正逆向設計在電動汽車外觀曲面造型中的應用研究

王寶中，張富明，路春光，趙 震

（1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063009；2.首鋼京唐公司，河北 唐山 063000）

1 引言

傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品設計要根據(jù)客戶或市場的需求，來構思設想產(chǎn)品的模型組件，然后再對各個組件設計、制造、檢驗及性能測試，這個過程運用的是正向設計。正向設計軟件是以三維CAD/CAM軟件為平臺，應用線框造型、實體建?；騾?shù)化造型的建模方法，創(chuàng)建各種復雜零件的三維數(shù)字化模型。正向設計是一種由高層次的概念設計到物理模型的實現(xiàn)過程[1]。運用正向設計的建模方法在設計出零件之后，可以進行參數(shù)化編輯、修改和再設計，具有強大的后續(xù)小處理優(yōu)勢。然而在產(chǎn)品的開發(fā)設計及其制造的過程當中，許多時候的產(chǎn)品并不是由三維CAD模型所表現(xiàn)的，而是以實體模型呈現(xiàn)給設計者和制造者的，有時候甚至連圖紙和說明書的參考都沒有。為了滿足設計制造要求，這時候需要把已有實物模型的轉換為三維數(shù)字化模型。這種通過實際產(chǎn)品獲得模型數(shù)據(jù)，并且進行開發(fā)相同或相似的產(chǎn)品，還可以對設計的產(chǎn)品進行快速制造，這是逆向工程的實際應用的價值所在。

單一的依靠正向設計流程會導致產(chǎn)品的設計周期過長，并沒有引入先進的制造和生產(chǎn)技術；然而僅僅依靠逆向設計流程會導致在測量的過程中數(shù)據(jù)定位困難、數(shù)據(jù)量過大，用逆向數(shù)據(jù)處理軟件難以實現(xiàn)參數(shù)化和結構化設計，它僅僅對產(chǎn)品實現(xiàn)了復制，并不利于創(chuàng)新。針對以上正逆向設計的特點，提出采用正逆向綜合應用的混合式設計流程。

2 正逆向混合設計的一般流程

逆向工程作為產(chǎn)品開發(fā)設計的一種手段，得到了快速發(fā)展和廣泛應用[2]。逆向工程是將實體轉換為數(shù)字化模型的一門技術，它利用反求得到三維實體的數(shù)字?；汀Ｄ嫦蛟O計具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，對復雜曲面設計優(yōu)勢顯著，正向設計在實體建模中有強大功能。因此，提出了基于Artec Studio、Geomagic Studio和CATIA軟件的正逆向混合建模方法，來實現(xiàn)對產(chǎn)品的造型設計。

正逆向設計的一般流程分為三個階段：首先，對模型的表面數(shù)據(jù)進行采集和分析處理，然后需要對曲面或實體進行曲面重構，最后在運用正向設計軟件進行設計。逆向建模技術的流程圖，如圖1所示。該方法集成了正向設計和逆向設計的雙重優(yōu)勢，作為建模的一種新手段，有效的解決了對已有零件輪廓曲線建模困難的問題，從而更好的完成了產(chǎn)品的造型設計。

圖1 逆向設計的流程圖Fig.1 Flow Chart of Reverse Design

3 數(shù)據(jù)采集

采集數(shù)據(jù)質量的好壞對建立最終模型的精度起著極其重要的作用。此次數(shù)據(jù)采集采用非接觸式的測量方式，是以阿泰科Artec-Eva手持掃描儀為測量工具，該設備不需校準程序，掃描速度快，該掃描儀基于光學三角形定理，能夠獲得高質量的點云數(shù)據(jù)。

利用Artec掃描儀有以下基本操作步驟：第一，啟動掃描儀；在掃描的全過程中，會有視頻和音頻提示引導完成模型的掃描。繞著被測物體的慢慢的移動掃描儀，如果有一些區(qū)域沒有掃描到，可以稍后返回去繼續(xù)掃描。根據(jù)需要盡可能多的捕捉完整的對象。在實際的掃描中，由于客觀條件的限制，不可能一次就完成對整個模型的掃描，需要分成多個掃描區(qū)域，每個區(qū)域都有重疊的部分。把每次掃描得到的數(shù)據(jù)擬合在一起，形成完整的被測物體表面數(shù)據(jù)。第二，掃描數(shù)據(jù)的預處理；在Artec Studio軟件中即可完成三維數(shù)據(jù)的初步預處理。在掃描過程中人機需要合理配合，對模型的曲面進行詳細掃描，以保證測量到足夠的點云數(shù)據(jù)，真實的反映出曲面形狀。

