UG逆向設計工程在汽車內飾件中的應用

摘 要：本文總結了汽車內飾件的外形特點，依據曲面造型的規律，提出汽車內飾件逆向設計工程（數據采集、數據預處理、模型重構、產品化）的具體方案。通過對方向盤的應用，證明此方案是可靠有效的。

關鍵詞：逆向設計；塑料CAE；模擬分析；優化

1 引言

汽車作為一種劃時代的現代工業產品，從誕生那天起，就被賦予了人類的價值觀、生活形態、情感需求等，折射出了不同時代、不同人群的審美取向，形成了汽車文化的特有觀念。而作為設計理念的重要表現部位——汽車內飾件更是設計師們下功夫，精雕細琢的地方。也是人們買車時仔細欣賞的地方。現代設計師的工作過程一般是：根據效果圖的造型特征，直接在電腦中用輔助造型建模軟件建立三維數字模型（即CAS模型），配合虛擬現實技術用于方案評審展示。方案評審完畢后挑選出相應造型，通過數控銑床銑削出全尺寸油泥模型，然后對銑出來的模型進行精細處理。通過評審后，然后進行激光掃描，得到的點云數據，把點云數據導入cad系統進行產品設計，形成工程化的產品模型，作為制造系統工藝設計的依據，最終生產出該產品。

2 逆向設計

現在汽車設計中，逆向設計是一種重要的設計手段，很多零件都需要采用逆向設計方法，從模型或樣件開始經過數據采集 →數據預處理→ 模型重構→產品化等階段，完成由模型或樣件到產品模型的轉換。

數據采集

在利用點云數據進行三維建模的過程中，數據采集是很重要的一個環節，它直接關系到最后創建出的三維模型質量，要想獲得精確并且冗余度低的數據，必須減少測量過程中的誤差。在表面數字化技術中，根據測量方法不同可以將數據采集分為接觸式和非接觸式兩大類， 針對汽車內飾件體積大，需求精度高的特點，采用接觸式測量對模型表面特征及分型輪廓、邊界進行測量，用非接觸式方法掃描產品A面。進行測量前，通過分析方向盤零件可知，其結構為沿中心線左右對稱，曲面重建時只需造型出一半的數據，再根據UG所提供的鏡像功能得出另一半的數據。

逆向工程不是簡單的復制，逆向設計目的是復制、改進并超越現有的模型，測繪前我們作了以下準備工作：

（1）產品的功能要求，數據采集前根據功能要求對模型進行圓整，如對模型表面封閉孔及本體和喇叭蓋間的間隙，選定測繪基準；

（2）產品數模型面的品質要求，了解被測產品的關鍵部位，方向盤本體幅條位置過渡面及手型位置為特殊位置，因曲面為不規則形面，在后期造型時是難點；數據采集時的關鍵是加大數據采集密度，盡可能多地采集數據，以便后期造型時取舍；

（3）實際工程測量中，一次測量整個零件有難度，通常是對其重新定位獲取不同方位的表面信息，測量完成后對點云進行數據拼合。本例中對方向盤上半部外網及喇叭蓋大面按等距離均勻測繪后，再翻轉方向盤角度以采集側面及方向盤下半部數據，此時為了保證基準統一，我們制造了專用夾具以保證翻轉時的角度位置準確，在造型設計時用UG軟件將新基準座標與原座標擬合。

測繪完成的點云如下圖所示：

3 數據處理（造型理論）

數據處理是逆向工程中的關鍵環節，它的結果將直接影響后期模型重構的質量；為了獲得完整、正確的測量數據，需要對測量數據進行預處理，以方便后面的曲面重構，將測繪完的點云數據導入UG或CATIA等三維設計軟件，采用由點到線，由線到面，由面到體的順序進行造型生成方向盤A面，數據處理時的難點及關鍵點是：

3.1 數據預處理：由于受外部環境影響及設備影響，不可避免會引入嗓聲數據，所以在進行點云數據操作之前先進行消除噪聲的工作，刪去外界干擾形成的點和不在掃描線上的點，減少其對重建模型精度的影響。

3.2 數據分塊：為了后續CAD造型的方便，在數據測量時結合實際物體的表面形狀，識別其曲面特征，進行數據分割測量。根據組成實物外形曲面的類型，采用不同顏色，存放在不同的數據層中以示區別。

3.3 數據的光順：對外觀要求比較高的產品A面，要求曲面之間的過渡必須達到曲面連續，通常采用局部回彈法、圓周率法和最小二乘法和能量法等來實現。輸入UG的點云需進行精度和光順的優化，對于大量的點云數據，提取精度高的特征邊界數據點，再由點重構到線。在本例中使用的是通過建立多個平行的平面，判斷每一個點和每一個平面的距離，將誤差范圍內的點投影到離他們最近的平面上，得到多組平行特征邊界點，有的位置點云數據過密集，或過稀疏，擬合的曲線會有拐點或誤差大，可以根據點云的疏密程度來調節參數。

3.4 產品的配合及工藝要求：逆向設計的產品不是孤立的，與現有的產品或三維數模存在配合關系，在進行模型重建時可根據產品的功能要求對零件表面的孔、加強筋等特殊位置，根據結構設計的需要用UG里的工具作出；本例中輪轂部位的孔根據組合開關的位置、尺寸配合作出。

曲面的構建：曲面重構是逆向工程中最重要、繁雜的一環，是根據密集點云恢復曲面形狀建立CAD模型的過程。

在曲面重建方面，UG系統主要有兩種：（1）由掃描點直接生成曲面不需要生成曲線；（2）先建立曲線，而后由曲線生成面；第一種曲面重構方法，可用于構建區域大的表面，通常構建出的曲面會大于點云，后續進行曲面修剪。

4 產品設計

產品A面數據完成后，根據零件的外形特點（如內孔、凹槽、平面和圓柱面等），由簡單的平面曲線或曲線族經過拉深、旋轉、掃掠和倒圓等規則來生成曲面或實體模型，根據點云數據提取出特征線，再通過相關的特征操作構建出特征，圖示的方向盤構建特征時有以下特點：①對曲面進行過渡、相交、縫合和倒角處理，創建三維實體模型。②對喇叭蓋、下護罩等壁厚均勻的零件，對產品A面進行增厚處理；再根據裝配關系作出卡樁和襯板的結構。

產品設計完畢，即可進入方向盤本體、喇叭蓋、下護罩等模具制造階段；模具制造完畢可按照設定好的工藝參數進行試模及注塑生產。

5 結論

實踐表明，逆向設計是汽車內飾件開發過程中，提高產品質量與降低廢品率的有效手段。同時也是產品設計創新的一條重要途徑。

作者簡介：鄧曉紅（1974.10-），女，湖北省十堰市（籍貫），現職稱：工程師，學歷：本科，研究方向：汽車內飾件設計。