基于CATIA逆向工程的SUV后圍保險杠曲面造型設計

卜 俊，唐 剛，鄭 偉

（廈門大學 嘉庚學院，漳州 363105）

0 引言

逆向工程（Reverse Engineering），也稱反求工程，其原理是把現有實物產品通過測量儀器掃描獲取三維空間點云數據，再用相應的計算機軟件將數據設計成三維CAD模型和設計圖紙，用于加工制造。它是一種對產品進行分析、再設計和創新處理的有效手段。隨著汽車產品更新換代的速度日益加快，以三維測量和曲面重構技術為支撐的產品逆向工程技術在汽車新產品設計中應用廣泛，尤其是對于外車身和內飾等外形主要以自由曲面為特征的零部件的設計，遵循A級曲面標準的逆向設計已經成為標準解決方案[1]。文章基于CATIA逆向工程技術，采用了逆向和正向相結合的混合設計方法完成了某款SUV前保險杠的曲面逆向重構與曲面造型再創新設計，并對其過程進行了詳細的闡述和研究。

1 CATIA曲面設計理論基礎

CATIA集多種功能模塊為一體且有強大的曲面設計功能和較高的精度[2]，它主要采用非均勻有理B樣條（簡稱NURBS）方法進行曲線和曲面的構造。NURBS方法是非有理B樣條方法在四維空間的直接推廣，它可以精確地表示二次規則曲線曲面，從而能用統一的數學形式表示規則曲面與自由曲面[3]。由于NURBS具有曲面質量好、速度相對較快、算法穩定等特點，在1991年國際標準化組織（ISO）頒布的工業產品數據交換標準STEP中，已將NURBS作為定義工業產品幾何形狀的唯一數學方法[4]。

1.1 NURBS曲線數學表示方法

一條k次NURBS曲線數學定義為：

式中：Pi（i=0，1，…，n）為控制頂點，按順序連接可以形成控制多邊形；Wi（i=0，1，…，n）為曲線權因子，它可以增加對頂點的控制力。通常首末權因子W0，Wn＞0，其余權因子Wi≥0且順次的k個權因子不同時為0；Ni，k（u）為k 次規范的 B 樣條基函數。

1.2 NURBS曲面數學表示方法

一個k×l冪次的 NURBS曲面可以表示為：

其式中：Pi，j為曲面網格控制點（i=0，1，…，m；j=0，1，…，n）呈拓撲矩形陣列，形成控制網格；Wi，j是與控制點Pi，j相對應的權因子；Ni，k（u）和Nj，l（v）分別是u方向k次和v方向l次的B樣條基函數。

2 基于逆向工程的SUV后保險杠曲面重構

2.1 點云數據的采集及預處理

點云獲取是產品逆向過程中的重要環節，由于測量產品表面數據的設備多種多樣，測量的方法因此也不盡相同。目前用于產品逆向工程中的三維數據獲取方法可分接觸式與非接觸式兩大類。本文采用EinScan-Pro多功能手持式3D掃描儀對SUV后保險杠進行掃描獲取點云數據，并以ASC格式存儲。

將獲取的定云導入到CATIA V5 DSE（Digitized Shape Editior）模塊中截除后翼子板部位多余的點云，通過經降噪、稀釋處理后得到后保險杠的點云數據見圖1(a)。之后將處理后的點云進一步完成三角化和網格優化等逆向操作，得到三角網格化后的曲面如圖1(b)所示。

圖1 點云數據的獲取及預處理

2.2 數據的分塊

由三角化后的點云可以看出，此款SUV后保險杠也是由多個自由曲面組成的具有復雜外形的零部件。為保證曲面重構的質量，需對曲面進行合理的分塊處理。數據分塊應當注意曲面分塊布局合理，便于曲面銜接。曲面分的過多則會使得曲面之間銜接復雜，影響曲面精度。過少則無法區分不同曲率的曲面片。如圖2所示根據保險杠曲面特征將其分為五塊小的曲面片。

2.3 曲面重構

1）特征線提取

在CATIA模塊中，常用于逆向構造曲線的方式主要有平面截面線、曲線投影、3D曲線及網格面邊線等[5]。文中采取了平面截面線、曲線投影、3D曲線相結合的方法完成對SUV后圍保險杠特征線的提取，特征線提取一般分兩步：

首先提取各分塊交界線處特征線。這種交界線往往是構建曲面特征的輪廓線，也是保證曲面精準擬合的基礎線。如圖3(a)所示對于規則、空間曲率變化不大的特征線（如特征線1、2、3、4、5）可采用3D曲線直接構建；對于空間曲率跨度較大且不規則的特征線（如特征線6、7、8）可先用3D曲線分段提取特征線，再通過空間曲線橋接功能將兩段或多段特征線銜接，最后經裁剪得到目標特征曲線。

圖2 曲面的分塊

圖3 特征線的提取

其次提取各個分塊曲面的截面線。截面線能夠清楚的反應各個曲面的特征以及曲面漸變的趨勢，由于曲面滿足對稱性，所以只須對半個曲面的截面線提取。用CATIA DSE模塊中的Plannar Section功能先對點云XY、XZ方向進行分割得出云交線，再結合3D曲線功能提取出各個分塊曲面的截面線如圖3(b)所示。

