jī)x器的點(diǎn)云是個(gè)海量數(shù)據(jù)（幾十甚至上百兆個(gè)點(diǎn)），而且還存在重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)測(cè)量誤差和隨機(jī)誤差等，必須對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理3］。

b）NURBS面片

NURBS方法是當(dāng)前汽車界曲線、曲面的統(tǒng)一表示方法，已成為catia，ug，alias等商用CAD軟件的幾何模型數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。Bizier和B-spline是NURBS的特殊情況。

NURBS 曲面的定義［4］:

式中:Vi，j（i=0，1，2，…，n;j=0，1，2，…，m;）為給定特征網(wǎng)格定點(diǎn)的位置矢量;Wi，j為對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)的權(quán)因子。其中，基函數(shù)遞推公式為:

NURBS曲面用統(tǒng)一的表達(dá)式精確的表示了標(biāo)準(zhǔn)的解析形體和自由曲面。具有計(jì)算穩(wěn)定，線性變化時(shí)幾何不變性等特性。

2 基于imageware軟件應(yīng)用中NURBS面片的A級(jí)曲面重構(gòu)

經(jīng)三維激光測(cè)量?jī)x器掃描覆蓋件油泥模型獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)以后，可通過兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)A級(jí)曲面逆向重構(gòu):點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和曲面重構(gòu)［5］，如圖2所示。

圖2 覆蓋件開發(fā)流程

2.1 點(diǎn)云去噪

數(shù)據(jù)測(cè)量過程中，由油泥模型制作、測(cè)量電壓波動(dòng)、空氣微塵漂浮和人為操作因素等造成的，與理想曲面法向偏差過大的散亂點(diǎn)稱為噪點(diǎn)，它不反映油泥模型表面真實(shí)外觀品質(zhì)。去除噪點(diǎn)，光滑點(diǎn)云，分兩步進(jìn)行:干涉區(qū)域剔除和分散點(diǎn)點(diǎn)剔除，如圖3所示，在imageware軟件中應(yīng)用刪除分散點(diǎn)命令和圈選點(diǎn)等命令來去噪［6］。

圖3 點(diǎn)云去噪原理圖和分散點(diǎn)命令應(yīng)用

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)和三角化點(diǎn)云

點(diǎn)云去噪后，對(duì)曲面重建和硬件計(jì)算量而言仍然存在垃圾數(shù)據(jù)，必須按照一定算法和品質(zhì)要求精簡(jiǎn)，以提高曲面重構(gòu)效率。處理海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，典型的處理方式是采用定義點(diǎn)距大小的方式縮減一部分?jǐn)?shù)據(jù)，使點(diǎn)云看上去更清楚，也便于多邊形網(wǎng)格化數(shù)據(jù)或做其他處理，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，可以選用以下方法:

1）曲率采樣法，根據(jù)曲面曲率變化確定點(diǎn)的取舍;

2）高斯采樣法，根據(jù)高斯算法進(jìn)行點(diǎn)云精簡(jiǎn);

3）球采樣法。

在imageware軟件中應(yīng)用應(yīng)用均勻采樣、弦偏差采樣、距離采樣來進(jìn)行點(diǎn)云精簡(jiǎn)，如圖4所示。

圖4 點(diǎn)云精簡(jiǎn)原理圖和弦偏差采樣命令應(yīng)用

為了更清楚的表達(dá)點(diǎn)云的形狀或者為了快速原型（RP），同時(shí)重構(gòu)曲面時(shí)設(shè)計(jì)者更好觀測(cè)曲面曲率的走勢(shì)和曲率的變化，以及分割點(diǎn)云，創(chuàng)建特征線，要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行多邊形網(wǎng)格化處理，三角化點(diǎn)云后效果如同CAD模型顯示效果，鄰域尺寸值通常近似取精簡(jiǎn)點(diǎn)云中設(shè)定的距離公差值的3倍，這樣可以得到均勻的高品質(zhì)的網(wǎng)格，如圖5所示。

