基于NX的汽車車身A級曲面設(shè)計(jì)與質(zhì)量分析

劉鋒

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車學(xué)院，浙江 杭州 310018)

基于NX的汽車車身A級曲面設(shè)計(jì)與質(zhì)量分析

劉鋒

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車學(xué)院，浙江 杭州 310018)

摘要：介紹了車身A級曲面設(shè)計(jì)的一般流程。以某汽車前保險(xiǎn)杠蓋板A級曲面實(shí)現(xiàn)為例，通過車身曲面幾何特征劃分，主、輔曲面構(gòu)建及曲面品質(zhì)檢測等設(shè)計(jì)過程，探討了實(shí)現(xiàn)汽車A級曲面建模和曲面質(zhì)量檢測的關(guān)鍵技術(shù)和方法。

關(guān)鍵詞：汽車；車身；曲面設(shè)計(jì)；質(zhì)量分析；

Design and Quality Analysis of Car Body Class-A Surface Based on NX

LIU Feng

(Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Abstract:The car body class A surface design workflow is introduced in the paper. A car front bumper surface design is taken for example, the key techniques and methods of car body class A surface design and analysis are presented after discussion on these critical procedures of class A surface design and according to the surface geometry characteristics division, main and auxiliary surface creation and surface quality analysis.

Keywords:car; car body; surface design; quality analysis

0引言

在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，車身作為汽車四大總成之一和新車的象征，它的研制與生產(chǎn)技術(shù)水平是汽車工業(yè)水平的重要標(biāo)志。一個總體設(shè)計(jì)優(yōu)良的汽車品牌在市場競爭中的成敗，除了其功能上的體現(xiàn)，還取決于其外形能否吸引顧客。如何利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，加快車身總體和外觀設(shè)計(jì)，縮短車身的設(shè)計(jì)周期，提高車身的制造精度和經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品不斷的推陳出新是汽車品牌在市場競爭中立于不敗之地的重要因素之一。

文中探討了自由曲線、曲面在NX中的描述方式，總結(jié)了一些有創(chuàng)意的曲線、曲面編輯特性，并以某汽車前保險(xiǎn)杠蓋板曲面實(shí)現(xiàn)為例，通過曲面幾何特征劃分，主、輔曲面構(gòu)建以及曲面品質(zhì)檢測等設(shè)計(jì)過程，探討了在NX中實(shí)現(xiàn)汽車A級曲面[1]建模和曲面品質(zhì)檢測的關(guān)鍵技術(shù)和方法。

1車身A級曲面設(shè)計(jì)流程

圖1為車身A級曲面開發(fā)流程圖，在車身總體布置方案完成后進(jìn)入車身外形設(shè)計(jì)階段。首先通過繪制草圖，進(jìn)行概念草模的構(gòu)建、渲染、評審、修改，設(shè)計(jì)草圖主要突出設(shè)計(jì)創(chuàng)意，是設(shè)計(jì)師快速捕捉創(chuàng)意靈感的最好方法。接著進(jìn)入精細(xì)效果圖繪制階段，即產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型建構(gòu)階段，通過添加局部細(xì)節(jié)細(xì)化模型，添加前大燈，前格柵等細(xì)節(jié)部分，確定具體樣式，內(nèi)部評審、修改數(shù)字模型，將最后確定的數(shù)字模型反饋到1∶5小比例油泥模型即數(shù)模驗(yàn)證模型上。經(jīng)過反復(fù)評審，修改、檢測、完善，直到確定符合要求的1∶1全尺寸油泥模型，并將最終確定的全尺寸油泥模型，通過逆向工程反饋成計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型。該數(shù)據(jù)模型是用于后期工程輸入的數(shù)據(jù)，因此對數(shù)據(jù)模型曲面質(zhì)量要求很高，即A級曲面標(biāo)準(zhǔn)。A級曲面完成后即可對該車進(jìn)行數(shù)字模型發(fā)布，該車的外形設(shè)計(jì)階段也到此結(jié)束。從圖1可以清楚地看到如何由掃描油泥模型得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速實(shí)現(xiàn)精確曲面的構(gòu)建，成為車身A級曲面設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的一環(huán)。

圖1　車身A級曲面設(shè)計(jì)流程

2曲線、曲面編輯操作特性

貝塞爾-Bézier曲線(曲面)和 非均勻有理b樣條-NURBS曲線(曲面)是CAD軟件中常見的兩種自由曲線(曲面)表達(dá)方法[2]，圖2為3次Bézier曲線圖，圖3為4段3次NURBS曲線圖。

