汽車A級(jí)曲面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及其基于ThinkDesign的檢測(cè)方法

楊慶波，陳雪元，王達(dá)鵬，李井微，王騰飛

(中國(guó)第一汽車股份有限公司工程與生產(chǎn)物流部，吉林 長(zhǎng)春 130011)

0 引 言

汽車造型設(shè)計(jì)是汽車開發(fā)流程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其最終輸出的三維數(shù)字模型就是A級(jí)曲面，既是汽車造型設(shè)計(jì)藝術(shù)的表達(dá),又是汽車工程開發(fā)的載體。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)車身的A級(jí)曲面的質(zhì)量要求越來越高。

本文著重介紹汽車C級(jí)、B級(jí)、A級(jí)曲面的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及基于ThinkDesign進(jìn)行A級(jí)曲面質(zhì)量檢測(cè)的方法。

1 曲面分類及其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

1.1 曲面分類

按照裝配位置來劃分。所有可見的表面按A級(jí)曲面考慮。在汽車業(yè)也有這樣一種分類法：車身外表面為A級(jí)面，白車身；不顯見表面，比如內(nèi)飾表面為B級(jí)面；不可見表面為C級(jí)面；按照曲面本身的質(zhì)量來劃分。涉及曲面拓?fù)潢P(guān)系、位置、切線、曲面邊界處的曲率和曲面內(nèi)部的patch(補(bǔ)丁)結(jié)構(gòu)。比如有一些意見認(rèn)為“點(diǎn)連續(xù)”的是C級(jí)面，切線連續(xù)的是B級(jí)面，曲率連續(xù)的是A級(jí)面。

1.2 各級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

極少可見區(qū)域或不可見區(qū)域的曲面被稱為C級(jí)曲面。C級(jí)曲面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：曲面的質(zhì)量要達(dá)到1階或1階以上連續(xù)(X階連續(xù)是指幾何數(shù)學(xué)的連續(xù)性)，局部極少可見區(qū)域、不可見區(qū)域要達(dá)到0階或0階以上連續(xù)，拼接面特征面間拼接處位置偏差小于0.02 mm，角度偏差小于0.2°，局部較難的面特征面間拼接處位置偏差小于0.03 mm，角度偏差小于0.5°，不重要的較小的易成型零件特征面間拼接處位置偏差小于0.05 mm，角度偏差小于1.0°?？梢允莗atch數(shù)(修補(bǔ)面、補(bǔ)丁面數(shù)量)少于20的多patch面，和高于6階且小于12階的高階曲面，曲面的質(zhì)量要達(dá)到2階連續(xù)或2階以上連續(xù)，局部極少可見區(qū)域達(dá)到1階或1階以上連續(xù)。

少可見區(qū)域的曲面或達(dá)不到A級(jí)要求的較好曲面，稱為B級(jí)曲面。B級(jí)曲面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：B級(jí)曲面中95%大面和明顯區(qū)域特征面間拼接處位置偏差小于0.01 mm，角度偏差小于0.1°，要求1階或1階以上曲率連續(xù)，且應(yīng)為單片面，u和v方向(u方向?yàn)樾?，v方向?yàn)榱?控制點(diǎn)不超過6個(gè)，過渡區(qū)域不超過8個(gè)。每個(gè)特征面應(yīng)曲率較接近并控制點(diǎn)分布在曲面單側(cè)。其他個(gè)別確難單patch的特征面的patch數(shù)在v和u方向都不大于6個(gè)，個(gè)別確難、使階數(shù)不大于6階(階數(shù)為控制點(diǎn)數(shù)減1)的特征面的最高階數(shù)不大于8階。其他不明顯區(qū)域或局部難拼接面特征面間拼接處位置偏差小于0.02 mm，角度偏差小于0.2°，可以是patch數(shù)少于10的多patch面，和高于6階小于12階的高階曲面，圓角與圓角之間角度偏差小于0.2°。

高可見區(qū)零件稱為A級(jí)曲面。A級(jí)曲面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：相鄰兩A級(jí)曲面間隙小于0.005 mm，切率改變小于0.16°，曲率改變小于0.005°，且應(yīng)為單片面，u和v方向(u方向?yàn)樾?，v方向?yàn)榱?控制點(diǎn)不超過6個(gè)，過渡區(qū)域不超過6個(gè)。每個(gè)特征面應(yīng)曲率較接近并控制點(diǎn)分布在曲面單側(cè)，要求達(dá)到2階或2階以上曲率連續(xù)(曲率梳外緣光滑連接)，其他弱反光面，為1階或1階以上曲率連續(xù)。特征面在分快線(分縫線)處在高可見區(qū)要2階及2階曲率以上曲率連續(xù)，少可見區(qū)域、不特別重要的零件分塊處(縫隙處)區(qū)可小區(qū)域1階曲率連續(xù)(因造型因素不連續(xù)也可以例外)。特征性不連續(xù)屬正常造型設(shè)計(jì)，對(duì)于大曲面特征最好采用單一特征曲面，個(gè)別必須用兩個(gè)特征面拼接的高可見區(qū)大面，要2階或2階以上曲率連續(xù)(曲率梳外緣光滑連接)，以使曲面質(zhì)量達(dá)到較高水平。

