汽車覆蓋件參數化逆向工程設計研究＊

陳建洲 吳婷

（嘉興學院，嘉興 314001）

主題詞：汽車覆蓋件 參數化 逆向工程 區域劃分 特征提取

1 前言

隨著計算機技術和汽車工業的蓬勃發展，以測量技術為基礎、曲面重構技術為支撐的逆向工程(Reverse Engineering，RE)技術在汽車產品的設計開發中得到了廣泛應用[1]。逆向工程[2]能夠快速而準確地建立零件原型的數字化模型，縮短產品開發周期，是實現新產品快速開發的重要技術手段[3]。汽車覆蓋件傳統的逆向設計流程是首先將通過掃描獲得的零件表面點云進行數據分塊，再通過對分塊數據進行曲線或曲面的擬合，將擬合得到的若干小曲面片通過拼接得到物體的各個面，從而重建出產品的數字化CAD模型[4-5]。然而，這種傳統的非參數化的逆向建模方法不利于進一步的編輯修改和再設計，無法將逆向設計的結果直接應用到新產品開發中[6]，因而將正向設計和逆向設計有機結合起來的參數化設計方法已成為設計研發領域的必然趨勢[7]。

本文針對汽車覆蓋件的結構特點，采用一種基于區域劃分和特征識別的正逆向相結合的設計方法，從測量數據中提取出可以重新進行參數化設計的特征及設計意圖，從而獲取完整的參數化CAD模型，方便后續的有限元分析和優化設計。

2 參數化正逆向設計流程

根據汽車覆蓋件表面幾何形態特征，采用如圖1所示的設計建模流程。

圖1 參數化正逆向設計流程

如圖1所示，首先對實物樣件的掃描數據進行數據預處理，然后進行基于曲率的特征區域劃分，根據正向建模思想對規則區域（如平面、拉伸面、回轉面等）提取其區域特征（如回轉截面和回轉軸）以構建規則特征實體或曲面，對非規則自由曲面區域提取邊界特征線和截面特征線，以利用掃描或放樣等操作構建非規則特征實體或曲面等，最后運用布爾運算得到實物的CAD模型。將設計好的CAD模型與原始掃描數據進行質量分析，如果精度和光順性較差則再次進行正向設計，并重新調整參數和特征曲線，直到貼合為止。這種方法可以充分發揮正向設計和逆向設計各自的優勢，使其盡可能符合產品原來的設計意圖和造型方法，實現參數化設計。

3 汽車覆蓋件參數化逆向設計

以某品牌汽車后保險杠外殼板為例，在正逆向軟件Geomagic Design X平臺下，通過對其進行基于區域劃分和特征識別正逆向相結合的參數化建模與分析，以體現該方法的特點與優勢。

3.1 數據采集與預處理

利用激光掃描儀對保險杠外表面進行掃描，以獲取零件表面的幾何坐標數據即點云數據，由于保險杠為結構對稱的薄殼零件，因此只需掃描約1/2的外表面即可。掃描完成后，通過刪除體外孤點、統一采樣、降噪、網格封裝、網格醫生、填充孔、裁剪、簡化等功能對數據進行優化處理，最后得到精簡的保險杠點云模型，如圖2所示。

3.2 特征區域劃分

保險杠的網格模型表面既包含自由曲面，又具有很多平面和二次曲面等，為方便后續建模，首先利用Geomagic Design X的“領域組”功能對網格模型進行曲率分析，并根據曲率信息將模型表面劃分為若干不同區域，如圖3a所示。受點云誤差所限，區域劃分范圍可能遠離理想結果，因此根據保險杠表面形態特征，將相同類型的特征區域利用“合并”鄰域功能進行合并組合，對不同類型的特征區域利用“分割”或“插入”功能進行手動重新分割，得到最終的特征區域劃分結果如圖3b所示。

圖2 精簡后的部分保險杠點云模型

圖3 保險杠特征區域識別與劃分

3.3 坐標系建立

坐標系作為整個逆向工程的基準，其精確建立對建模精度具有重要影響[8]。由于該保險杠為平面對稱結構，為方便后續操作，將模型坐標系原點位置設在對稱平面上，且其中一個坐標軸垂直于對稱面。從特征區域劃分結果可知，特征區域1（圖4a）為一平面，中間的安裝孔區域2（圖4b）為圓柱面且位于保險杠模型中部。因此，首先對區域1進行平面擬合，并提取區域2的圓柱面回轉軸線；然后利用坐標系對齊功能，使區域1與世界坐標系的XY坐標面對齊，回轉軸線與Z坐標軸對齊，結果如圖4c所示。這樣，坐標系原點就正確地位于安裝孔中心，模型的對稱面即為YZ坐標面。

