汽車零部件逆向設(shè)計中的參數(shù)化建模方法研究

於旭

摘 要：由于受工作任務(wù)繁重以及CATIA軟件逆向設(shè)計功能有限等現(xiàn)實因素的限制，致使新車研發(fā)階段的競爭車型分析環(huán)節(jié)無法依據(jù)現(xiàn)實條件建立相應(yīng)的參數(shù)化模型。同樣，在對其他汽車零部件的逆向設(shè)計中也受到此方面限制。為此，汽車行業(yè)專門研究出了一套能夠支持曲面擬合的自動化操作模式，能夠通過對汽車零件的逆向設(shè)計來獲取高精度的汽車零件參數(shù)，從而為三維模型的制作提供必要條件。這種方式便是聯(lián)合了Geomagic Studio與CATIA V5軟件所實現(xiàn)，具體采用了EXAScan激光掃描儀對零件進行了掃描。由此便可獲取到建立參數(shù)化模型所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，就以國內(nèi)某汽車輕型發(fā)動機的汽缸蓋罩逆向三維設(shè)計為例。結(jié)合上文所述，利用激光掃描儀EXAScan對零件進行掃描，將獲取到的三維數(shù)據(jù)傳輸至Geomagic Studio之中，經(jīng)過Geomagic Studio對點云的前處理與曲面擬合，將處理結(jié)果導入到CATIA V5之中，由此便可完整整個曲面加工過程。最后，依據(jù)前期獲取到了高精度數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)驗提出優(yōu)化建設(shè)。此方式被廣泛運用到了汽車零部件的設(shè)計之中，且大量的實踐還表明了該方式能夠為新產(chǎn)品的研發(fā)提供巨大便利。因此也備受汽車研發(fā)領(lǐng)域的高度關(guān)注。

關(guān)鍵詞：汽車零部件 逆向設(shè)計 參數(shù)化建模

隨著我國計算機與汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，逆向工鞥技術(shù)也被廣泛運用到了汽車產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域中。而所謂的逆向工程，即一種依據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品實物模型，利用三維掃描對數(shù)據(jù)模型的形成過程予以重構(gòu)，如此既能讓產(chǎn)品的設(shè)計周期得以大幅縮短，又能對工藝產(chǎn)品進行改良，從而讓開發(fā)設(shè)計過程變得更加高效且便捷。

基于上文所述，目前，逆向工程被廣泛運用到了汽車產(chǎn)品的設(shè)計領(lǐng)域之中，且該技術(shù)對汽車新產(chǎn)品的研發(fā)有著極為突出的作用，尤其是在設(shè)計外車身與內(nèi)飾等具有自由曲面特征的汽車零部件時，如今的解決方案已然是以遵循A級曲面標準的逆向設(shè)計為標準。除此之外，在新車研發(fā)的競爭車型分析階段，大多數(shù)廠商大多是基于逆向設(shè)計來建立有關(guān)車身鈑金件、發(fā)動機以及底盤結(jié)構(gòu)件等重要汽車零部件的參數(shù)化模型，以此為車型分析提供參考。

相較于早期以尺卡、皮尺直接測量尺寸的方式，汽車零件產(chǎn)品的逆向設(shè)計不僅過程簡單，且能將測量的誤差控制在合理的范圍。如圖1所示，左側(cè)所呈現(xiàn)的Geomagic Studio處理點云與參數(shù)化曲面擬合的過程，右側(cè)所示則是將前期處理好的數(shù)據(jù)導入CATIA V5后的處理步驟。

1 汽車零部件逆向參數(shù)化設(shè)計方法

1.1 逆向掃描

本研究的逆向掃描過程使用的EXAscan手持式自定位三維激光掃描儀設(shè)備是由Creaform公司所研發(fā)。正式掃描前，需要對掃描對象作一系列的預(yù)處理工作，具體包括清理零件表面以及將參考點無規(guī)律的貼在被掃描對象的曲面平緩處。以上處理工作，前者是為了確保零件表面所反射的激光能夠被激光掃描儀充分接收；后者則是要為掃描儀定位掃描位置提供參考，以此來為掃描的精準度提供保障。除此之外，考慮到黑色或過于光潔的表面還會影響到激光的反射，故針對此類掃描面還需預(yù)先在其表面噴涂一層可以產(chǎn)生漫反射的白色粉劑。如圖2所示便是已經(jīng)完成噴粉與貼點工作的汽缸蓋罩事務(wù)，從圖中可知，該實物表面同時具有平面、圓柱與諸多孔特征，因此需要諸如噴涂噴粉一類的白色粉劑，而白色圓點所示便是后續(xù)貼上的Marker點。

