基于反求工程的某MPV車身A面建模與分析

龔運息，覃敏

（1.重型車輛零部件先進設計制造教育部工程研究中心（廣西科技大學），廣西柳州545006；2.柳州五菱汽車工業有限公司技術中心，廣西柳州545007）

基于反求工程的某MPV車身A面建模與分析

龔運息1，覃敏2

（1.重型車輛零部件先進設計制造教育部工程研究中心（廣西科技大學），廣西柳州545006；2.柳州五菱汽車工業有限公司技術中心，廣西柳州545007）

以某MPV車型車身A面建模為研究對象，簡述了反求工程以及A級曲面的基本概念、A級曲面的建模要求和重構流程.提出了按特征劃分點云，按特征分塊構造曲面，曲面拼接的方法，并以MPV車身掃描點云數據為依據，運用反求設計軟件，完成MPV車型車身A面的重構設計.通過對曲面光順性、連續性檢查，驗證分析了重構曲面與A級曲面標準的符合性.A級曲面的反求設計證明反求工程可以作為產品設計開發的一種特別的技術手段，為解決車身A面建模提供了一條有效的途徑.

反求工程；MPV車身；A面建模；曲面分析

0　引言

隨著計算機輔助設計和圖形學技術的發展，大數據的計算和處理、圖形的重構能力大大提高.以測量技術為基礎、曲面重構技術為核心的反求工程技術，在汽車新產品設計中得到了有效應用.這些應用研究一般集中于車身模型造型和零部件結構造型［1］，鮮有以高質量車身A面標準為研究對象開展的反求工程技術應用的研究.車身A面建模是汽車新車型設計開發的一個重要環節，A面定義和約束了車身外表面輪廓，是車身結構設計的前期工作.在MPV（Multi Purpose Vehicle，多用途車）車身A面建模中，導入反求工程技術，將開辟A面建模的一種特別的途徑，其核心是將現有模型或樣車外表面輪廓數字化，通過再設計獲得一個新的車身數字化模型.因為有了現有模型（樣車）做繼承性的參考，對車型改款及形成系列化更為便利，可以降低產品設計開發的風險.

1　A級曲面的定義及建模要求

1.1A級曲面的定義

A面（Surface A）全稱A級曲面（Class-A-Surface）.在學術界以及汽車廠家對車身A級曲面的定義，略有不同，但取得了比較廣泛的共識.所謂車身A級曲面，是指必須滿足相鄰曲面間的間隙在0.005mm以下，切率改變在0.16°以下，曲率改變在0.005°以下數值標準的一組整體車身曲面.A級曲面確保了車身外表面鈑金在環境反射下流暢光順.以美學的觀點來判定，就是模擬光照射到曲面上，光線表現出平順、光滑、流暢的視覺感受，不會出現凸起或凹陷的情形［2］.A級曲面是曲面品質最高的曲面，用于定義車身外蒙皮或車身外覆蓋件零件表面質量要求.依次，用B級曲面、C級曲面定義車身內覆蓋件以及外表面質量不高的內部結構件.

通常用曲面連續性來判定相互連接的曲面之間過渡的光滑（光順）程度.曲面的連續性通常分為5個等級，用符號表示為：G0——位置連續，G1——切線連續，G2——曲率連續，G3——曲率變化率連續，G4——曲率變化率的變化率連續［3］.一般認為滿足G2曲率連續即達到A面建模要求.更高的A面質量是達到G3或G4要求，表面更加光滑流暢.但在車身反求設計實踐中，考慮到點云擬合精度、曲面重構的難度，以及制造成本的增加，一般無需達到G3或G4要求.

1.2A級曲面建模的評價指標

多年來，在汽車設計開發領域，車身CAD設計的實踐為A級曲面的建模積累了豐富的經驗，歸納、總結行業認可的A級曲面建模一般評價指標如表1所述.