圖4 坐標系建立

3.4 參數化設計

3.4.1 保險杠主體結構重建

保險杠主體曲面為自由曲面，是整個逆向設計中的關鍵。傳統方法是利用擬合工具將其擬合為NURBS自由曲面，這種方法雖然擬合速度快，但如需進一步編輯則要手動調整NURBS曲面的控制頂點，不僅效率低而且無法實現參數化再設計。

為方便后續編輯，結合正向建模思想，提取主體曲面的特征線，利用放樣功能進行構建。首先，沿主體曲面延伸方向建立若干輔助基準平面（圖5a），然后利用“面片草圖”功能截取出這些位置的二維截面輪廓，并進行輪廓曲線擬合和參數化修改以及添加準確的約束關系（圖5b）；同時，為使放樣曲面更好地貼合網格數據，在與截面輪廓垂直方向上提取幾條引導曲線，并利用截面輪廓和引導曲線構建放樣實體（圖5c）；最后，利用鏡像功能通過對稱面鏡像出另一側，從而重建出完整的保險杠主體結構，如圖5d所示。

圖5 保險杠主體結構重建

3.4.2 其它結構重建

保險杠中部的踏板凹槽為規則特征，可以通過拉伸切除命令來實現凹槽結構的創建。由于該結構帶有一定的拔模斜度，首先在凹槽中部建立一個平行于踏板底部的輔助平面，以提取該位置的截面輪廓，并利用鏡像和參數修改獲取完整的封閉截面草圖（圖6a），然后通過添加兩側拔模角度獲得凹槽結構（圖6b），最后利用圓角測量功能估算圓角區域的曲率半徑，進行參數化倒圓角，結果如圖6c所示。

圖6 踏板凹槽重建

由于保險杠為薄殼零件，需通過測量其不同位置的幾組數據確定薄殼厚度，以對保險杠進行抽殼處理來獲得內部的空腔結構。保險杠中的安裝板及安裝孔和長條孔等可利用拉伸切除功能重建，保險杠頂部的柵格條通過放樣、鏡像命令獲得。最終重構出的保險杠參數化實體模型如圖7所示。

圖7 重構出的保險杠模型

3.5 重構質量分析和優化

汽車覆蓋件重構質量的評價包括曲面的精度（即重構曲面與掃描數據點的位置偏差）和曲面的光順性[2]兩方面，其中曲面的光順性是汽車覆蓋件逆向設計中的關鍵，通常可以犧牲點云與曲面的重合度來追求曲面的光順。

利用Geomagic Design X軟件中“環境寫像”工具進行光順性分析，“環境寫像”工具類似傳統的斑馬線功能，即在曲面上生成黑白相間的條紋（斑馬線）來檢查曲面質量，該保險杠的光順性分析效果如圖8所示。由圖8可看出，該保險杠斑馬線分布規則均勻，說明重構的保險杠模型表面曲率變化平滑、無突變，滿足重構曲面光順要求，曲面質量良好。

圖8 保險杠光順性分析效果圖

利用Geomagic Design X軟件中的“體偏差”功能進行曲面精度分析，即檢測重構模型與點云數據之間的偏差，該保險杠重構精度分析效果如圖9a所示。由圖9a可看出，保險杠模型表面有較大部分區域與原始點云之間的偏差超出設定的±0.1 mm公差范圍，出現差值較大的原因可能是在擬合平面及手動草繪過程中存在一定誤差。為此，需返回到設計界面對所構建的特征進行參數化局部修改，以及通過增加截面輪廓和邊界曲線的數量來改善，直到滿足要求為止。優化調整后的效果如圖9b所示，可看出大部分區域在±0.1 mm公差范圍內。

圖9 保險杠重構精度分析效果圖

4 模型輸出和參數化修改

將優化后的保險杠模型通過參數轉換功能導入到正向CAD軟件Creo中，結果如圖10所示。由圖10左側的特征樹可看出，逆向建模中的關鍵特征（如平面、截面輪廓、引導曲線等）都完全導入，實現了逆向建模與正向建模的無縫連接。該方法無需轉換成中間格式（如iges、step格式等），能夠完全保留模型的參數化特征，方便后續的優化設計和創新設計。

5 結束語

本文針對傳統汽車覆蓋件逆向建模中存在的問題，提出一種基于區域劃分和特征識別正逆向相結合的參數化設計方法。通過分析產品表面形態特征，結合正向建模思路，對汽車保險杠各部分結構進行區域劃分、特征提取以及參數化再設計，重構出較準確的產品參數化實體模型。與傳統方法相比，該方法能有效提高建模效率和反求參數化的修改能力，提高產品的開發速度，而且無需中間格式轉換即能無縫輸出到正向CAD軟件中，從而為汽車覆蓋件等復雜零件的逆向設計提供一種新思路和解決方案。

圖10 輸出到Creo中的參數化模型及其特征樹