汽車覆蓋件參數(shù)化逆向工程設計研究＊

陳建洲 吳婷

（嘉興學院，嘉興 314001）

主題詞：汽車覆蓋件 參數(shù)化 逆向工程 區(qū)域劃分 特征提取

1 前言

隨著計算機技術(shù)和汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，以測量技術(shù)為基礎、曲面重構(gòu)技術(shù)為支撐的逆向工程(Reverse Engineering，RE)技術(shù)在汽車產(chǎn)品的設計開發(fā)中得到了廣泛應用[1]。逆向工程[2]能夠快速而準確地建立零件原型的數(shù)字化模型，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，是實現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)手段[3]。汽車覆蓋件傳統(tǒng)的逆向設計流程是首先將通過掃描獲得的零件表面點云進行數(shù)據(jù)分塊，再通過對分塊數(shù)據(jù)進行曲線或曲面的擬合，將擬合得到的若干小曲面片通過拼接得到物體的各個面，從而重建出產(chǎn)品的數(shù)字化CAD模型[4-5]。然而，這種傳統(tǒng)的非參數(shù)化的逆向建模方法不利于進一步的編輯修改和再設計，無法將逆向設計的結(jié)果直接應用到新產(chǎn)品開發(fā)中[6]，因而將正向設計和逆向設計有機結(jié)合起來的參數(shù)化設計方法已成為設計研發(fā)領域的必然趨勢[7]。

本文針對汽車覆蓋件的結(jié)構(gòu)特點，采用一種基于區(qū)域劃分和特征識別的正逆向相結(jié)合的設計方法，從測量數(shù)據(jù)中提取出可以重新進行參數(shù)化設計的特征及設計意圖，從而獲取完整的參數(shù)化CAD模型，方便后續(xù)的有限元分析和優(yōu)化設計。

2 參數(shù)化正逆向設計流程

根據(jù)汽車覆蓋件表面幾何形態(tài)特征，采用如圖1所示的設計建模流程。

圖1 參數(shù)化正逆向設計流程

如圖1所示，首先對實物樣件的掃描數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理，然后進行基于曲率的特征區(qū)域劃分，根據(jù)正向建模思想對規(guī)則區(qū)域（如平面、拉伸面、回轉(zhuǎn)面等）提取其區(qū)域特征（如回轉(zhuǎn)截面和回轉(zhuǎn)軸）以構(gòu)建規(guī)則特征實體或曲面，對非規(guī)則自由曲面區(qū)域提取邊界特征線和截面特征線，以利用掃描或放樣等操作構(gòu)建非規(guī)則特征實體或曲面等，最后運用布爾運算得到實物的CAD模型。將設計好的CAD模型與原始掃描數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析，如果精度和光順性較差則再次進行正向設計，并重新調(diào)整參數(shù)和特征曲線，直到貼合為止。這種方法可以充分發(fā)揮正向設計和逆向設計各自的優(yōu)勢，使其盡可能符合產(chǎn)品原來的設計意圖和造型方法，實現(xiàn)參數(shù)化設計。

3 汽車覆蓋件參數(shù)化逆向設計

以某品牌汽車后保險杠外殼板為例，在正逆向軟件Geomagic Design X平臺下，通過對其進行基于區(qū)域劃分和特征識別正逆向相結(jié)合的參數(shù)化建模與分析，以體現(xiàn)該方法的特點與優(yōu)勢。

3.1 數(shù)據(jù)采集與預處理

利用激光掃描儀對保險杠外表面進行掃描，以獲取零件表面的幾何坐標數(shù)據(jù)即點云數(shù)據(jù)，由于保險杠為結(jié)構(gòu)對稱的薄殼零件，因此只需掃描約1/2的外表面即可。掃描完成后，通過刪除體外孤點、統(tǒng)一采樣、降噪、網(wǎng)格封裝、網(wǎng)格醫(yī)生、填充孔、裁剪、簡化等功能對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，最后得到精簡的保險杠點云模型，如圖2所示。