2）曲線擬合及光順處理

為保證曲面銜接的光順性，需要提取的特征曲線進行修正，找出曲線中多余的死點并去除。可先用橋接、修剪命令將曲線分段銜接，再將分段曲線進行高精度擬合，保證調整后各分段曲線擬合處達到G2（曲率）連續。圖4為調整后的特征曲線曲率分析結果，從圖中可以看出各個交界處特征線以及主要截面特征線符合光順性要求。

圖4 特征曲線光順性分析

3）由特征線構建曲面

曲面重構是逆向過程的重要環節，與點云及交線直接擬合曲面的方法相比，采用特征線構建曲面的方法更為簡單、快捷，且生成的曲面質量較高，曲面構成方法也比較靈活。對于規則、曲率變化不大的曲面（如圖2分塊1、2、5）可直接運用掃略、放樣、橋接等操作方法重構曲面。曲率變化幅度大且變化不規則的曲面塊（如圖2中分塊3、4），可先有邊界特征線和截面線生成曲面，再用控制點調面法調整曲面U、V方向的控制頂點、權因子、節點失量等參數[6]如圖5所示，使曲面逼近點云，達到曲面擬合精度。在FreeStyle模塊中將各相鄰曲面通過倒角使其到達G2連續，之后通過鏡像形成最終曲面效果，如圖6所示。

圖5 NURBS參數調節

圖6 最終曲面重構效果

2.4 曲面逆向精度檢測

CAD模型完成后為保證曲面精度應對逆向曲面進行曲面精度檢測。如圖7所示，通過模型曲面法向距離分析重構曲面和點云之間的偏差，曲面的最大偏差效果0.192mm，最小偏差為-0.128mm，符合汽車覆蓋件逆向精度要求。

圖7 曲面精度分析

3 SUV后保險杠曲面再創新設計

后圍曲面再創新設計可采用正向設計思路：先結合新造型效果圖對圖紙進行修改得到新的三維圖紙，再根據圖紙進行繪制新造型特征線、特征面。為提高效率先繪制一半特征線和特征線面，再經過鏡像得到另一半形成整體。

3.1 新三視圖的繪制和導入

結合手繪設計稿和逆向生成的曲面在CATIA工程圖模塊下對三視圖進行修改，得到新造型三視圖如圖8所示。在CATIA Sketch Tracer模塊中插入逆向曲面，分別導入正視圖、側視圖、俯視圖并根據尺寸調整位置，最終效果如圖9所示。

圖8 修改后的三視圖

圖9 導入新三視圖

3.2 造型特征的構建

圖10 造型特征的構建過程

1）造型特征1。從圖10(b)中可以看出，造型特征1的表現形式為過渡面與具有高度差的兩個曲面的交線逐漸融合至消失[7]。其構建方法為先構建曲面1并通過控制點調面使之與曲面2形成高度差，再由各邊界特征線構成曲面3。

2）造型特征2。造型特征2構建方法較為簡單，將截面線沿著掃略線掃略，之后與曲面2進行修剪即可得到。

3）造型特征3。由特征線構建曲面4并通過控制點調面使曲面4和曲面5形成高度差，最后用橋接命令做出造型3。

4）鏡像整體效果。將做出曲面經過對稱平面鏡像得到修改后保險杠曲面，最終效果如圖11所示。

圖11 最終造型效果

3.3 曲面質量評價及裝配檢測

后圍保險杠建模完成后，應對所完成的曲面進行質量評價，常用方法包括等照度線、多截面曲率梳、高斯曲率以及反射線等[7]，其中等照度線評價方法比較直觀，被廣泛采用。從圖12(a)中可以看出改進后的保險杠曲面等照度線之間間隔比較均勻，等照度線粗細變化均勻，無錯位，證明該曲面以及達到G2曲率連續，符合汽車覆蓋件生產的A級曲面要求。

為檢測新建的保險杠后為曲面與其他逆向件的匹配度，需對其進行虛擬裝檢測，以逆向完成的后輪罩數字模型為約束基準，將保險杠與其進行虛擬裝配。如圖13所示，后輪罩造型特征線與重新設計后的保險杠曲面特征線走向保持一致，銜接順暢，整體裝配效果較好。

圖12 曲面等照度線評價

圖13 裝配檢測效果圖

4 結束語

在無圖紙的情況下對產品進行改良創新設計難度較大，設計過程較為繁瑣，針對此難點本文采取了逆向與正向相結合的設計思路。以某款SUV后圍保險杠曲面設計為例，基于CATIA強大的曲線、曲面編輯功能，先運用點云分塊、基于特征曲線構建曲面以及控制點調面等逆向設計技巧做出保險杠曲面的基本數據，再采用正向設計對曲面造型進行再次創新設計。經曲面質量評價和裝配檢測，改進后的曲面符合曲面精度要求且與其他部件銜接良好。實踐證明運用上述的設計思路和設計技巧可以提高設計效率，縮短了產品改進與創新的周期，對產品工業化生產具有一定價值。

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