試析汽車零部件逆向設計中的參數化建模方法

劉軍

博世汽車技術服務（中國）有限公司上海分公司 上海市 200335

1 引言

逆向工程技術廣泛應用于汽車設計領域，特別是用于新產品的開發，對汽車內外的曲面零部件進行設計，應用最權威、標準的A級解決方案。在新車研發環節對參考車輛進行逆向分析，對汽車部件進行逆向設計，建立模型模擬分析。

汽車零部件產品的逆向設計評定為結構單一，形成初期以尺子對零部件進行直接測量，對關鍵尺寸的測量往往會因為誤差以及效率低下影響設計。現階段應用的測量方法多為三坐標測量零件的尺寸，最終建立起模型。

本文研究介紹了Geomagic studio以及CATLA軟件在逆向設計中的應用，直至建立參數化模型的過程及方法。

2 汽車零部件逆向設計中參數化設計方法簡述

以輕型發動機的汽缸罩為模擬目標，進行逆向三維設計，應用激光設備逆向掃描試驗，應用Geomagic studio12對云點進行預處理。在CATLA V5中進行零件設計。汽缸罩表面隨為曲面但相對平整，可以用Geomagic studio 快速擬合。逆向掃描的點云參數設計，在Geomagic studio中前處理操作，再導入CATLA V5，最后生成模型。

2.1 逆向掃描

在研究中應用手持自動定位三維激光掃描設備對輕型發動機的汽缸罩進行逆向掃描。還需要在黑色表面及光滑表面上噴涂漫反射白色粉劑、顯影劑以提升掃描的清晰度。在零件的平正面隨機粘貼參考點，為掃描儀掃描提供定位參考，以此方法提升掃描的精準、清晰，縮短掃描時間。在粉劑噴涂以及定位點粘貼之后，即可掃描出汽缸罩實體模型，零件表面由柱體、平面以及孔位構成，

在實際的激光掃描環節，設計人員要盡可能將掃描儀與掃描零件表面成垂直狀態，并且保證掃描速度均勻，保證點云質量。電云的精準及完整，決定模型的精準。掃描儀器不同，其成像也不同，從圖1中的點云對比可以看出，下圖的掃描質量較差，精度不高，點云特征識別不精準，并伴有殘缺出現，在進行擬合曲面后，其參數的精準度也是難以保證的，而上圖的點云完整，能夠保證逆向設計達到預期效果[1]。

圖1 掃描效果對比

2.2 點云的前期處理

掃描之后得到的點云會有很多的噪點，還有可能會出現漏掃、孔洞，因此需要對點云進行前期的處理，如裁剪、修理等操作。具體處理為在Geomagic studio中輸入點云數據，生成多邊形，在多邊形上進行點云操作。Ribbon單元下，有多種可選用的工具，如刪除、簡化、裁剪等功能可以進行噪點消除，應用松弛、刪除、填充等功能進行點云修復，其中最為快捷的功能為網格醫生，能夠批量自動化處理點云修補工作。

Geomagic studio軟件的多邊形處理功能其優點在于操作簡單、直觀，并且擁有全面的處理功能， 非常適用于逆向設計參數化。然而CATLA V5的功能較少，并且操作難度較大，工作效率低。此外EXA掃描設備不能進行基準坐標設定，設計人員可以進行手動擬合垂直平面，在對齊功能下進行全局注冊，應用點云與多邊形在坐標系對齊。選擇三個基準平面環節，要考慮擬合精度以及零件變形產生的影響[2]。

2.3 建立參數化曲面

在參數曲面模塊下，操作參數曲面，多邊形會被轉化為參數曲面，此模塊下的其他功能也可以進行使用。在此之后進行探測，探測模型下層，在顏色上體現出差異，各區域用不同顏色區分及隔離。各區域在擬合中轉為參數化曲面，因此，區域的劃分尤其重要。此外，還可以從區域分類模塊下進行區域點云指定擬合曲面類型，以減小誤差，當點云不清晰、不明確的情況下可以應用此功能。

在此之后進行擬合曲面，應用鼠標滑動或是選中整個區域，自動識別參數化曲面。通過擬合、分類連接等生成過渡面。在初步的擬合操作完成后，不同的將不同的曲面用分隔線分離，并將曲面用獨特的顏色進行高亮顯示。

Geomagic studio的內置程序能夠快速提取、創建及完善CAD曲面，自動對平面、柱體進行擬合，也具有自動提取、掃描的功能，曲線優化并轉換為CAD建模。Geomagic studio還后續更新還增加了草圖功能，直觀對橫截曲線并直接編輯。

