汽車零部件逆向三維設(shè)計中改進(jìn)設(shè)計質(zhì)量的若干方法探討

黃兵鋒，李瑩，謝銘澤

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車動力傳動與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北十堰442002；2.東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，湖北武漢430056）

汽車零部件逆向三維設(shè)計中改進(jìn)設(shè)計質(zhì)量的若干方法探討

黃兵鋒1，李瑩1，謝銘澤2

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車動力傳動與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北十堰442002；2.東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，湖北武漢430056）

汽車零部件和車身鈑金件逆向設(shè)計中，為了減少三維模型與點(diǎn)云的誤差、保證模型滿足功能需求、提高設(shè)計模型的質(zhì)量，提出了校正基準(zhǔn)、點(diǎn)云分塊、正逆向結(jié)合、陣列特征統(tǒng)一參數(shù)、以加工精度要求劃分設(shè)計工作重心等方法，可降低建模工作的復(fù)雜度，減輕設(shè)計工作量，改進(jìn)逆向設(shè)計模型的質(zhì)量。

白車身；逆向工程；鈑金件

汽車開發(fā)過程中常常會涉及逆向工程，較為人熟知的車身和內(nèi)飾的造型設(shè)計一般都利用逆向工程按A級曲面的要求完成。一般來說，汽車工業(yè)的逆向工程應(yīng)用包括［1］：1）汽車新零件的設(shè)計，主要用于產(chǎn)品的改型或仿型設(shè)計，例如整車產(chǎn)品Bench?marking（對標(biāo)分析）［2］；2）已有零部件的復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計意圖，如車身和內(nèi)飾的造型設(shè)計；3）損壞或磨損零部件的還原；4）汽車車身特征斷面設(shè)計，如車身鈑金件設(shè)計；5）數(shù)字化模型的檢測。

整車對標(biāo)分析時，未必會建立完整的三維模型，但關(guān)鍵尺寸的數(shù)值精度至關(guān)重要［3］。車身鈑金件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般都具有定位、連接、加強(qiáng)、導(dǎo)風(fēng)散熱等功能。不同于車身和內(nèi)飾逆向設(shè)計中造型優(yōu)先的原則，鈑金件和結(jié)構(gòu)件的逆向設(shè)計以滿足功能需求為目的，因此，減少三維模型與點(diǎn)云的誤差、保證模型滿足功能需求是衡量其質(zhì)量的主要準(zhǔn)則。

隨著版本的更新，Catia、NX等三維軟件的曲面和逆向設(shè)計功能日益增強(qiáng)，并出現(xiàn)了一些功能強(qiáng)大的高級曲面功能。目前，逆向設(shè)計的軟件較多，這些軟件各有特色，在條件許可時若能綜合應(yīng)用多個軟件，可顯著提高逆向設(shè)計的效率并改進(jìn)設(shè)計質(zhì)量。Geomagic Studio軟件是逆向工程中的一款著名軟件，以靈活而方便的點(diǎn)云和多邊形處理功能而著稱。利用Geomagic Studio配合其他逆向設(shè)計軟件，可極大地減輕點(diǎn)云和多邊形處理的工作量，加快三維逆向設(shè)計的進(jìn)度［4］。

本文中根據(jù)汽車白車身和其他零部件逆向設(shè)計的實(shí)踐，總結(jié)了改進(jìn)三維模型質(zhì)量的若干方法。

圖1　在Geomagic Studio中對排氣管點(diǎn)云坐標(biāo)對齊

1　改進(jìn)逆向建模質(zhì)量的若干方法

1.1基準(zhǔn)的校正

有的掃描儀無法定義基準(zhǔn)平面（或基準(zhǔn)軸），因此在逆向軟件中，掃描所得點(diǎn)云在坐標(biāo)系中有時是傾斜的。也有的零件是鈑金件或塑料件，受力或受熱后極易翹曲變形，掃描時難以對齊基準(zhǔn)擺放。此時可以在逆向建模之前先對齊點(diǎn)云。一般是根據(jù)點(diǎn)云擬合出某些直線（軸線）或平面作為新的基準(zhǔn)軸或基準(zhǔn)面，并將點(diǎn)云依照新的基準(zhǔn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動。Geomagic Studio軟件的全局對齊（Global Reg?istration）、Imageware的Modify/Align/Stepwise功能、Catia V5的軸系A(chǔ)xis to Axis等均能實(shí)現(xiàn)這一目的。圖1為Geomagic Studio中某排氣管點(diǎn)云的坐標(biāo)對齊。

