基于點云逆向汽車數(shù)字建模技術應用探究

周峰 姜成山

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 正向CAS設計與逆向Class_A設計的區(qū)別

CAS是英文Concept A Surface的縮寫。CAS數(shù)據(jù)是汽車設計數(shù)字化工作流程中交付初步造型曲面，屬于A面前一階段任務。制作CAS前提要求：效果圖、工程可行性分析、造型策略等支持文件。CAS面主要是用于造型研究階段進行法規(guī)要求、造型、工程、生產制造的校核，造型開發(fā)過程評審以及大小比例、全尺寸油泥模型的制作。

A級曲面逆向設計是在點云基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創(chuàng)造的過程。Class_A是由CATIA軟件開發(fā)Dassault System公司提出的概念，主要是指車身零部件中對外觀和形狀要求極高的可見曲面。如車身外部覆蓋件、儀表板和門護板等零件的表面。

點云是通過3D掃描儀得到的產品外觀表面的點數(shù)據(jù)集合并經計算機處理后形成的點狀數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)處理、模型重建的基礎。沒有高精度的數(shù)據(jù)采集技術和設備就不會逆向出高水平的模型。點云數(shù)據(jù)的測量方式主要有接觸式和非接觸式兩種。點云輸出的主要格式有：*.stl、 *.pts、*.asc、*.dat、*.imw、*.xyz

汽車行業(yè)逆向建模應用的三維軟件有ALIAS、CATIA、ICEM-Surf等，本文介紹使用Alias軟件進行乘用車整車外飾點云逆向設計建模和檢查。

2 Class_A逆向設計與開發(fā)方法解析

2.1 外飾點云逆向設計前，需關聯(lián)設計任務輸入清單：

2.1.1 點云數(shù)據(jù)，根據(jù)實物模型掃描采集，體現(xiàn)造型設計意圖。

2.1.2 細節(jié)效果圖或照片，對點云數(shù)據(jù)的補充和細化。

2.1.3 工程截面輸入與輪胎限制

含整車長寬高、地面線、前后懸、軸距、接近離去角、前后視野線、頭部空間要求。輪胎限制包含輪護板法規(guī)限制，輪胎包絡。

2.2 逆向設計基本原則

2.2.1 符合法規(guī)

數(shù)據(jù)設計前需輸入產品投放市場國家、區(qū)域，保障設計數(shù)據(jù)符合當?shù)胤煞ㄒ?guī)要求。

2.2.2 符合企業(yè)級A級曲面質量要求

一般汽車生產廠家會有適應于自己體系的生產、制造工藝水平的數(shù)據(jù)輸出精度要求。不同廠家在公差設定上會有些許差異，而公差設定會帶來數(shù)據(jù)設計工作量的差別。

2.2.3 連續(xù)性要求

連續(xù)性要求是指相鄰曲線或曲面之間的搭接關系，汽車A面常用的有G0、G1、G2、G3連續(xù)。

2.3 符合一般行業(yè)通用數(shù)字質量要求

在汽車行業(yè)數(shù)字化發(fā)展過程中，逐漸形成了汽車Class_A設計的一些通用原則：

2.3.1 所有特征都必須具有可擴展性和可編輯性

2.3.2 所有特征都必須分解成單凸或單凹特征

2.3.3 所有特征面的光順保證2階導數(shù)以上連續(xù)

2.3.4 所有特征線(面)函數(shù)必須小于6階

2.3.5 所有特征間的連接要2階導數(shù)以上連續(xù)(曲率連續(xù))

2.3.6 零件邊界線必須光順

2.3.7 不可以用多個特征斷面，用掃面(sweep)的方法，但可用單特征面(曲率變化不超過2倍)多個斷面掃面

2.3.8 不可用多個邊界約束的小面拼接零件

2.4 點云輸入整理與質量評估

點云輸入后根據(jù)需要進行稀釋、整理。通過環(huán)境分析和斑馬線檢查點云質量，對點云數(shù)據(jù)中的質量缺陷，確定修正方案以方便數(shù)據(jù)設計工作有效開展。根據(jù)掃描硬點與設計坐標進行坐標修正，達成設計目標。

2.5 設計步驟與方法

2.5.1 輪廓特征提取

2.5.1.1 對點云數(shù)據(jù)做X、Y、Z方向截面，用于判定建模中曲線和曲面離點云數(shù)據(jù)的偏差距離。

2.5.1.2 使用曲線工具構建整車外飾三維輪廓線和內部特征線。

2.5.1.3 使用曲面工具構建側窗玻璃大面，對比玻璃曲面和點云數(shù)據(jù)的截面線、斑馬線。調節(jié)曲面控制參數(shù)，使玻璃曲面和點云數(shù)據(jù)貼合誤差在±0.5mm以內，高光走勢和寬窄變化和點云一致。

2.5.1.4 擬合 Y0 曲線構建車頂對稱大面，使頂蓋曲面貼合點云數(shù)據(jù)，保證Y0特征G3連續(xù)，曲面構成結構合理，控制點規(guī)律整齊，多個角度查看斑馬線走勢是否和點云數(shù)據(jù)一致并光順。

2.5.1.5 根據(jù)輪廓線和特征線進行其他區(qū)域零部件曲面構建，結合截面線和斑馬線，批量使用移動CV點工具使A柱面貼合點云數(shù)據(jù)，斑馬線和點云數(shù)據(jù)一致并且光順。

2.5.1.6 根據(jù)零部件分件定義進行分件設計，構建翻邊倒角，并調整DTS定義值。

2.6 設計質量檢查

2.6.1 檢查標準：

檢查標準涵蓋曲面質量標準，一般在參考行業(yè)標準前提下執(zhí)行主體企業(yè)的設計標準。其中典型公差標準為曲面之間的連接至少滿足切向連續(xù)，連續(xù)性要滿足相鄰曲面間之間隙在 0.005mm 以下（有些汽車廠甚至要求到0.001mm），切率改變 在0.16度以下，曲率在0.005度以下，曲率變化率在0.01度以下。

2.6.2 法規(guī)標準：

必須滿足車型上市所在的國家或地區(qū)法規(guī)要求，含外凸、行人保護等。

2.6.3 工程檢查（截面、DTS）：

2.6.4 曲面質量檢查：

2.6.4.1 數(shù)據(jù)完整度檢查

各零部件總成曲面數(shù)據(jù)完整。在交付前必須做完整性檢查，不能出現(xiàn)重復、缺面、短邊、未剪切等狀態(tài)。

2.6.4.2 貼合度檢查

2.6.4.3 整車主特征線線性檢查

整車造型風格主要由主造型特征線來體現(xiàn)，如腰線、水切線、發(fā)動機蓋流水線和汽車各部件之間的分縫線等，這些特征線構成了整車造型風格的主基調，其它小的造型特征如組合燈、手柄、裝飾亮條、防擦條、門檻護板等也與這些造型特征相呼應，達到渾然一體的效果。因此，主造型特征線條的品質是評價整車造型優(yōu)劣的決定性因素，而評價主造型特征線條品質的主要指標就是它的光順性，且其投影在3個標準視圖上的控制點必須規(guī)律有序。

3 總結

汽車A級曲面逆向設計是一項復雜的工作，要根據(jù)車身的特征對點云進行細致的分解，找出合適的光順方法：首先光順基本曲面，在基本曲面的基礎上光順過渡曲面，并將復雜特征部位曲面補上；然后用邊界裁剪出需要的曲面。對曲面的評價應在構造曲面的過程中進行，這樣可以及時發(fā)現(xiàn)曲面的造型問題、光順問題和工藝問題，以便減少設計缺陷和制造成本。