基于逆向工程技術(shù)的汽車(chē)座椅套平面樣版快速開(kāi)發(fā)技術(shù)研究

胡錦洲,劉 鋒,龐建軍,田世雄,褚忠宇

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

家用汽車(chē)座椅套裝飾已成為一種時(shí)尚，市場(chǎng)需求巨大，然而目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)座椅套樣版開(kāi)發(fā)工作基本由人工手動(dòng)打版—制版—讀版—分版—排版等工序完成，具體對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)流程(見(jiàn)圖1)，其中前期的打版(①—③)、制版(④—⑦)、讀版(⑧—⑨)基本由制版師傅手工完成，導(dǎo)致目前傳統(tǒng)的汽車(chē)座椅保護(hù)套樣版開(kāi)發(fā)對(duì)制版師的經(jīng)驗(yàn)依賴度高，制樣周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)效率低，甚至在打版工作中由于需要用到外物實(shí)際接觸被包裹的車(chē)座椅，如用圖釘、膠等固定薄膜等，會(huì)對(duì)車(chē)座椅會(huì)造成一定程度的損傷，導(dǎo)致樣板開(kāi)發(fā)成本高，因此，現(xiàn)有的樣板開(kāi)發(fā)技術(shù)越來(lái)越不能滿足快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。逆向工程技術(shù)(RE)又稱反向工程或反求工程[1]，起源于復(fù)雜精密測(cè)量技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是在準(zhǔn)確獲得物理模型三維輪廓數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用CAD軟件進(jìn)行實(shí)物外觀建模復(fù)制、檢測(cè)和再設(shè)計(jì)[2-4]。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)座椅套制樣瓶頸，本文運(yùn)用逆向工程技術(shù)方法，通過(guò)快速獲取汽車(chē)座椅表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，依據(jù)所獲得三維點(diǎn)數(shù)據(jù)在UGNX軟件中建立準(zhǔn)確的汽車(chē)座椅三維數(shù)字化模型，并通過(guò)二次開(kāi)發(fā)曲面展開(kāi)方法進(jìn)行座椅套曲面的平面展開(kāi)，對(duì)汽車(chē)座椅套的快速平面制樣方法進(jìn)行了深入探討，本文的具體研究思路(見(jiàn)圖2)。

圖1 汽車(chē)座椅套平面樣板傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖

圖2 汽車(chē)座椅套樣板快速開(kāi)發(fā)總體實(shí)現(xiàn)流程

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過(guò)程

1 汽車(chē)座椅表面三維數(shù)據(jù)的獲取與點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

快速獲得物理模型表面三維數(shù)據(jù)是逆向工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的首要條件[5]。本文采用浙江大學(xué)博洋公司的手持式非接觸光學(xué)掃描測(cè)量系統(tǒng)(BYScan650)進(jìn)行汽車(chē)座椅套外觀三維數(shù)據(jù)采集。該手持式非接觸光掃描儀無(wú)需與被測(cè)量物體表面接觸，能有效保護(hù)被測(cè)物體；掃描效率高，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拼接；掃描精度高(0.01 mm)；掃描速度快(50 000點(diǎn)/s)；且掃描儀尺寸小巧、輕便，手持操作便捷，非常適合車(chē)座椅套的外觀三維數(shù)據(jù)采集。同時(shí)所選汽車(chē)座椅外形表面平緩，不含陡峭、復(fù)雜小面體，且為亞光面，漫反射性能好，無(wú)須顯像劑，掃描精度要求一般。圖3所示為點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過(guò)程。圖4所示為座椅頭枕、靠背、坐墊以及整套座椅的掃描原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖5所示為掃面點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)拼接、去噪、稀疏、光順等操作后獲得的高質(zhì)量外觀三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最后將優(yōu)化后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以STL格式輸出，方便后續(xù)座椅表面三維模型的重構(gòu)。

圖4 座椅套三維掃描點(diǎn)云原始采集數(shù)據(jù)

圖5 座椅套三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化結(jié)果

2 汽車(chē)座椅三維模型重建與檢測(cè)

曲面重建是逆向工程技術(shù)的重要組成部分，是后續(xù)設(shè)計(jì)、分析、加工等工作的基礎(chǔ)[6]。本文座椅套三維逆向建模過(guò)程是將點(diǎn)云STL數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)GNX軟件中實(shí)現(xiàn)的。UGNX具有強(qiáng)大的逆向設(shè)計(jì)功能，其逆向設(shè)計(jì)的基本流程遵循點(diǎn)—線—面或點(diǎn)—面的規(guī)則完成[7]。通過(guò)結(jié)合點(diǎn)云曲率分析命令和曲面特征分析命令，將所需構(gòu)建的座椅表面分割為幾大基本特征面，然后通過(guò)倒圓角面進(jìn)行銜接，完成汽車(chē)座椅外觀曲面的三維重構(gòu)，期間穿插重構(gòu)曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)貼合度檢測(cè)，保證曲面重構(gòu)的正確性。圖6所示為汽車(chē)座椅頭枕、靠背與坐墊依據(jù)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)后的三維曲面外型圖。

