汽車零部件逆向設計中的參數化建模方法研究

於旭

摘 要：由于受工作任務繁重以及CATIA軟件逆向設計功能有限等現實因素的限制，致使新車研發階段的競爭車型分析環節無法依據現實條件建立相應的參數化模型。同樣，在對其他汽車零部件的逆向設計中也受到此方面限制。為此，汽車行業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計來獲取高精度的汽車零件參數，從而為三維模型的制作提供必要條件。這種方式便是聯合了Geomagic Studio與CATIA V5軟件所實現，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化模型所需的相關數據，就以國內某汽車輕型發動機的汽缸蓋罩逆向三維設計為例。結合上文所述，利用激光掃描儀EXAScan對零件進行掃描，將獲取到的三維數據傳輸至Geomagic Studio之中，經過Geomagic Studio對點云的前處理與曲面擬合，將處理結果導入到CATIA V5之中，由此便可完整整個曲面加工過程。最后，依據前期獲取到了高精度數據，結合經驗提出優化建設。此方式被廣泛運用到了汽車零部件的設計之中，且大量的實踐還表明了該方式能夠為新產品的研發提供巨大便利。因此也備受汽車研發領域的高度關注。

關鍵詞：汽車零部件 逆向設計 參數化建模

隨著我國計算機與汽車行業的蓬勃發展，逆向工鞥技術也被廣泛運用到了汽車產品開發領域中。而所謂的逆向工程，即一種依據已經存在的產品實物模型，利用三維掃描對數據模型的形成過程予以重構，如此既能讓產品的設計周期得以大幅縮短，又能對工藝產品進行改良，從而讓開發設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品的設計領域之中，且該技術對汽車新產品的研發有著極為突出的作用，尤其是在設計外車身與內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計為標準。除此之外，在新車研發的競爭車型分析階段，大多數廠商大多是基于逆向設計來建立有關車身鈑金件、發動機以及底盤結構件等重要汽車零部件的參數化模型，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，汽車零件產品的逆向設計不僅過程簡單，且能將測量的誤差控制在合理的范圍。如圖1所示，左側所呈現的Geomagic Studio處理點云與參數化曲面擬合的過程，右側所示則是將前期處理好的數據導入CATIA V5后的處理步驟。

1 汽車零部件逆向參數化設計方法

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備是由Creaform公司所研發。正式掃描前，需要對掃描對象作一系列的預處理工作，具體包括清理零件表面以及將參考點無規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先在其表面噴涂一層可以產生漫反射的白色粉劑。如圖2所示便是已經完成噴粉與貼點工作的汽缸蓋罩事務，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，而因該技術是基于面的數據采集，故也被稱作實景復制技術。該技術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、手持激光頭與數據處理系統，每秒可掃描36000個測量點，精度則能達到0.05mm。當然，為了確保數據掃描的精準度，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，以此來保證掃描數據的真實可靠。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，同時還要對現場環節的光照度予以適當調整。過高的量度必定會影響到激光的反射。因此，選擇環境的光照度應越低越好。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整。通常情況下，掃描儀的極光設置功率應保持在額定功率的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，以此保證高質量的掃描結果。

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漏掃的情況，致使掃描結果出現諸多空洞，這便需要相應的裁剪與修理來對點云進行前期處理。

將點云數據文件上傳至Geomagic Studio，利用軟件的自動生成功能，便可獲取到相應的多邊形對象，之后便可利用多邊形操作來處理點云數據。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“網格醫生”，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 參數化曲面的建立

在Geomagic Studio軟件的早期版本中，參數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，接下來便要執行“探索區域”的命令，該命令所囊括的區域具體如圖3所示，從圖中可知，不同區域經過擬合轉換都將被轉換為一塊獨立的參數化曲面，這便意味著在轉換前期便要合理劃分轉換區域，否則將影響到點云的獲取質量。除此之外，在執行“編輯輪廓線”命令時也要提前調整好區域的邊界形狀，這樣才能降低參數化曲面的建立誤差，繼而為逆向設計的高質量提供保障。

在執行“擬合曲面”功能之前，所有的區域都要用鼠標滑過，目的便是要讓軟件通過識別鼠標的運行軌跡來生成參數化曲面，再經由“擬合連接”與“分類連接”功能，兩個參數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內置智能程序，不僅可以對創建的CAD曲面予以優化，且能快速提出其設計意圖，從而自動擬合出各種機遇草圖規則的平面與柱面。當然，這些自由形狀的表面也可被隨意的提取或擠壓，輪廓曲線也能被轉化為三維CAD參數化建模。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，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還會控制網絡異常并給出提示，用戶則根據提示進行修復，以此也能縮短所選取面與預期類型的差距。

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，即該軟件在對參數面曲面進行擬合時會占用極大的內存資源。因此，應用Geomagic Studio同時對操作系統與系統內存有著較高要求。

1.5 參數化實體模型的生成

基于圖6所示的CATIA參數全面，為給后續的參考提供便利，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成式曲面。基于此，后續的實體模型創建過程只需對封閉的實體進行加厚，再以手動的方式創建少部分特征，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，本研究也將依據前期時間提出如下建議：

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

（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果產生較大偏差。因此，最合適的處理方式應是將批處理與交互處理相結合，并以手動的方式來對輪廓線、曲線類型以及參數值等數據進行修改。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果的精準性。

（3）Geomagic Studio軟件應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勢得到充分發揮。至于CATIA V5軟件則在曲面的修剪加工與實體生成等環節更加適用。

（4）基于CATIA V5每次只能對部分區域進行處理。因此，參數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。

（5）對于螺釘孔與銷控直徑、鈑金件參數等需要手動設定擬合參數，設計時應結合汽車的結構原理及經驗來保證逆向設計結果的準確性。

3 結束語

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

參考文獻：

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