3.2 特征區(qū)域劃分

保險杠的網(wǎng)格模型表面既包含自由曲面，又具有很多平面和二次曲面等，為方便后續(xù)建模，首先利用Geomagic Design X的“領域組”功能對網(wǎng)格模型進行曲率分析，并根據(jù)曲率信息將模型表面劃分為若干不同區(qū)域，如圖3a所示。受點云誤差所限，區(qū)域劃分范圍可能遠離理想結(jié)果，因此根據(jù)保險杠表面形態(tài)特征，將相同類型的特征區(qū)域利用“合并”鄰域功能進行合并組合，對不同類型的特征區(qū)域利用“分割”或“插入”功能進行手動重新分割，得到最終的特征區(qū)域劃分結(jié)果如圖3b所示。

圖2 精簡后的部分保險杠點云模型

圖3 保險杠特征區(qū)域識別與劃分

3.3 坐標系建立

坐標系作為整個逆向工程的基準，其精確建立對建模精度具有重要影響[8]。由于該保險杠為平面對稱結(jié)構(gòu)，為方便后續(xù)操作，將模型坐標系原點位置設在對稱平面上，且其中一個坐標軸垂直于對稱面。從特征區(qū)域劃分結(jié)果可知，特征區(qū)域1（圖4a）為一平面，中間的安裝孔區(qū)域2（圖4b）為圓柱面且位于保險杠模型中部。因此，首先對區(qū)域1進行平面擬合，并提取區(qū)域2的圓柱面回轉(zhuǎn)軸線；然后利用坐標系對齊功能，使區(qū)域1與世界坐標系的XY坐標面對齊，回轉(zhuǎn)軸線與Z坐標軸對齊，結(jié)果如圖4c所示。這樣，坐標系原點就正確地位于安裝孔中心，模型的對稱面即為YZ坐標面。

圖4 坐標系建立

3.4 參數(shù)化設計

3.4.1 保險杠主體結(jié)構(gòu)重建

保險杠主體曲面為自由曲面，是整個逆向設計中的關(guān)鍵。傳統(tǒng)方法是利用擬合工具將其擬合為NURBS自由曲面，這種方法雖然擬合速度快，但如需進一步編輯則要手動調(diào)整NURBS曲面的控制頂點，不僅效率低而且無法實現(xiàn)參數(shù)化再設計。

為方便后續(xù)編輯，結(jié)合正向建模思想，提取主體曲面的特征線，利用放樣功能進行構(gòu)建。首先，沿主體曲面延伸方向建立若干輔助基準平面（圖5a），然后利用“面片草圖”功能截取出這些位置的二維截面輪廓，并進行輪廓曲線擬合和參數(shù)化修改以及添加準確的約束關(guān)系（圖5b）；同時，為使放樣曲面更好地貼合網(wǎng)格數(shù)據(jù)，在與截面輪廓垂直方向上提取幾條引導曲線，并利用截面輪廓和引導曲線構(gòu)建放樣實體（圖5c）；最后，利用鏡像功能通過對稱面鏡像出另一側(cè)，從而重建出完整的保險杠主體結(jié)構(gòu)，如圖5d所示。

圖5 保險杠主體結(jié)構(gòu)重建

3.4.2 其它結(jié)構(gòu)重建

保險杠中部的踏板凹槽為規(guī)則特征，可以通過拉伸切除命令來實現(xiàn)凹槽結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建。由于該結(jié)構(gòu)帶有一定的拔模斜度，首先在凹槽中部建立一個平行于踏板底部的輔助平面，以提取該位置的截面輪廓，并利用鏡像和參數(shù)修改獲取完整的封閉截面草圖（圖6a），然后通過添加兩側(cè)拔模角度獲得凹槽結(jié)構(gòu)（圖6b），最后利用圓角測量功能估算圓角區(qū)域的曲率半徑，進行參數(shù)化倒圓角，結(jié)果如圖6c所示。