表1　A級曲面建模評價指標Tab.1 E valuating indicator of surface Amodeling

2　MPV車身A級曲面的重構設計

2.1曲面構建的數學基礎

常用的曲面重構方法主要有2種：1）以構造三角曲面為特點的Beizer曲面造型方法；2）以構造矩形參數曲面為特點的NURBS（非均勻有理B樣條）曲面擬合.以Beizer和B－spline方法為基礎建立的非均勻有理B樣條NURBS曲面重構算法，能較好地實現解析幾何與自由曲線、自由曲面的統一，成為CAD／CAM軟件曲面數學算法和建模的主流.NURBS曲面的數學模型［4］如下：

式（1）中：Pij（i＝0，1，2，…，n；j＝＝0，1，2，…，m）為給定的網格控制頂點；Ni，p（u），Nj，q（v）分別為p次和q次B樣條基函數；wij為與控制頂點相關的權因子.

在反求設計軟件中，曲面經過優化、整理后自動創建網格線，在每一塊曲面內自動生成U，V控制線.

2.2基于反求工程的A級曲面建模流程

在反求工程設計導入之前，我們的產品設計一般是正向設計.車身正向設計的過程，是設計人員首先在大腦中構思產品的外形，然后通過繪制車身草圖、車身效果圖，設計構建產品的三維數字化模型的過程.

而基于反求工程的車身設計建模，是根據已經存在的產品模型或標桿樣車，反向設計給出產品數據（包括設計圖紙或數字模型）的過程.隨著計算機技術和數字化測量技術的迅速發展，基于測量數據的車身造型技術成為反求工程技術的主要應用方向.通過數字化測量設備（如三坐標測量機、光學測量設備等）獲取已有的產品模型或樣車表面的空間數據，再利用反求工程技術和軟件建立產品的三維模型.一般的基于反求工程的A級曲面建模流程如圖1所示.

圖1　A面的反求建模流程圖Fig.1 Reverse engineering flow－process of surface A

2.3MPV車身A級曲面的重構方法

基于上述A面流程，點云的獲取，是來自ATOSII光學掃描測量系統.測量對象為某MPV標桿樣車車身，通過ATOSII光學掃描測量系統對標桿樣車車身外表面進行掃描測量，獲得車身外表面的點云數據［5］.把車身點云數據變成車身三維CAD模型，需要一系列的曲面重構、曲面分析和檢查、設計評審和修改等過程.曲面重構、曲面分析和檢查的工具，即反求工程軟件的應用，是A級曲面反求工程設計的核心.在此使用的是著名的反求工程軟件Imageware，Imageware軟件具有強大的點云數據處理、曲面造型、誤差檢測等功能，可以處理幾萬至幾百萬的超大點云數據［6］.根據這些點云數據構造的A級曲面具有良好的品質和曲面連續性.

Imageware現已經集成于UGNX軟件模塊系統.Imageware軟件中的曲面主要用NURBS表示，其次也用B-spline表示.定義曲面的參數包括正負法矢、UV方向、節點、跨距、控制點、階次及剪裁恢復性質等. Imageware的模型檢測功能比較強大，可以直觀、方便地顯示所構造的曲面模型與實際測量數據之間的誤差，以及測定平面度、圓度等幾何誤差［7］.

1）點云的輸入與處理

將ATOS光學掃描測量獲取的車身外表面點云數據，以STL文件格式輸入到Imageware.由于數據龐大，必須對點云數據簡化處理.數據的簡化（Data reduction），通常的做法就是使用Modify||Data Reduction|| Space Sampling命令，設定distance tolerance為0.10mm，在指定的鄰域空間中簡化點云，以及去除重疊點.處理之后，點云被均勻精簡了40％，可以使得最終做出的曲面精度達到0.10mm要求.

數據簡化完成后，接著進行坐標對齊.因輸入的數據是基于測量設備的局部坐標系，該坐標系不是車身坐標系.輸入的點云數據坐標系要與在Imageware中建立的車身坐標系對齊，確保一個完整的車身外表面三維數據處于同一車身坐標系下.點云數據的坐標對齊，可以采取的方法有3-2-1法、最佳擬合法、交叉法、混合法等，根據實際情況合理使用.點云坐標對齊的誤差要求≤0.05mm.

圖2　全車身外表面點云Fig.2 Car body surface point clouds

經過數據簡化和坐標對齊后的全車身外表面點云如圖2所示.