由于點云存在誤差等因素，導致擬合曲面無法完成預期效果，則可以應用編輯草圖、曲面、曲面修復等功能進行調整。如果曲面與預期存在較大差異，軟件就會彈出提示，用戶可一根據Geomagic studio的提示進行操作。

將CATLA V5與Geomagic studio進行比較，其曲面擬合的功能及效果有很大的差距，選擇工作的點云操作較為復雜，并且不會對誤差進行顯示，難以發現誤差并進行調整。要注意Geomagic studio軟件在擬合參數曲面時，對計算機硬件的要求較高，所以要對工作用計算機進行較高的配置且使用64位系統[3]。

圖2 汽車零部件逆向參數化設計過程

2.4 將參數化曲面導入CATLA V5

在Geomagic studio完成曲面擬合，通過接口導入至CATLA V5中。軟件具有與CATLA V5的交換接口，同時Geomagic studio支持更多的對接版本。在進行對接交換操作時，需要將兩個軟件同時開啟，因此對計算機硬件的要求更為嚴格。應用一鍵交換功能自動傳輸曲面信息。

2.5 參數化實體模型建立

導入CATLA V5參數去面后，為了便于對比，設計者可將點云導入DSE，進行曲面重建以及模型建立。因為零件多數特征都已建立在參數化曲面之上，因此能夠快速完成模型建設。一部分特征要經過手動創建，但與其他創建方法相比較，動作量有明顯降低[4]。

3 汽車零部件逆向參數化設計方法步驟

逆向工程又稱作你想記述，是一種將產品設計技術重現的過程，對產品進行逆向分析、逆向研究最后演進為產品的處理流程、組織結構、功能特性以及技術規格等設計要素，從而制作出功能相似卻不同的產品。逆向工程源自商業及軍事業的硬件分析，主要目的在于難以獲取生產信息的狀況下，直接分析成品，從而得出產品的設計原理。

Geomagic studio是廣泛推廣及應用的逆向工程計算軟件，具有點云及多邊形快速前處理的優勢以及基本曲面的擬合，同時也能夠將你和參數化曲面信息傳送至常用CAD軟件上，在軟件中進行修改。因此，研發人員要在逆向設計中，用Geomagic studio處理點云，批量進行參數擬合，導入至CATLA V5中對曲面進行修剪、封閉，最后完成建模。規則表面零件逆向三維設計如圖2所示。

為了能夠提升模型制作的精度，減少逆向設計中更多操作，降低工程量提升效率，對零部件逆向參數化設計的過程提出幾點建議：

（1）第一次的點云質量要尤其注意，要保證掃描設備的正常運行，盡力實現人工掃描的平穩、勻速與速度適中。

（2）在實際操作中要將批量處理模式與交互處理模式相互配合。輪廓的劃分以及曲面擬合等流程能夠在軟件中通過批量處理的形式自動完成，但因為零件存在變形量、掃描過程中存在云點誤差，軟件的智能化程度有限，加上操作人員可能出現的失誤，因此要對輪廓線、曲面、參數值進行手動修復。在Geomagic studio自動之別及擬合曲面中，存在一定的難以識別的錯誤。此外，對于柱體、孔洞等要將其尺寸修改為一致。

（3）根據之前的對比，以及Geomagic studio的軟件特性來看，曲面擬合的工作要盡可能的在Geomagic studio軟件中實現從而對Geomagic studio的點云處理、曲面擬合等優勢進行充分利用。對于曲面的修飾、加工及生成模型等操作都轉移到CALTA V5上進行。

（4）在進行分次執行參數化曲面生成及從Geomagic studio導入至CALTA V5的過程中，每一次都只對部分區域進行處理，有利于擬合精度以及操作便利性的提升，并且能夠適稍微降低對電腦配置的要求，適應電腦的處理速度。同時在操作中經常出現卡頓、閃退、死機等現象，通過局部處理、保存可以較少工程丟失的風險。

（5）在設計的中結合汽車的結構及經驗，對擬合參數手動設定，如固定用螺絲的孔位、直徑、鈑金參數等，結合設計規定以及設計標準，對參數進行手動調整。這些個方法都對逆向設結果精準度及準確性的提升有明顯幫助[5]。

4 結語

本位對汽車離間逆向設計中結合Geomagic studio應用，在CATLA中建設模型的方法進行了探索，歸納出汽車零部件逆向設計中的參數化建模方法 的應用流程，總結了在試析汽車零部件逆向設計中的參數化建模應用中的常見的問題及解決方案。Geomagic studio對點云快速處理能夠使之與CALTA V5等三維CAD軟件進行高效配合，為汽車零部件逆向設計中的參數化建模提供了極大的幫助。