4 數(shù)據(jù)預處理

4.1 基于Artec Studio軟件的數(shù)據(jù)處理

Artec Studio軟件是配合Artec-Eva掃描儀一起使用的，軟件具有自動快速處理模式，選定快速處理模式，不需要進行任何操作和后續(xù)處理，軟件就會自動完成模型的處理，只需保存模型即可。軟件可以進行實施模型顯示，能實時的顯示模型掃描的程度，直觀的了解已掃模型的樣式。

掃描結束后軟件會根據(jù)物體的特征與色彩紋理進行配準、擬合、合成等數(shù)據(jù)處理，同樣可以根據(jù)需要對模型進行光順處理、編輯處理等?；贏rtec Studio軟件的數(shù)據(jù)處理過程主要包括：編輯、數(shù)據(jù)擬合、配準合成和邊緣處理等過程。Artec Studio還可以對模型添加紋理色彩，只要點擊軟件的紋理按鈕，模型會自動添加紋理，該軟件可以創(chuàng)建各種豐富多彩的紋理映射，紋理可以和模型一同以JPG的文件格式輸出。

此過程的目的是對掃描的得到的數(shù)據(jù)文件進行初步處理，要得到完整精確的數(shù)據(jù)模型還需導入Geomagic Studio軟件中，作進一步的數(shù)據(jù)處理。

4.2 基于Geomagic Studio軟件的數(shù)據(jù)處理

運用Geomagic Studio可以進行三維數(shù)據(jù)處理，把多邊形網(wǎng)格轉換為參數(shù)化曲面模型，并可以輸出多種格式的文件，包括IGES、STEP和CAD等眾多文件格式[3]。將文件以OBJ格式的文件導入Geomagic Studio軟件中做進一步詳細的數(shù)據(jù)處理。Geomagic Studio數(shù)據(jù)處理詳細流程的分為點處理、多邊形處理和曲面處理3個階段，詳細的流程圖[4]，如圖2所示。

圖2 Geomagic Studio數(shù)據(jù)處理詳細流程圖Fig.2 Detailed Flow Chart of Geomagic Studio Data Processing

4.2.1 點處理階段

在點階段可以改進掃描得到的數(shù)據(jù)點，整理出所需要的點云數(shù)據(jù)，整理后的點云便于生成多邊形對象。點階段經(jīng)常的運用的命令有，斷開組件連接、體外孤點、減少噪音、統(tǒng)一采樣、封裝等步驟。

（1）手動刪除雜點：對于一些明顯不屬于主體的點，可以手動選擇這些點，進行刪除。

（2）斷開與組件連接：該命令可以自動探測出所有非連接的點，然后對這些點進行選中，并且進行刪除。該步驟代替手動選擇，選擇偏離主點云的數(shù)據(jù)點。

（3）體外孤點：在體外孤點命令中，可以設置敏感度，然后刪除體外孤點，該命令選擇任何超出指定限制的點。

（4）減少噪音：噪音的產(chǎn)生可能是由于光線或物體的震動產(chǎn)生的。該步驟的目的在于更好的表現(xiàn)出真是物體的形狀。減少噪音是通過擠壓數(shù)據(jù)帶的上下偏差來實現(xiàn)的。

（5）統(tǒng)一采樣：由于掃描需要多幅點云，多幅點云之間存在重疊，所以需要通過采樣消除重疊點云。該步驟在較少點云數(shù)量的同時保證了原有模型的面貌。

點階段的處理結束后，對數(shù)據(jù)進行封裝。軟件自動的將點云數(shù)據(jù)裝換成三角網(wǎng)格曲面。

4.2.2 多邊形處理階段

多邊形階段的處理過程非常重，該階段的處理直接決定這模型質量的好壞，并且為NURBS曲面的創(chuàng)建做了準備[5]。多邊形階段常用的命令有填充孔、去除特征、網(wǎng)格醫(yī)生、編輯邊界、簡化、松弛/砂紙等。

（1）填充孔：由于光線、遮擋以及模型表面的反射等因素的影響，采集到的被測物體可能有數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象。對于變形較大的部位，先刪除該部位的幾何形狀，再基于曲率來填充空缺。在該步驟中，既可以選擇對單個空進行填充，又可以選擇對所有孔洞進行修補。