1.2 三維激光掃描

三維激光掃描是一種全自動、高精度的立體掃描技術(shù)，而因該技術(shù)是基于面的數(shù)據(jù)采集，故也被稱作實景復制技術(shù)。該技術(shù)主要運用了三維激光掃描儀，該掃描儀最核心的部分則有動作捕捉儀、手持激光頭與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，每秒可掃描36000個測量點，精度則能達到0.05mm。當然，為了確保數(shù)據(jù)掃描的精準度，掃描前也要對掃描儀進行校準。校準的過程需要在掃描對象上張貼3個以上的特征點，貼放的標志點不能影響到被掃描物的主要特征且相互之間至少要間隔5mm，以此來保證掃描數(shù)據(jù)的真實可靠。此外，掃描時的動作捕捉儀需與被掃描對象保持2m以上的距離，同時還要對現(xiàn)場環(huán)節(jié)的光照度予以適當調(diào)整。過高的量度必定會影響到激光的反射。因此，選擇環(huán)境的光照度應(yīng)越低越好。必要時可用篷布遮擋光源，以此減少其他光纖對掃描儀的干擾。功率方面也要合理調(diào)整。通常情況下，掃描儀的極光設(shè)置功率應(yīng)保持在額定功率的80%，而與被測物體之間的距離也要保持在300mm左右，這樣才能保證掃描圖像的清晰，以此保證高質(zhì)量的掃描結(jié)果。

1.3 點云的前期處理

利用激光掃描儀掃描所得的點云難免會存在諸多噪音點，又或是受其他干擾因素而出現(xiàn)漏掃的情況，致使掃描結(jié)果出現(xiàn)諸多空洞，這便需要相應(yīng)的裁剪與修理來對點云進行前期處理。

將點云數(shù)據(jù)文件上傳至Geomagic Studio，利用軟件的自動生成功能，便可獲取到相應(yīng)的多邊形對象，之后便可利用多邊形操作來處理點云數(shù)據(jù)。首先，基于Geomagic Studio軟件的“多邊形”Ribbon頁面，此頁面囊括了諸如“刪除”、“簡化”“流形創(chuàng)建”、“剪裁”等多項處理工作，利用處理工作便可進行“單個孔填充”與“丁狀物”等修補操作。除此之外，軟件還自帶一項便捷性的修補功能，即“網(wǎng)格醫(yī)生”，該功能可讓同一界面集成各項修補功能，以便大批量的完成自動修補工作，從而減輕人工操作的負擔。

使用EXAscan掃描儀還將面臨無法設(shè)定基準坐標的問題。對此，通常的解決方式為手工擬合3個相互垂直的平面，利用Geomagic Studio軟件“對齊頁面”嵌入的“Global registery”功能，讓三個平面組成的坐標系與所有點云及多邊形對齊。當然，期間不要要對3個基準普平面的精度予以省慎考量外，也要考慮零件整體性變與其他特征對擬合精度的影響。

1.4 參數(shù)化曲面的建立

在Geomagic Studio軟件的早期版本中，參數(shù)化曲面是被嵌入到了Fashion功能之中。當頁面的所有功能均被激活，接下來便要執(zhí)行“探索區(qū)域”的命令，該命令所囊括的區(qū)域具體如圖3所示，從圖中可知，不同區(qū)域經(jīng)過擬合轉(zhuǎn)換都將被轉(zhuǎn)換為一塊獨立的參數(shù)化曲面，這便意味著在轉(zhuǎn)換前期便要合理劃分轉(zhuǎn)換區(qū)域，否則將影響到點云的獲取質(zhì)量。除此之外，在執(zhí)行“編輯輪廓線”命令時也要提前調(diào)整好區(qū)域的邊界形狀，這樣才能降低參數(shù)化曲面的建立誤差，繼而為逆向設(shè)計的高質(zhì)量提供保障。

在執(zhí)行“擬合曲面”功能之前，所有的區(qū)域都要用鼠標滑過，目的便是要讓軟件通過識別鼠標的運行軌跡來生成參數(shù)化曲面，再經(jīng)由“擬合連接”與“分類連接”功能，兩個參數(shù)曲面的過渡面也由此生成。圖4所示便可完成初步擬合的曲面，由圖可知，輪廓線主要起到分隔不同曲面的作用。