表1 曲面階數(shù)、連續(xù)級(jí)別與曲面質(zhì)量級(jí)別的關(guān)系

1.3 A級(jí)曲面的特征

A級(jí)曲面的特征：所有特征都必須具有可擴(kuò)展性和可編輯性。可編輯性是指可以對(duì)該特征面進(jìn)行曲率延伸(見圖1)，可擴(kuò)展性是指可以通過取消修剪看到該特征面的原始面(見圖2)。

圖1 可編輯性

圖2 可擴(kuò)展性

2 曲面連續(xù)性級(jí)別及其基于ThinkDesign曲面的質(zhì)量檢測(cè)方法

2.1 曲面連續(xù)性級(jí)別

連續(xù)性的級(jí)別：G0-位置連續(xù)；G1-切線連續(xù)；G2-曲率連續(xù)；G3-曲率變化連續(xù)。

G0-位置連續(xù)(見圖3)，也稱點(diǎn)連續(xù)，只是端點(diǎn)重合，而連接處的切線方向和曲率均不一致。這種連續(xù)性的表面看起來會(huì)有一個(gè)尖銳的接縫，屬于連續(xù)性級(jí)別最低的一種。

圖3 G0-位置連續(xù)

G1-切線連續(xù)(見圖4)，不僅在連接處端點(diǎn)重合，而且切線方向一致(可以看到相連的兩條線段梳狀圖在接觸點(diǎn)位置是在一條直線上的)。

圖4 G1-切線連續(xù)

G2-曲率連續(xù)(見圖5)，不僅符合上述兩種連續(xù)性的特征，而且在接點(diǎn)處的曲率也是相同的，這種連續(xù)性的曲面沒有尖銳接縫，也沒有曲率的突變，視覺效果光順流暢，沒有突然中斷的感覺。

圖5 G2-曲率連續(xù)

G3-曲率變化率連續(xù)(見圖6)，這種連續(xù)級(jí)別不僅具有上述連續(xù)級(jí)別的特征，在接點(diǎn)處曲率的變化率也是連續(xù)的，這使得曲率的變化更加平滑。

圖6 G3-曲率變化連續(xù)

2.2 基于ThinkDesign曲面的質(zhì)量檢測(cè)方法

基于ThinkDesign 軟件進(jìn)行A級(jí)曲面質(zhì)量檢測(cè)的方法有：曲率凸凹檢測(cè)、斑馬紋檢測(cè)、高斯曲率檢測(cè)、面的連續(xù)性檢測(cè)、曲率梳檢測(cè)。

2.2.1 曲率凹凸檢測(cè)

所有特征面盡可能為單凸或者單凹(見圖7)，即整個(gè)曲面只有一個(gè)曲率，避免A級(jí)曲面上某一特征面出現(xiàn)不規(guī)則的急劇變化。如產(chǎn)品造型需要，凸凹性已無法優(yōu)化，需要跟產(chǎn)品部門溝通，得到他們的認(rèn)可。

圖7 曲率凸凹檢測(cè)

2.2.2 斑馬紋檢測(cè)

兩個(gè)特征面處斑馬紋出現(xiàn)尖角(見圖8)，說明該位置只達(dá)到了G1連續(xù)(見圖9)，斑馬紋平滑過渡，說明該位置達(dá)到G2連續(xù)。

圖8 斑馬紋出現(xiàn)尖角

圖9 斑馬紋平滑過渡

2.2.3 高斯曲率檢測(cè)

高斯曲率是反映特征曲面一個(gè)彎曲程度，是通過特征曲面表面的顏色分布和變化來表示該特征面高斯曲率的分布和變化的。顏色的突變就表示高斯曲率的一個(gè)突變。如果兩特征面公共邊界上的高斯曲率發(fā)生突變，就說明該位置高斯曲率不連續(xù)(見圖10)，也就是曲率不連續(xù)，說明兩個(gè)曲面的連接沒有達(dá)到G2連續(xù)。

圖10 高斯曲率出現(xiàn)突變

2.2.4 面的連續(xù)性檢測(cè)

該功能主要用來檢測(cè)相鄰兩個(gè)特征曲面相交邊界的位置度關(guān)系。圖11為兩特征面的公共邊界最大曲率差超出標(biāo)準(zhǔn)的情況，需要繼續(xù)優(yōu)化兩個(gè)特征面的連續(xù)性。

圖11 兩特征面連續(xù)性檢測(cè)

2.2.5 曲率梳檢測(cè)

曲率梳檢測(cè)：使用截面線曲率來檢測(cè)相鄰兩個(gè)特征曲面間的連續(xù)性，是根據(jù)交接邊界處曲率梳的各種位置連接關(guān)系來判斷曲面的連續(xù)性。圖12為曲率梳出現(xiàn)段差的情況，說明特征面連接處達(dá)到了切線連續(xù)G1，未到達(dá)曲率連續(xù)G2。

圖12 曲率梳檢測(cè)

3 結(jié) 語

汽車造型設(shè)計(jì)是汽車開發(fā)流程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，本文詳細(xì)介紹了汽車C級(jí)、B級(jí)、A級(jí)曲面的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合工作中的實(shí)際案例，詳細(xì)闡釋了運(yùn)用ThinkDesign工程技術(shù)軟件對(duì)A級(jí)曲面進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)的方法。為提高A級(jí)曲面的產(chǎn)品質(zhì)量和新產(chǎn)品開發(fā)效率提供強(qiáng)有力的保障。