圖6 踏板凹槽重建

由于保險杠為薄殼零件，需通過測量其不同位置的幾組數(shù)據(jù)確定薄殼厚度，以對保險杠進行抽殼處理來獲得內(nèi)部的空腔結(jié)構(gòu)。保險杠中的安裝板及安裝孔和長條孔等可利用拉伸切除功能重建，保險杠頂部的柵格條通過放樣、鏡像命令獲得。最終重構(gòu)出的保險杠參數(shù)化實體模型如圖7所示。

圖7 重構(gòu)出的保險杠模型

3.5 重構(gòu)質(zhì)量分析和優(yōu)化

汽車覆蓋件重構(gòu)質(zhì)量的評價包括曲面的精度（即重構(gòu)曲面與掃描數(shù)據(jù)點的位置偏差）和曲面的光順性[2]兩方面，其中曲面的光順性是汽車覆蓋件逆向設計中的關(guān)鍵，通常可以犧牲點云與曲面的重合度來追求曲面的光順。

利用Geomagic Design X軟件中“環(huán)境寫像”工具進行光順性分析，“環(huán)境寫像”工具類似傳統(tǒng)的斑馬線功能，即在曲面上生成黑白相間的條紋（斑馬線）來檢查曲面質(zhì)量，該保險杠的光順性分析效果如圖8所示。由圖8可看出，該保險杠斑馬線分布規(guī)則均勻，說明重構(gòu)的保險杠模型表面曲率變化平滑、無突變，滿足重構(gòu)曲面光順要求，曲面質(zhì)量良好。

圖8 保險杠光順性分析效果圖

利用Geomagic Design X軟件中的“體偏差”功能進行曲面精度分析，即檢測重構(gòu)模型與點云數(shù)據(jù)之間的偏差，該保險杠重構(gòu)精度分析效果如圖9a所示。由圖9a可看出，保險杠模型表面有較大部分區(qū)域與原始點云之間的偏差超出設定的±0.1 mm公差范圍，出現(xiàn)差值較大的原因可能是在擬合平面及手動草繪過程中存在一定誤差。為此，需返回到設計界面對所構(gòu)建的特征進行參數(shù)化局部修改，以及通過增加截面輪廓和邊界曲線的數(shù)量來改善，直到滿足要求為止。優(yōu)化調(diào)整后的效果如圖9b所示，可看出大部分區(qū)域在±0.1 mm公差范圍內(nèi)。

圖9 保險杠重構(gòu)精度分析效果圖

4 模型輸出和參數(shù)化修改

將優(yōu)化后的保險杠模型通過參數(shù)轉(zhuǎn)換功能導入到正向CAD軟件Creo中，結(jié)果如圖10所示。由圖10左側(cè)的特征樹可看出，逆向建模中的關(guān)鍵特征（如平面、截面輪廓、引導曲線等）都完全導入，實現(xiàn)了逆向建模與正向建模的無縫連接。該方法無需轉(zhuǎn)換成中間格式（如iges、step格式等），能夠完全保留模型的參數(shù)化特征，方便后續(xù)的優(yōu)化設計和創(chuàng)新設計。

5 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)汽車覆蓋件逆向建模中存在的問題，提出一種基于區(qū)域劃分和特征識別正逆向相結(jié)合的參數(shù)化設計方法。通過分析產(chǎn)品表面形態(tài)特征，結(jié)合正向建模思路，對汽車保險杠各部分結(jié)構(gòu)進行區(qū)域劃分、特征提取以及參數(shù)化再設計，重構(gòu)出較準確的產(chǎn)品參數(shù)化實體模型。與傳統(tǒng)方法相比，該方法能有效提高建模效率和反求參數(shù)化的修改能力，提高產(chǎn)品的開發(fā)速度，而且無需中間格式轉(zhuǎn)換即能無縫輸出到正向CAD軟件中，從而為汽車覆蓋件等復雜零件的逆向設計提供一種新思路和解決方案。

圖10 輸出到Creo中的參數(shù)化模型及其特征樹