圖2　3次Bézier曲線

圖3　4段3次NURBS曲線

圖4　NURBS的Bézier理解圖

圖5　4段3次NURB極點(diǎn)控制區(qū)域

貝塞爾-Bézier曲線 (曲面)是由單一的表達(dá)式控制的單段(片)曲線(面)，其形狀由控制頂點(diǎn)和插值方式?jīng)Q定。Bézier曲線(曲面)內(nèi)部光滑，其形狀調(diào)節(jié)有很強(qiáng)的整體性，移動一個控制點(diǎn)對整個曲線(曲面)都有影響，可通過增加次數(shù)來實(shí)現(xiàn)形狀調(diào)節(jié)的靈活性。但隨著其次數(shù)的增加，調(diào)控性變差。與Bézier曲線(曲面)曲面相同，NURBS曲線(曲面)形狀同樣是由控制頂點(diǎn)和插值方式?jīng)Q定。NURBS樣條曲面表達(dá)式更復(fù)雜，但更靈活，通過調(diào)整插值方式改變曲面形狀，復(fù)雜的形狀可通過低階的次數(shù)獲得，并可準(zhǔn)確表達(dá)二次曲面(線)[3]。NURBS曲線(曲面)可以認(rèn)為是多段(片)Bézier曲線(曲面)首尾相接而成(見圖4)，每一段(片)有自己的控制表達(dá)式[3]。圖5為4段3次NURBS極點(diǎn)控制區(qū)域示意圖。Bézier曲線(曲面)可看作是只有一段(片)的特殊NURB曲線(曲面)。通過增加NURBS曲線(曲面)次數(shù)或內(nèi)部的段(片)數(shù)來改善樣條局部屬性，提升其形狀控制靈活性。曲線(曲面)內(nèi)部參數(shù)連續(xù)性[3]由插入的節(jié)點(diǎn)數(shù)量來決定(見圖6)。

圖6　3次NURBS曲線參數(shù)連續(xù)性與節(jié)點(diǎn)插入重復(fù)次數(shù)關(guān)系

3車身A級曲面分類、建構(gòu)和檢測

NX工業(yè)設(shè)計(jì)模塊提供了強(qiáng)大的高級曲面構(gòu)建和分析工具，能快速實(shí)現(xiàn)汽車A級曲面建模以及曲面品質(zhì)評估。汽車保險(xiǎn)杠外板是汽車外形的重要裝飾部件，是整車造型風(fēng)格的重要體現(xiàn)，具有極高的外表面品質(zhì)要求[1]。以某汽車前保險(xiǎn)杠蓋板A級曲面的建模實(shí)現(xiàn)為例，從曲面幾何結(jié)構(gòu)分類、曲面構(gòu)建方法以及對構(gòu)建曲面品質(zhì)檢測3個方面探討汽車車身A級曲面在NX中實(shí)現(xiàn)的過程。

3.1車身A級曲面幾何結(jié)構(gòu)特征類型

汽車外表面是由多張大面、過渡面、圓角面等通過一定的幾何拓?fù)潢P(guān)系組合的幾何體。根據(jù)汽車外表面幾何特征，將汽車外表面幾何特征結(jié)構(gòu)劃分為圖7所示的幾種類型：

主曲面：相對獨(dú)立的，大面積，小曲率且無曲率反轉(zhuǎn)片體，根據(jù)能否由掃掠特征構(gòu)建，又分為均勻和非均勻主平面，能由單一的掃掠特征構(gòu)建的為均勻主平面，反之為非均勻主平面。

圖7　車身曲面幾何結(jié)構(gòu)特征類型

藝術(shù)圓角：兩主曲面之間過渡橋接的面片，通常表現(xiàn)為窄、長特征，截面呈現(xiàn)藝術(shù)圓弧形。

倒角面：通常出現(xiàn)在三個面相接的位置，呈現(xiàn)空間倒角結(jié)構(gòu)。

橋接過渡曲面：連接主曲面，不表現(xiàn)為藝術(shù)圓角表現(xiàn)的窄、長圓角特征的橋接面。

消失面：外觀上的局部特征從突出逐漸變化到和其他外觀融合并消失的曲面。

翻邊面：平面部分或曲面部分的邊緣，沿一定曲線翻起豎立的曲面。

汽車外表面幾何特征劃分將有助于確定正確的造型思路，明確每個曲面的類型和生成方法，即通過先主后輔的建模思想，選定合理的造型方法。先構(gòu)建各主曲面，再細(xì)化輔助區(qū)域，如橋接過渡面、圓角面、消失面等，來達(dá)到方便建模的目的，同時(shí)有規(guī)律的構(gòu)面比較容易獲得較高的面片品質(zhì)和配合精度，也有利于建模經(jīng)驗(yàn)積累。