圖5 三角化點(diǎn)云和三角化點(diǎn)云后顯示效果

2.3 評(píng)估點(diǎn)云

為了評(píng)估點(diǎn)云，用一組有關(guān)數(shù)據(jù)顯示的工具來檢驗(yàn)點(diǎn)云的品質(zhì)，要使用點(diǎn)云反射率工具顯示在點(diǎn)光源中點(diǎn)云的顏色，可以更好感受到這些投影到點(diǎn)云上的顏色區(qū)域表示了什么。連續(xù)或者柔和過渡的區(qū)域?qū)?huì)以相近的顏色進(jìn)行著色渲染，如過點(diǎn)云品質(zhì)不好，那么就該重新調(diào)整前面進(jìn)行的所用處理的公差值。

2.4 A級(jí)曲面重構(gòu)

曲面重構(gòu)是逆向工程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它不僅要再現(xiàn)造型人員或原有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想，還要修復(fù)或克服原有模型上存在的缺陷。因此在進(jìn)行曲面重構(gòu)之前，應(yīng)該對(duì)零件進(jìn)行仔細(xì)分析，主要考慮以下要點(diǎn):

1）確定設(shè)計(jì)的整體思路。面對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先要周全地考慮好先做什么，后做什么，用什么方法做，主要是將模型劃分為幾個(gè)特征區(qū)，得出設(shè)計(jì)的整體思路。

2）確定模型的基本構(gòu)成形狀的曲面類型，這關(guān)系到在曲面重構(gòu)中所采用曲面重構(gòu)方法和工具的選用。

采用基于NURBS面片的方法重構(gòu)A級(jí)曲面，分為四個(gè)步驟:快速創(chuàng)建曲面片、曲面擬合、曲面匹配、曲面品質(zhì)檢測(cè)。

a）創(chuàng)建曲面片

選取分片點(diǎn)云四個(gè)端點(diǎn)作為曲面片邊界范圍，建立一個(gè)4×4階NURBS曲面片擬合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，若不能滿足形狀需求，可相應(yīng)增加曲面階數(shù)，但一般不超過6×6階，否則繼續(xù)進(jìn)行區(qū)域點(diǎn)云分割，如圖6所示。

b）曲面擬合

曲面由一組控制點(diǎn)來控制形狀，這樣就可以通過調(diào)整控制點(diǎn)靈活地改變曲面形狀和大小，減少曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的誤差，實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀的曲面，提高了快速造型能力，如圖7所示。

c）曲面匹配

創(chuàng)建各NURBS曲面片完成后，檢查曲面間是否存在縫隙，如有縫隙，可使用拼接和縫合功能，進(jìn)行G1，G2級(jí)匹配，檢測(cè)并確認(rèn)曲面切向連續(xù)性、曲率連續(xù)性滿足。在imageware中，不僅可以實(shí)現(xiàn)兩兩曲面之間的曲率連續(xù)性匹配，還能實(shí)現(xiàn)一個(gè)曲面與多個(gè)曲面間的曲率連續(xù)性匹配。并能達(dá)到拼接和縫合后的曲面之間實(shí)現(xiàn)曲率連續(xù)，從而保證了A級(jí)曲面的品質(zhì)，如圖8所示。

圖8 曲面匹配

d）曲面檢測(cè)

曲面檢測(cè)有以下含義:一是檢測(cè)曲面外觀品質(zhì)，即曲面是否達(dá)到車身覆蓋件工程的要求;二是檢測(cè)逆向構(gòu)造曲面與原始點(diǎn)云之間的法向距離是否滿足要求。

曲面品質(zhì)檢測(cè)可采用如下幾種方法:

1）反射線法，反射線的連續(xù)次數(shù)比曲面的連續(xù)次數(shù)小一次。反射線光滑過渡，則兩曲面曲率連續(xù)，如圖9所示。

圖9 反射線法構(gòu)成示意圖和A面反射線法檢測(cè)效果

2）等照度法，等照度線的連續(xù)次數(shù)比曲面的連續(xù)次數(shù)小一次，如果相鄰曲面上的等照度線光滑過渡，則滿足曲率連續(xù)，如圖10所示。