2）車身外表面三維數據的分割

車身外表面三維數據量大，不能簡單地做一次性處理和一次性重構車身曲面.需要對車身點云數據做分塊處理.分塊處理的方法，一是根據車身的外表面特征形狀進行分割；二是采用計算曲率進行分割，即通過計算點云數據的曲率找到尖邊區域及邊線，以此作為邊界進行區域劃分［8］.大面的分塊可以劃分為頂棚、左右側圍、前圍、后圍等大區域，各大區域點云要求在同一坐標系中分別做曲面重構，以便最后拼接各大區域所有分塊數據，做整體車身光順處理.以左側圍為例，如圖3所示為被劃分出來的左側圍點云.

3）構建曲面

車身曲面是復雜的空間自由曲面，為減少車身風阻，車身設計建模呈流線與光順，是車身曲面的顯著特點.車身曲面的設計建模依據參數化造型方法，結合車身的外形特征，車身曲面需采用分塊建模的方法.即，在同一坐標系下，把車身曲面劃分為若干個容易處理的曲面塊，對各部分特征表面采取分塊造型，最后再總裝配到一起.

Imageware曲面構建的方式主要有4種：直接構建基本曲面、基于曲線的曲面構建、基于測量點直接擬合的曲面構建、基于測量點和曲線的曲面構建.基于車身外表面的特點，曲面構建的方式主要用后面3種.在此以左側圍的曲面構建為例，對左側圍點云某區域等距截取斷面線，獲得一族斷面點云，據根斷面點云進行曲線和曲面構建.車身工程師提取截面線與點云作比較，指導曲面編輯，使曲面能夠擬和點云.這是一個交互式的無限逼近的過程，需要通過軟件的Molding Option功能來實現動態觀察.在調整控制點時，依次調整一個方向的控制點，使其與點云貼近，之后再調整其他方向.做曲面調整時，結合使用曲面診斷工具，用等距截面線的曲率梳進行檢測，直至達到各截面線的曲率梳呈均勻變化趨勢，對曲面品質進行實時動態控制.如圖4所示.

圖3　分解出來的左側圍點云Fig.3 Left side panel point clouds

圖4　構建曲面Fig.4 Constructing surface

4）曲面連接和連續性分析

在車身A級曲面重構過程中，如前所述，首先是對車身外表面點云數據按形狀特征做分割處理.分割的每一塊大面的區域還需分成幾塊面來構建，這是因為用一塊曲面構建，獲得的曲面不能滿足A級曲面所要求階數控制，以及曲率變化等要求.如圖5所示，把這一區域分成3塊面，借助Imageware軟件的Match功能約束相鄰曲面間的連續性，即對話框勾選選項：√Position、√Tangent、√Curvature.并用Multisurface Continuity功能實時檢測它們的連續性指標.在Imageware軟件中，分別用Position，Tangent和Curvature代表G0，G1和G2.連續性檢測的結果為Position＝0.001mm，Tangent＝0.050°，Curvature＝0.001°，分別達到A級曲面連接所要求的公差范圍，即G0≤0.005 mm，G1≤0.16°，G2≤0.005°的要求，如圖6所示.表2列舉了幾塊大面的連續性指標檢測結果，數模圖示省略.其他面的續性指標檢查和分析方法相同，在此也不一一列舉.

圖5　約束相鄰曲面間的連續性Fig.5 Restrict the continuous of adjacent surfaces

圖6　檢查曲面的連續性Fig.6 Inspecting the surfaces continuous

表2　幾大面的連續性指標檢測結果Tab.2 Continuous detection result of several large surfaces

5）曲面光順性檢查

曲面重構完成后，要檢查和分析曲面的光順性.

曲面的光順性分析主要內容和順序為：①檢查各曲面之間以及倒圓角連接的連續性，連續性數值滿足A級曲面所要求的數值范圍內；②上光檢查（Shade）.通過旋轉數?；蜃儞Q光源角度來檢查數模的光影效果，觀察表面是否存在局部凸起或凹陷，以及層疊或扭曲等質量缺陷.③斑馬線檢查（亦稱等照度線，Isophote）.模擬一組平行的光源，以此產生的光影反射線照射到被檢查曲面，曲面呈現流暢造形.執行檢測的結果顯示，該車身曲面斑馬線的走向及寬窄變化均勻，斑馬線相連，且在連接處呈現一個光順過渡，沒有產生尖銳的拐角，也沒有錯位，最終達到A級曲面的要求，如圖7所示.

