基于ICEM Surf的汽車引擎蓋逆向設計*

肖建忠，苗 盈，鄒子為，李宇東，晏子翔

（無錫職業技術學院機械技術學院，江蘇無錫 214121）

0 引言

逆向工程是通過現代測量手段獲取產品點云數據并進行數字模型重構的過程，是消化吸收先進技術和縮短產品設計開發周期的重要手段，在汽車產品的設計開發中得到了廣泛的應用[1]。王超等[2]利用逆向設計技術對汽車前大燈反射鏡產品的設計開發和質量檢驗進行了研究。陳堰芳[3]基于Geomagic Studio軟件研究了汽車引擎蓋的曲面逆向造型設計。武振鋒等[4]介紹了CATIA軟件在引擎蓋逆向設計中的具體應用方法與技術要點。王春香等[5]利用Geomagic Design X軟件實現了汽車懸架下彎臂的實體模型重構并用Geomagic Control X 軟件進行了精度分析驗證。黃育飛等[6]基于Alias 實現了汽車自由曲面的逆向造型設計。本文運用逆向工程技術在ICEM Surf軟件中完成了汽車引擎蓋的曲面造型設計。

1 ICEM Surf軟件

ICEM Surf在自由曲面設計領域是公認的主流設計軟件之一。ICEM Surf軟件被很多著名汽車制造商作為產品開發中的高質量自由曲面（A級曲面）制作工具[7]。ICEM Surf軟件具有的特點：（1）曲面生成方式靈活自由，容易獲得簡潔流暢的高質量曲面模型；（2）提供嚴格的數據檢查方法，有助于獲得高品質曲面數據；（3）具有顯示效果接近真實模型的展示功能；（4）數據兼容性好，通過數據接口可以方便地與其他常用CAD系統交換數據。

在ICEM Surf軟件中構建曲面需要遵循基本原則：（1）曲線是制作曲面的基礎，很大程度上影響曲面品質，曲線應具有良好的形狀，沒有過于平坦、尖凸區域或多余的曲率拐點；（2）為確切描述物體外形，曲面片需足夠大，對其進行裁剪后得到所需的區域；（3）在足以描述形狀的前提下，曲面片階數盡可能低；（4）曲面片應是接近矩形、扇形等規則形狀；（5）曲面片控制點分布應盡可能規則，盡量避免控制點突出或波動；（6）相鄰曲面間應達到足夠的位置連續和相切連續精度，確保能生成實體模型。

在ICEM Surf軟件中構建曲面的基本流程：（1）根據原始數據（點云數據）生成主要曲面片；（2）檢查曲面邊界和控制點在各視圖方向上形態是否良好；（3）對曲面進行曲率檢查；（4）對鄰近曲面重復以上步驟；（5）延長2個鄰近曲面直至相交，并確保不發生不規則變形；（6）用交線裁剪曲面片；（7）分析曲面片邊界曲率，確保曲率分布良好；（8）對鄰近曲面重復以上步驟；（9）檢查鄰近曲面之間的位置、相切、曲率連續性；（10）生成和調整主要曲面之間的過渡曲面。

2 引擎蓋點云數據采集及處理

2.1 點云數據采集

數據采集是從已有產品原型表面獲取點云數據的過程[8]。這里采用手持激光掃描儀采集汽車引擎蓋的點云數據。在開始掃描之前，需要在引擎蓋上黏貼標記點，標記點可以使掃描系統在空間中完成自定位。標記點應盡量貼在工件上平整以及無細節特征的表面；不宜貼在工件邊緣，須離開邊緣2 mm 以上；標記點的距離與表面曲率變化有關，一般在30～100 mm。由于引擎蓋表面曲率變化較小，所以標記點之間的距離約為100 mm，隨機均勻地黏貼在引擎蓋表面，如圖1所示。掃描汽車引擎蓋時要從中間向兩邊掃描，因為移動時有誤差，從中間向兩邊掃描可以減少誤差。

圖1 黏貼標記點并掃描引擎蓋

圖2 點云數據處理流程

2.2 點云數據處理

在逆向重構之前需要進行數據處理，以獲得完整、準確的測量數據[9]。這里使用Geomagic Design X軟件進行點云數據處理，具體操作步驟如圖2所示。其中，修補精靈用來檢索面片模型上的缺陷，如重疊單元面、懸掛的單元面、非流形單元面、交差單元面等，并自動修復各種缺陷；加強形狀用于銳化面片上的尖銳區域（棱角），同時平滑平面或圓柱面區域，從而提高面片的質量；面片的優化是根據面片的曲率大小，改善單元面的分布疏密程度；通過平滑操作可以消除面片上的雜點，降低面片的粗糙度。

3 引擎蓋曲面逆向重構

3.1 曲面特征分析

處理后的汽車引擎蓋點云數據如圖3 所示，從圖中可以看出引擎蓋有3條特征線，這3條特征將引擎蓋分成了3塊大的區域。由于特征線2前端的消失點等原因，引擎蓋模型還可以進一步細分，最終分解成如圖4所示的7組曲面。由于汽車引擎蓋是對稱件，因此在模型重構時只要做其中1/2，然后再鏡像。7組曲面制作完成之后，在3條特征線所在的位置進行倒圓角，最后裁剪邊界曲線。

圖3 處理后的引擎蓋點云數據

圖4 引擎蓋模型曲面分解

3.2 曲面重構流程

使用ICEM Surf軟件對汽車引擎蓋進行模型重構的基本流程如圖5所示。在制作曲面的過程中，需要調整曲面控制點，使其排布規則、變化均勻有規律，從而提高曲面光順度、降低形狀復雜度，最終獲得高質量曲面。由于引擎蓋曲面由若干個曲面拼接而成，為滿足外觀和結構設計要求，應根據具體實際情況，使曲面之間達到位置連續、相切連續、曲率連續等連續性要求。

圖5 引擎蓋逆向重構的基本流程

3.3 曲面質量評價

高光線的分布反映了曲面形體特征和曲面之間的連續性關系。如圖6所示，上方曲面為點云曲面，下方曲面為制作曲面，通過對比可以評價曲面質量。圖6（a）所示為X方向的高光線，在方框區域內，點云曲面的高光線比重構曲面更密，原因是原始曲面在該區域處有一道翻邊；圖6（b）所示為Y方向的高光線，在方框區域內，點云曲面的高光線與重構曲面不同的原因是，重構曲面將最中間的圓角貫穿了整個曲面，如果能夠在引擎蓋前側使這道圓角逐漸消失，可能就不會有此處的差異；圖6（c）所示為Z方向的高光線，點云曲面的高光線與重構曲面基本一致，重構曲面的質量比點云曲面更優。

圖6 用高光線評價曲面質量

4 結束語

本文從點云數據采集、點云數據處理、曲面特征分析、曲面逆向重構和曲面質量評價5個方面，系統介紹了汽車引擎蓋逆向設計的方法流程和技術要點。結果表明，采用逆向設計方法，以專業級曲面設計軟件ICEM Surf為工具，能夠快速準確地還原引擎蓋曲面的形狀特征，為其后續的分析優化和創新設計提供了高質量的曲面模型。將逆向工程技術應用到具有復雜自由曲面外形的汽車零部件產品，能夠縮短產品開發周期，提高產品質量，對實際車型的數字化設計和改型升級具有重要應用價值。