（2）簡化：經(jīng)過上述處理，仍然可能有大量的點云數(shù)據(jù)，在運用軟件進行拓補關系運算時，占用計算機很大的內存，從而減緩計算機的運行速度。如果對模型的精度要求不是特別高，可以在保證數(shù)據(jù)精度的前提下進行簡化數(shù)據(jù)，在Geomagic Studio軟件中單擊簡化圖標，設置一個改變減少百分比就可以實現(xiàn)對模型數(shù)據(jù)的精簡效果。

（3）去除特征：光順曲面可以去除對象上的變性特征，在掃描的過程中由于一些反射因素或是數(shù)據(jù)精簡造成表面不光順問題，可以利用Geomagic軟件中的去除特征、砂紙、松弛、邊界編輯等命令對表面進行光順處理。

（4）網(wǎng)格醫(yī)生：網(wǎng)格醫(yī)生的類型里面，有刪除釘狀物、清除、去除特征、填充孔集中處理方式，自動修復包含了以上所有處理方式。該步驟可以直觀的反映模型質量的基本情況。網(wǎng)格醫(yī)生可對多邊形進行分析檢驗，并對多邊形表面進行修補處理。對于檢測出的釘狀物，可以對其進行刪除，該命令的目的用于平滑多邊形網(wǎng)格上的單點尖峰。

（5）松弛/砂紙：砂紙只針對于曲面的局部優(yōu)化，而松弛適用于整個模型。平滑級別用于設置松弛后表面的平滑度，強度是設置松弛的力度。該步驟的主要目的在于保證模型表面的光滑程度。

三角曲面處理結束之后，在運用網(wǎng)格醫(yī)生工具去驗證所處理的模型是否存在明顯的缺陷。然后再進行下一階段的處理。

4.2.3 曲面處理階段

Geomagic studio涵蓋兩個曲面設計模塊，分別為參數(shù)化曲面和精確曲面，然而精確曲面適合做一些曲面及其復雜的曲面，如動物類產(chǎn)品的造型；參數(shù)化曲面適合設計寫曲面相對比較簡單的模型，如一些機械零件，非連續(xù)的曲面模型。

NURBS曲面創(chuàng)建的主要步驟：精確曲面，探測輪廓線，構造曲面片，移動曲面片，構造格柵，擬合曲面等。

以上步驟即完成了NURBS曲面的創(chuàng)建，創(chuàng)建的模型如需要和已有的模型數(shù)據(jù)進行對比，可以在精確曲面下進行偏差分析，偏差分析表示的是創(chuàng)建的NURBS曲面與原來的三角網(wǎng)格曲面的偏差。以上步驟在數(shù)據(jù)處理的過程中，不一定按照以上步驟一一進行，可以根據(jù)最后模型的需要以及最后的模型用處來做取舍。創(chuàng)建NURBS曲面之后，可以將模型數(shù)據(jù)輸入到正向設計軟件CAD/CAM系統(tǒng)之中，從而便于進行后續(xù)加工處理，導出的格式有IGS、STP等。

5 基于CATIA軟件的正逆向集成建模

處理后的數(shù)據(jù)模型保存成CAD/CAM能夠多讀取的格式文件，然后導入CATIA軟件中進行集成建模。CATIA可以對獲得曲面進行分析，檢驗曲面曲線的連續(xù)性，以及曲線曲面的曲率等。同時CATIA軟件還具備多種檢查曲面品質的功能，通過對曲面的檢查分析、修改，從而得到所需要的理想的曲面模型[6]。在CATIA軟件中，可以對模型進行重構，對特征線進行提取，對特征線進行編輯規(guī)劃，從而得到高品質的光順曲面。在CATIA的環(huán)境下，以掃描的到模型為參考基準，選擇線框和曲面設計的模塊，運用填充、多截面曲面等常用的基本命令，根據(jù)具體的尺寸結構要求，設計出另一個零件的模型，從而完成另一個零件的設計，實現(xiàn)正逆向混合建模。