1.2點(diǎn)云的分塊處理

對于逆向設(shè)計來說，曲面分塊非常重要，決定著建模的效率和曲面的質(zhì)量，分塊方式直接影響后續(xù)的曲面構(gòu)造方式、曲面拼接和過渡效果［5］。A面設(shè)計時往往“先基礎(chǔ)面后過渡面”，以保證曲面質(zhì)量和精度；但鈑金件設(shè)計時，由于對曲面光順的要求不高，可以考慮先完成過渡面，再建立基礎(chǔ)面。這種做法類似于產(chǎn)品設(shè)計中的“Top-down”設(shè)計模式，既可以降低復(fù)雜程度，也有利于多人分組合作。圖2為某轎車發(fā)動機(jī)艙前圍板的根據(jù)點(diǎn)云建立三維模型時的分塊示意圖。

圖2　發(fā)動機(jī)艙前圍板分塊示意圖

1.3逆向設(shè)計與正向設(shè)計相結(jié)合

在零件掃描過程中，常常因為零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、掃描儀性能有限或操作方式不合理等各種原因，所得點(diǎn)云難以達(dá)到理想效果，尤其是零件的邊角、空洞和空洞內(nèi)部等處很難在逆向軟件中處理，如圖3中活塞的頭部邊界和環(huán)槽、發(fā)動機(jī)艙左前輪罩。另外，車身鈑金件在拆解時易變形，尤其是焊接或鉚接處只能強(qiáng)力破壞，如圖4所示的白車身地板上2處螺栓孔在拆解時被破壞了。此時若利用游標(biāo)卡尺等工具，拆解前直接在初始零件上測量，結(jié)合測量所得尺寸與點(diǎn)云一起進(jìn)行三維建模，往往能得到較好的結(jié)果。

圖3掃描質(zhì)量欠佳的點(diǎn)云　

圖4　車身地板在拆解過程中造成的破壞

在建立三維模型時，根據(jù)零件特點(diǎn)，靈活使用精確曲面擬合（NURBS曲面擬合）和參數(shù)化建模兩種方式，既能有效保證設(shè)計質(zhì)量，也有利于后續(xù)的修改調(diào)整（有限元分析后往往會修改零件參數(shù)），且建模過程較為簡便。

1.4陣列特征的處理

傳統(tǒng)正向設(shè)計中，各大三維CAD軟件都提供陣列特征的功能。逆向建模時，零件上也可能有存在陣列關(guān)系的特征（或尺寸有規(guī)律的特征）。如圖5所示，排氣管上用于連接和固定用的螺栓孔，就應(yīng)該是同樣的規(guī)格；逆向建模時，應(yīng)使其法線方向、孔徑完全一致。有的時候，有陣列關(guān)系的特征還會處于同一直線（或圓周）上，利用陣列功能建立此類特征的三維模型能更好的還原設(shè)計意圖。

同時要考慮到汽車零件尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化、零件的加工性等。熟悉汽車設(shè)計過程，有助于快速判斷逆向設(shè)計的某些尺寸（或圓整尺寸數(shù)值），如鈑金件厚度和折彎半徑、過渡圓角半徑、拔模斜角等；利用整車車身的對稱性也能有效保證三維模型的質(zhì)量。

表1列出了圖5中排氣管螺栓孔尺寸的測量值和圓整結(jié)果。

圖5　存在陣列關(guān)系的排氣管螺栓孔

表1　排氣管螺栓孔尺寸測量結(jié)果　mm

1.5區(qū)別對待

對于汽車零部件而言，并非所有的零件、所有的表面都是同一精度要求，車身外表面和內(nèi)飾件A級曲面既有符合油泥模型的精度要求，也有滿足造型設(shè)計意圖的要求；其他零部件中，基準(zhǔn)面、精加工面、接觸面一般精度要求很高，而有的表面則對精度要求很低，例如某些鑄造成型的非加工表面（毛坯面）。如圖6所示，活塞的內(nèi)外兩側(cè)表面，加工精度差別很大。因此，在進(jìn)行逆向建模的時候，對于精度要求高的表面，應(yīng)反復(fù)調(diào)整擬合參數(shù)，或者使用較為細(xì)致的建模方式（例如將擬合方式由拉伸改為放樣、增加放樣截面數(shù)量等）；而精度要求低的表面，可采用較為簡略的方法處理，節(jié)約時間和精力。