使用Geomagic Studi內(nèi)置智能程序，不僅可以對創(chuàng)建的CAD曲面予以優(yōu)化，且能快速提出其設(shè)計意圖，從而自動擬合出各種機遇草圖規(guī)則的平面與柱面。當然，這些自由形狀的表面也可被隨意的提取或擠壓，輪廓曲線也能被轉(zhuǎn)化為三維CAD參數(shù)化建模。此外，在Geomagic Studi2012中還新增了一項“草圖”的功能，該功能不僅能直觀展示出點云及多邊形模型的橫截面曲線，且支持直接編輯，由此也能為參數(shù)化曲面的建立提供巨大便利。

在獲取點云時難免會因額外因素導致誤差出現(xiàn)，對此，為盡可能縮短與期望曲面類型間的差距，可在擬合曲面前進行調(diào)整修改，具體則是運用如圖5所示“曲面修復”界面的“曲面修復”、“曲面編輯”以及“草圖編輯”等功能，對所選的曲面進行修復。除此之外，Geomagic Studio還會控制網(wǎng)絡(luò)異常并給出提示，用戶則根據(jù)提示進行修復，以此也能縮短所選取面與預(yù)期類型的差距。

相較于Geomagic Studio的“修復曲面”功能，CATIA V5的快速曲面重建（Quick Surface Recognition）工作臺所提供的曲面擬合功能便遜色許多。首先從工作點云的選擇范圍來看，CATIA V5需要手動控制擬合的精度，以此過程也極不方便。但Geomagic Studio也有其缺點，即該軟件在對參數(shù)面曲面進行擬合時會占用極大的內(nèi)存資源。因此，應(yīng)用Geomagic Studio同時對操作系統(tǒng)與系統(tǒng)內(nèi)存有著較高要求。

1.5 參數(shù)化實體模型的生成

基于圖6所示的CATIA參數(shù)全面，為給后續(xù)的參考提供便利，筆者又將點云導入到了CAITA V5的DSE之中，由此重建出了能夠凸顯實體特征的創(chuàng)成式曲面?；诖耍罄m(xù)的實體模型創(chuàng)建過程只需對封閉的實體進行加厚，再以手動的方式創(chuàng)建少部分特征，這種便可完成實體模型的最終重建，期間的工作量將大幅減輕。

2 技巧與建議

為保證汽車零部件模型擁有較高的精準度，且無法繁瑣的操作過程，本研究也將依據(jù)前期時間提出如下建議：

（1）基于后續(xù)所有的工作效果均是由初始階段的點云掃描質(zhì)量所決定。因此，必須經(jīng)過嚴密的前處理來保證掃描結(jié)果的高質(zhì)量。

（2）雖然，利用軟件的批處理功能能夠自動完成劃分輪廓曲線以及曲面擬合等流程，但過程卻容易受到各種因素的影響而導致處理結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。因此，最合適的處理方式應(yīng)是將批處理與交互處理相結(jié)合，并以手動的方式來對輪廓線、曲線類型以及參數(shù)值等數(shù)據(jù)進行修改。這樣既能避免因零部件變形或掃描過程存在誤差而導致了結(jié)果偏差，又能不受軟件智能化程度有限的限制。對此，以手動的方式修改其尺寸，使之與同類型的柱體及孔特征保持一致，這樣便可盡可能減少掃描誤差并保證最終結(jié)果的精準性。

（3）Geomagic Studio軟件應(yīng)盡量將曲面擬合的所有功能，讓軟件的點云處理與曲面擬合優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。至于CATIA V5軟件則在曲面的修剪加工與實體生成等環(huán)節(jié)更加適用。

（4）基于CATIA V5每次只能對部分區(qū)域進行處理。因此，參數(shù)化曲面的生成與導入也要分批次完成。以此方能提高擬合的精度并與電腦的處理適度相適應(yīng)。

（5）對于螺釘孔與銷控直徑、鈑金件參數(shù)等需要手動設(shè)定擬合參數(shù)，設(shè)計時應(yīng)結(jié)合汽車的結(jié)構(gòu)原理及經(jīng)驗來保證逆向設(shè)計結(jié)果的準確性。

3 結(jié)束語

總之，研究結(jié)果表明，運用Geomagic Studio和CATIA V5軟件可以為汽車零部件的逆向參數(shù)化設(shè)計提供巨大便利。因此，汽車零部件制造廠商也應(yīng)對Geomagic Studio和CATIA V5軟件的聯(lián)合運用給予高度重視，繼而切實制造出高質(zhì)量的汽車零件來為用車人的生命安全提供保障。

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