6 電動汽車外觀曲面造型的應用

以電動汽車前臉造型設計為例，車燈模型為已有的購置曲面模型，對于已購置的復雜曲面的模型進行建模，傳統(tǒng)的正向設計軟件很難完成，這時需要通過逆向工程技術獲取車燈的數(shù)據(jù)。在掃描數(shù)據(jù)開始前，首先由于車燈數(shù)據(jù)具有很強的發(fā)光性，所以應在車燈表面噴上一層顯像劑，以便得掃描到更多的模型表面數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過程中，隨時都有音頻和視頻的提示，掃描距離一般保持在70cm左右，如果距離太近或是太遠，會有音頻的提示。掃描得到多個模型的文件，對得到的模型數(shù)據(jù)進行清除噪點處理；然后對得到的模型進行兩兩對齊，最后融合成一個相對完整的模型，對齊前后，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)對齊的結果Fig.3 Data Aligned Result

為了保證數(shù)據(jù)模型的位置精度，在配準中需要進行精確配準。由于車燈曲面及其外圍輪廓都是自由光滑的曲面，因此運用光順形式合成，以便得到光滑自由的曲面，如圖4所示。

圖4 光滑自由曲面Fig.4 Smooth Surface

采集到的被測物體可能有數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象。網(wǎng)格重建之后，數(shù)據(jù)缺失的部位會產(chǎn)生孔洞，要得到完整的數(shù)值化模型，需要對孔洞進行數(shù)據(jù)修復[7]。對于變形較大的部位，先刪除該部位的幾何形狀，再基于曲率來填充空缺，采用了該方法，如圖5所示。

圖5 補洞前后的模型Fig.5 Filling Holes Model

將數(shù)據(jù)處理的初步結果保存成OBJ格式文件，導入到Geomagic Studio軟件中。雖然在Artec Studio軟件中已經(jīng)進行了外點和噪點的清除處理，但是為了保證數(shù)據(jù)的準確性，在Geomagic Studio中仍需做進一步的處理。將模型數(shù)據(jù)轉換成點云數(shù)據(jù)，然后在點階段運用斷開組件連接、體外孤點、減少噪音、統(tǒng)一采樣等命令進行處理[8-9]。處理的結果，如圖6所示。

圖6 點階段的處理結果Fig.6 Stage of the Process the Results

在多邊形階段常用的命令有填充孔、去除特征、網(wǎng)格醫(yī)生、編輯邊界、簡化、松弛/砂紙等，將點云數(shù)據(jù)模型重新封裝成三角面模型。最后運用網(wǎng)格醫(yī)生對模型數(shù)據(jù)進行分析檢驗，檢測出釘狀物3處，并對其進行剔除修正，處理前后結果，如圖7所示。

圖7 檢驗前后的結果Fig.7 Test Results Analysis

最后進行NURBS曲面創(chuàng)建，一鍵參數(shù)化曲面后軟件自動生成NURBS曲面[10]。對輪庫線進行局部微小調整，使其輪廓更加接近車燈的真實輪廓，同時也要保證整體輪廓的相對完美性。最后的車燈模型，如圖8所示。

圖8 最后的車燈模型Fig.8 Last Light Model

目前，CAD/CAM軟件系統(tǒng)能夠讀取的數(shù)據(jù)文件格式包括OBJ、IGS、STP等。將處理后的車燈數(shù)據(jù)模型保存成OBJ格式，導入CATIA軟件中進行造型建模[11]。在CATIA軟件中也可以對局部曲面或是整體曲面進行適當?shù)男薷?，從而設計出更加完美的車燈。在CATIA的環(huán)境下，打開汽車車燈的三維模型，以掃描的到模型為參考基準，選擇線框和曲面設計的模塊，運用填充、多截面曲面等常用的基本命令，根據(jù)具體的尺寸結構要求，設計出前臉的造型，其結果，如圖9所示。

圖9 最終設計的前臉造型Fig.9 Front Face Model Result

7 結論

正向設計和逆向設計的方法在建模領域各有其特點，逆向設計可以實現(xiàn)對已有零件實現(xiàn)復制，具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，對復雜曲面設計優(yōu)勢顯著；正向設計在實體建模中有強大的后續(xù)處理優(yōu)勢。為了提高建模效率，吸取了正向設計和逆向設計的雙重優(yōu)勢，提出了基于Artec Studio、Geomagic Studio和CATIA軟件相結合的正逆向混合設計建模方法。通過實例應用證明了該方法適用于獲得已有零件的模型，并在此基礎上實現(xiàn)另一零件的建模的情況。此方法探索了數(shù)字化設計的新途徑，減小了與實際物體的尺寸誤差，保證了模型的精確度，為正向設計提供了前提基礎，具有實際應用價值。

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