6）車身A面的總裝配

按照車身曲面重構的方法和步驟，在完成頂棚、左／右側圍、前圍、后圍等大區域的曲面重構后，調取各大區域的曲面，進行總裝縫合，總體檢查，最終獲得整體車身A面數模.通過旋轉模型或變換光源角度來檢查車身數模的光影效果，整體車身表面沒有局部凸起或凹陷，以及層疊或扭曲等質量缺陷，車身數模光順流暢，如圖8所示.

3　結論

通過研究，可得出如下結論：1）基于反求工程的MPV車身A面建模，滿足了A級曲面建模一般評價指標要求；2）A級曲面的反求設計，證明反求工程可以作為產品設計開發的一種特別的技術手段，為解決車身A面建模提供了一條有效途徑；3）反求工程因省略了正向設計過程中的車身外形構思、車身圖草繪、車身效果圖設計等環節，可以縮短開發周期.隨著產品的外觀設計越來越復雜化、多元化、個性化，由此展望反求工程技術的發展，車身A級曲面的建模，將不僅僅依賴反求工程技術，更多的是正向設計與反求設計綜合應用，甚至對軟件進行二次開發，導入參數化設計建模方法［9－10］，以此強化反求功能，更好地開發出原創性與實用性兼備的客戶滿意的汽車產品.

圖7　檢查曲面的光順性Fig.7 Inspecting the surfaces smoothness

圖8　整體車身A面數模Fig.8 Surface A date－model of whole car body

［1］陳黎卿，王繼先，劉忠存.逆向工程技術在汽車車身造型設計中的應用［J］.機械制造，2006，44（8）：20－21.

［2］奇瑞汽車有限公司.Q／SOR.04.059－2006汽車A級曲面評估標準［Z］.

［3］武振鋒，朱黎.空間曲面連續性的分類及其數學解釋［J］.機械設計，2011，28（2）：5－8.

［4］王正如，梁晉，王立忠.基于逆向工程的汽車覆蓋件CAD建模技術研究［J］.機械設計與制造，2010（7）：106－108.

［5］龔運息.逆向工程及3D打印技術在微車發動機風扇開發中的集成應用［J］.科技與企業，2013（17）：299－300.

［6］成思源.逆向工程技術綜合實踐［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［7］姜元慶，劉佩軍.UG／Imageware逆向工程培訓教程［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［8］周煜，杜發榮，高峰，等.汽車覆蓋件逆向設計方法［J］.汽車技術，2006（10）：6－9.

［9］諶炎輝，胡義華，陳岳坪.基于UG的系列產品參數化設計方法研究［J］.廣西工學院學報，2008，19（3）：27－30.

［10］陳岳坪，諶炎輝，許淑慧，等.用參數化技術實現相貫線變化的動態仿真［J］.廣西工學院學報，2008，19（3）：20－22.

（學科編輯：黎婭）

A MPV car body surface A modeling and analysis based on reverse engineering

GONG Yun-xi1,QIN Min2
（1.Engineering Research Center of Advanced Design and Manufacturing Technology of Heavy Vehicle Components(Guangxi University of Science and Technology),Ministry of Education，Liuzhou 545006,China；2.Technology Center，Liuzhou Wuling Automobile Industry Co.,Ltd.，Liuzhou 545007,China）

Taking surface A design of a MPV car body as an example,the basic concepts of reverse engineering and class-A-surface,the design requirements and reconstruction process of class-A-surface were sketched.The methods that dividing point cloud,blocking surface construction and surface merging according to the characteristics were proposed,after that,the MPV car body surface A reconstruction was completed by using reverse design software.The compliance between reconstruction surface and class-A-surface standard was verified through surface smoothness and consistency check.The reverse design of class-A-surface proved that reverse engineering can be used as a special technology of product design and development,it can provide an effective way for the design of car body surface A.

reverse engineering；MPV car body；surface A modeling；surface analysis

U463.82

A

2095-7335（2016）03-0033-06

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.03.006

2016-01-07

廣西科學研究與技術開發計劃項目（桂科能0907013）資助.

龔運息，碩士，高級工程師，研究方向：汽車和機械產品數字化設計制造，E-mail：gyx863＠163.com.