經(jīng)過對油泥模型相應(yīng)部位掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理(去噪點(diǎn)、拼接、稀疏、光順等)[4]得到如圖8示點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過對點(diǎn)云與油泥實(shí)物模型對照分析，將保險(xiǎn)杠蓋表面結(jié)構(gòu)特征劃分為：主片體，藝術(shù)圓角，橋接過度曲面，消失面，翻邊面等細(xì)化結(jié)構(gòu)。

圖8　輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.2 車身曲面構(gòu)建

曲面構(gòu)建是車身A級曲面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過所劃分的幾何特征結(jié)構(gòu)，選定合理的造型方法，先構(gòu)建各主曲面再構(gòu)建輔助區(qū)域：橋接過渡面、圓角面、消失面等，來實(shí)現(xiàn)曲面建模。

主曲面構(gòu)建方法一般遵循1)由點(diǎn)→線→面；2)由點(diǎn)→面的原則進(jìn)行。

a) 基于曲線的構(gòu)件方法

根據(jù)能否由掃掠特征構(gòu)建汽車內(nèi)、外飾面中相對獨(dú)立、大面積、小曲率且無曲率反轉(zhuǎn)的片體，基于曲線的構(gòu)建方法可分為下面兩類：

1) 過網(wǎng)格曲線

直接由掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合網(wǎng)格曲線， 再通過這些網(wǎng)格曲線構(gòu)建主片體。曲面品質(zhì)主要有輸入擬合曲線決定。網(wǎng)格線要求：與輸入點(diǎn)數(shù)據(jù)貼合度高(可由deviation gauge-偏置誤差檢測保證)，分布均勻，走勢合理、一致、漸變(由curve analysis-曲率梳檢測保證)，光順度高達(dá)G2以上連續(xù)(curve continuity-曲線間連續(xù)性檢測保證)。通常是根據(jù)輸入點(diǎn)云輪廓走勢，截取特征輪廓線，輪廓線采樣，再由藝術(shù)樣條(studio spline)、圓弧、直線、二次、三次曲線等擬合采樣點(diǎn)構(gòu)建，且NX提供了強(qiáng)大的擬合曲線功能(fit curve)來擬合曲線。接著應(yīng)用過網(wǎng)格(through curve mesh)，過曲線網(wǎng)格(through curve mesh)等命令構(gòu)建曲面。圖9為一過網(wǎng)格曲線構(gòu)面示例。

圖9　過網(wǎng)格曲線構(gòu)面

2) 掃掠

通過對輸入的數(shù)據(jù)點(diǎn)的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定掃掠區(qū)域：相對獨(dú)立的、大面積、小曲率且無曲率反轉(zhuǎn)片體，構(gòu)建掃掠截面線和軌道線，生成掃掠主片體。該方法的難點(diǎn)在于抽取合理造型特征主輪廓和引導(dǎo)曲線，相較過網(wǎng)格線法有較少的擬合曲線過程。通過掃掠由輸入點(diǎn)數(shù)據(jù)得到的高品質(zhì)擬合曲線構(gòu)建相應(yīng)的曲面特征。圖10為一掃掠構(gòu)面示例。

圖10　掃掠構(gòu)面

b) 基于曲面的構(gòu)件方法

該方法不需要提前構(gòu)建任何輸入曲線，是由輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)直接擬合特征曲面。一般是先構(gòu)建4點(diǎn)面(four point surface)或擬合面(fit surface)覆蓋輸入的點(diǎn)云(覆蓋范圍比點(diǎn)云片略大)，然后應(yīng)用NX高級曲面編輯功能X成型(xform)拖拽調(diào)節(jié)控制極點(diǎn)逐步達(dá)到所需面體形狀，并結(jié)合實(shí)時(shí)的面品質(zhì)分析工具來保證所構(gòu)建面的品質(zhì)。該方法對設(shè)計(jì)人員的要求比較高。圖11為一由拖拽控制點(diǎn)構(gòu)建曲面示例。