圖10 等照度線構(gòu)成示意圖和A面等照度法檢測(cè)效果

3）高光線法，它的原理與反射線法基本相同。

4）截面線法，A級(jí)曲面要求，截面線的曲率變化均勻，沒有多余拐點(diǎn)，截面線形狀變化均勻。

對(duì)于曲面檢測(cè)的第二層要求，可采用法向距離偏差檢測(cè)方法，檢測(cè)曲面片與原始點(diǎn)云的距離符合程度。

3 車引擎覆蓋件A級(jí)曲面imageware建模應(yīng)用技術(shù)實(shí)例

以寶馬某車型引擎蓋為例，采用基于imageware軟件應(yīng)用中NURBS面片的A級(jí)曲面重構(gòu)方法進(jìn)行逆向造型設(shè)計(jì)。

a）使用美能達(dá)三維激光掃描測(cè)量?jī)x掃描車引擎蓋油泥模型，獲得igs格式三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入imageware軟件中，1）引擎蓋覆蓋件尺寸較大，激光掃描儀有掃描范圍限制，點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，只能分區(qū)域掃描，因此要合并多區(qū)域點(diǎn)云，如圖11合并多區(qū)域點(diǎn)云所示;2）進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，點(diǎn)云處理過程如圖12所示;3）三角化點(diǎn)云;4）評(píng)估點(diǎn)云，如圖13點(diǎn)云處理過程二所示，

b）根據(jù)曲面建模思路，在imageware中把點(diǎn)云分割成不同的分片點(diǎn)云區(qū)域，以便應(yīng)用imageware軟件的構(gòu)造曲面片命令快速重建，如圖14所示;逐個(gè)創(chuàng)建曲面片，如圖15所示;這里僅給出引擎蓋凹下部分曲面片創(chuàng)建過程:1）應(yīng)用自由曲面和邊界曲面創(chuàng)建4×4階NURBS曲面;2）曲線和曲面控制點(diǎn)法向擬合調(diào)整;3）面與面之間的曲率匹配;4）外觀評(píng)價(jià)檢測(cè);如圖16所示。按前述過程最終生成引擎蓋整體曲面，如圖17所示。

圖14 分片點(diǎn)云

c）引擎蓋曲面及偏差檢測(cè)

經(jīng)imageware軟件檢測(cè)，引擎蓋曲面單一曲面均為單凸特征，階數(shù)均在6階以下，單一特征面的建模默認(rèn)誤差小于 0.000 01，角度誤差小于 0.001°，相切誤差小于0.05，曲率連續(xù)性誤差小于0.05，如圖18所示;外觀環(huán)境反射較好，如圖19所示，符合車身A級(jí)曲面工程要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在汽車的車身覆蓋件設(shè)計(jì)中，A面憑借其高品質(zhì)的外觀視覺享受，已成為汽車產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)法寶。A級(jí)曲面重構(gòu)是車引擎覆蓋件設(shè)計(jì)中關(guān)鍵和煩瑣的環(huán)節(jié)。逆向創(chuàng)建曲面過程中需要根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的光影效果選擇恰當(dāng)重構(gòu)方法。在寶馬轎車的車引擎覆蓋件設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，采用基于NURBS面片的A級(jí)曲面逆向重構(gòu)方法，并以傳統(tǒng)產(chǎn)品外觀曲面設(shè)計(jì)思路為基礎(chǔ)，建立了車外覆蓋件數(shù)字化曲面CAD模型，主要外覆蓋件滿足A級(jí)曲面要求。該方法提高了A級(jí)曲面重構(gòu)的效率和品質(zhì)，所以Imageware在A面設(shè)計(jì)的表現(xiàn)大大提高了整車外觀設(shè)計(jì)的水平，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。

［1］黃誠(chéng)駒，李鄂琴.逆向工程項(xiàng)目式實(shí)訓(xùn)教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［2］單巖，謝斌飛.Imageware逆向造型技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［3］成思源.逆向工程技術(shù)綜合實(shí)踐［M］.北京:北京電子工業(yè)出版社，2010.

［4］馬鐵利.車身class-A曲面模型的構(gòu)造［J］.CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2005.

［5］陳恭錦，習(xí)俊通.Imageware在摩托車覆蓋件反求工程中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2005.

［6］李曉麗.Imageware中光滑拼接曲面的方法［J］.現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)，2007.