圖6　活塞內(nèi)外側(cè)加工精度不一樣

2　結(jié)束語

本文中討論了汽車新零件開發(fā)、白車身鈑金件設(shè)計中，建立逆向模型時改進(jìn)三維模型質(zhì)量的若干方法。規(guī)范統(tǒng)一的基準(zhǔn)是進(jìn)行逆向建模的基礎(chǔ)工作，合理的分塊有利于降低工作的復(fù)雜程度和分工協(xié)作，正逆向設(shè)計方式的靈活結(jié)合是出奇制勝的法寶，對符合陣列關(guān)系的特征歸一化處理利于表達(dá)特征之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，對不同精度的特征區(qū)別對待則更好的還原了設(shè)計意圖。根據(jù)零件的特點(diǎn)靈活應(yīng)用一種方法，或組合使用多種方法，有利于保證所建立的三維模型更好地還原原始設(shè)計意圖、保證設(shè)計精度。

應(yīng)注意的是，要想在逆向設(shè)計中高效高質(zhì)量地建立三維模型，不僅僅需要設(shè)計人員具有非常熟練的三維建模軟件應(yīng)用能力，而且還應(yīng)具有較豐富的汽車設(shè)計經(jīng)驗，以及車身沖壓、焊接、涂裝及總裝工藝知識［6-7］。

［1］胡敏，張建武，魯統(tǒng)利.產(chǎn)品Benchmarking在整車自主開發(fā)中的應(yīng)用［J］.北京汽車，2007（2）：1-3+7.

［2］郭一鳴，汪建安.乘用車參考樣車靜態(tài)參數(shù)的對標(biāo)分析［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2010（1）：15-20.

［3］劉超凡.Benchmarking開發(fā)流程建立及應(yīng)用研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2014.

［4］黃兵鋒.汽車零部件逆向設(shè)計中的參數(shù)化建模方法研究［J］.機(jī)電工程，2013（11）：1345-1349.

［5］鄭冬黎，孫銀健.車門內(nèi)板復(fù)雜鈑金件逆向建模方法探討［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2013（2）：46-49.

［6］李陽，成思源，楊雪榮，等.基于參數(shù)化的鈑金零件逆向設(shè)計［J］.機(jī)床與液壓，2015（1）：83-86+106.

［7］閆華，林巨廣，蔡樹煌，等.汽車覆蓋件逆向工程中的若干關(guān)鍵技術(shù)探討［J］.模具技術(shù)，2001（2）：4-7.

［8］李瑩，張勝蘭，曾虎.基于逆向工程的車身A級曲面建模［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2012，26（2）：16-19.

Methods of Improving 3D Model in Automotive Parts and Components Reverse Design

Huang Bingfeng1，Li Ying1，Xie Mingze2
（1.Hubei Key Laboratory of Automotive Power Train and Electronic Control，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China；2.Technical Center，Dongfeng Motor Corporation，Wuhan 430056，China）

In the reverse design of the automotive parts and BIW sheet metal parts，in order to reduce the deviation between the 3D model and the cloud point and ensure the model to meet the functional require?ments，to improve the quality of the reverse design model，some methods were put forward，for adjusting reference，blocking cloud point，combining reverse engineering with forward engineering，normalizing the parameters of arrayed characters，distinguishing key points by machining accuracy.The methods can de?crease the complexity of the modelling，and reduce the design workload，and improve the quality of the re?verse design model.

body in white；reverse engineering；sheet metal

U463；TP391.72

A

1008-5483（2016）02-0028-03

10.3969/j.issn.1008-5483.2016.02.007

2016-02-21

黃兵鋒（1977-），男，湖北枝江人，碩士，從事汽車動力學(xué)研究。E-mail：79871288@qq.com