圖11　由輸入點(diǎn)云直接構(gòu)面

各主曲面構(gòu)造完成后，應(yīng)用NX提供的曲線擬合(fit curve)、橋接曲線(bridge curve)、藝術(shù)圓角(styled blend)，藝術(shù)倒角(syled corner)，法蘭構(gòu)建(silhouette flange)等命令完成輔助特征曲面的構(gòu)建。注意在構(gòu)建橋接過渡面片所需網(wǎng)格曲線時(shí)，為保證橋接片體與主體面間的光順性，一般要求連接主片體的過渡線連續(xù)性滿足G2以上[5]。在曲面建構(gòu)過程中，如果零件對稱，只需對一半進(jìn)行建模后鏡像，最后再填充兩者之間的間隙，這樣可以減少建模工作量。圖12為某汽車前保險(xiǎn)杠蓋板曲面數(shù)據(jù)模型。

圖12　保險(xiǎn)杠蓋曲面三維模型圖

造型時(shí)所采用的方法、步驟、技巧往往因設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)特點(diǎn)而有所差異。在設(shè)計(jì)中一般混合使用上述方法。過網(wǎng)格曲線是一種傳統(tǒng)方法；而對表面幾何特征明顯，分布均一的大曲面可以通過掃掠快速獲??；對表面形狀幾何不宜描述清楚的面片，則通過拖拽控制點(diǎn)的基于曲面的構(gòu)建方法的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)對一些特征比較明顯的規(guī)整部位，可由NX提供的造型功能直接實(shí)現(xiàn)，如連接大片體間過渡曲面通?？煽紤]由二次曲面組功能，藝術(shù)圓角功能，藝術(shù)倒角功能等。

3.3A級曲面品質(zhì)檢測方法

汽車A級曲面檢測包括曲面特征檢測和曲面品質(zhì)檢測, 曲面特征檢測指造型人員根據(jù)汽車造型要求評價(jià)所做的曲面是否符合造型意圖(即構(gòu)建好的曲面與原始輸

入數(shù)據(jù)間的貼合程度)， 曲面品質(zhì)檢測指對組成它的每張曲面片的品質(zhì)及面片之間連續(xù)性進(jìn)行檢測。NX提供了一組豐富的、功能強(qiáng)大的曲線、曲面檢測工具，如偏置公差檢測，高斯曲率檢測，曲率梳檢測，高亮檢測，斑馬條紋，曲線間連續(xù)性檢查，曲面間連續(xù)性檢查等。在設(shè)計(jì)過程中可以實(shí)時(shí)對造型結(jié)果進(jìn)行評估，能有效及時(shí)修正設(shè)計(jì)缺陷，保證設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)品質(zhì)。為滿足A級曲面要求,如對高光面檢測方法要求高光走勢一致，條文均勻，過渡光順，無扭曲; 對曲率梳檢測方法則要求曲率梳均勻或漸變、走勢有規(guī)律、無跳動、扭曲、突變、反曲等都是結(jié)果品質(zhì)的判定標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。圖13為保險(xiǎn)杠蓋A級曲面斑馬條紋檢測分析結(jié)果。

圖13　保險(xiǎn)杠蓋曲面斑馬條紋檢測分析結(jié)果

4結(jié)語

分析了CAD軟件常見曲線曲面的基本構(gòu)造原理，有利于從本質(zhì)理解把握軟件功能，為構(gòu)建高品質(zhì)的A級曲面打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，并以某汽車前保險(xiǎn)杠蓋板的A級曲面數(shù)據(jù)模型構(gòu)建為例，通過曲面幾何特征劃分，主、輔曲面構(gòu)建以及曲面品質(zhì)檢測等設(shè)計(jì)過程，探討了在NX中實(shí)現(xiàn)汽車A級曲面和曲面品質(zhì)檢測的關(guān)鍵技術(shù)和方法，對縮短車身產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高車身產(chǎn)品的制造精度，增強(qiáng)車身開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益有較強(qiáng)的借鑒意義。

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收稿日期：2014-12-30

中圖分類號：U463.82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0059-04

作者簡介：劉鋒(1978-)，男，湖北荊門人，講師，碩士，研究方向?yàn)镃AD/CAM與遞向工程。