圖6 座椅套三維曲面重構(gòu)

3 汽車(chē)座椅套表面展開(kāi)實(shí)現(xiàn)

三維曲面展開(kāi)處理算法歸結(jié)起來(lái)主要為幾何展開(kāi)法、力學(xué)展開(kāi)法和幾何展開(kāi)力學(xué)修正法等[8-10]。本文采用幾何展開(kāi)法方法來(lái)實(shí)現(xiàn)座椅套表面三維曲面的展開(kāi)，算法基本思想是采用一種平面網(wǎng)格的方法，將曲面逐一展開(kāi)到同一平面上得到展開(kāi)結(jié)果，其基本過(guò)程為：將復(fù)雜曲面分割成若干條狀區(qū)域，每一區(qū)域用可展面替代，如直紋面；將這些可展面進(jìn)行三角網(wǎng)格劃分；把每一個(gè)可展面都展開(kāi)到同一平面，從而得到該曲面的展開(kāi)結(jié)果[11]。

曲面具體展開(kāi)算法實(shí)現(xiàn)流程：

(1)設(shè)定逼近精度δi，所需分割的條狀數(shù)目為n，n應(yīng)滿足長(zhǎng)度相對(duì)誤差εi≤δi。設(shè)定復(fù)雜曲面為S(u，v)(0≤u≤1，0≤v≤1)，其兩條邊界曲面為H(0)∶S(u，0)和H(1)∶S(u，1)。假設(shè)沿u向分割，長(zhǎng)度相對(duì)誤差εi定義為：

εi=max{εi(k)≤δi}，k=0，1

(1)

其中，

(2)

由(1)、(2)式，可算出所需條狀區(qū)域數(shù)目n。

初值n0的確定如下：

(3)

對(duì)于每個(gè)條狀網(wǎng)格區(qū)域，用一直紋面ri(t，ω)(ui≤t≤ui+1，0≤ω≤1)去逼近代替。直紋面的兩條邊界曲線分別為：

Γ:(ri，ω)=S(ui，ω)

(4)

Γi+1:(ri，ω)=S(ui+1，v)

(5)

(2)展開(kāi)所分割的直紋面網(wǎng)格ri(t，ω),為了便于計(jì)算，假設(shè)所有的直紋面有相同的三角剖分，去三角平面數(shù)目m:

m=max{mi}，i=0，1，…，n-1

(6)

式(6)中mi為第i個(gè)直紋面的網(wǎng)格分割數(shù)。

(3)直紋面的展開(kāi)面透射到同一平面上。座椅套的曲面展開(kāi)最終處理依靠UGNX軟件，應(yīng)用UG/OpenAPI 作為曲面展開(kāi)功能的二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)工具，將逆向重構(gòu)的座椅套表面三維曲面模型數(shù)據(jù)展開(kāi)為平面數(shù)據(jù)。UG/Open API 是UGNX軟件的重要開(kāi)發(fā)模塊，是UGNX軟件與外部應(yīng)用程序的接口，用戶可以根據(jù)需求通過(guò)C語(yǔ)言來(lái)調(diào)用它所提供的一系列集成函數(shù)，實(shí)現(xiàn)所需功能。同時(shí)基于汽車(chē)座椅套布料彈性屬性，可以手動(dòng)去除展開(kāi)重疊部分，對(duì)展開(kāi)裂縫手動(dòng)縫補(bǔ)從而簡(jiǎn)化展開(kāi)實(shí)現(xiàn)。圖7所示為座椅靠背三維曲面的平面展開(kāi)。

圖7 座椅靠背三維曲面展開(kāi)過(guò)程

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在分析總結(jié)現(xiàn)有汽車(chē)座椅套的打樣開(kāi)發(fā)流程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用先進(jìn)的逆向工程技術(shù)，首先對(duì)汽車(chē)座椅套三維曲面進(jìn)行三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、降噪、稀疏、光順等后處理工作獲得高質(zhì)量座椅外觀三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)在UGNX中進(jìn)行座椅三維外觀曲面的重建，最后通過(guò)曲面展開(kāi)二次開(kāi)發(fā)功能實(shí)現(xiàn)了座椅套外觀曲面的平面展開(kāi)和輪廓曲線的抽取。該技術(shù)能有效減少目前汽車(chē)座椅套的樣版開(kāi)發(fā)工作對(duì)制版師依賴，從而有效的提升了座椅套樣板開(kāi)發(fā)效率，降低了開(kāi)發(fā)成本，為滿足廣大汽車(chē)消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)從“代步”轉(zhuǎn)向“個(gè)性”、“時(shí)尚”的消費(fèi)理念升級(jí)需求提供了技術(shù)參考。