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逆向工程技术在车身外覆盖件设计上的应用 |
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作者：哈飞汽车股份有限公司 郭立峰 |
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摘要：本文主要介绍了逆向工程技术在现代车身外覆盖件设计开发中的应用流程，并重点对车身外覆盖件的模型分块、曲面数学模型的创建及对曲面质量进行评析等关键技术的研究与探讨。
关键词：逆向工程 车身外覆盖件 曲面 质量评析
1 汽车车身逆向工程设计的概述
逆向工程是从已有的物理模型或实物样件获取产品的数学模型的过程。目前广泛应用于产品开发、模具制造、产品质量控制等领域，尤其在汽车车身外覆盖件的开发设计中，逆向工程技术已成为重要技术手段。车身逆向技术是计算机辅助造型几何设计CAGD(Computer Aided Geometrical Design)的重要方法和手段之一。它主要研究工程中的几何造型问题，是对各种几何外形信息的计算机表示、分析和综合，通过计算机对所求模型进行数学描述和控制，其主要数学理论为计算几何（Computation Geometry），它是由函数逼近论、微分几何、计算数学、计算机图形学等形成。车身外覆盖件的逆向工程应用是由手工模型求表面数学模型的过程。它有别于一般的产品实物求数学模型的过程。在全新车身外覆盖件产品开发阶段实施逆向工程的过程中，不但要最大限度的忠实再现造型设计师的设计理念，还要充分考虑结构设计的要求，在曲面的建模过程中，还要注意消除手工制作油泥模型的表面缺陷和测量资料的离散误差，从一定的意义上来说，车身外覆盖件的逆向工程技术应用包含了一定的正向设计的方法。
2 车身外覆盖件逆向工程应用的流程
车身外覆盖件的逆向工程设计是造型设计和工程CAD 设计的衔接，是车身概念设计中的关键过程；在整个车身的外覆盖件的设计实施过程中，表面数据的采集、曲面建模所占时间比重较大，曲面质量要求高，而且随着市场的不断变化，时间进度的要求也逐渐紧张，经过一些车型的逆向设计工作，我们总结了如下车身外覆盖件的逆向工作流程。
逆向工程流程图
3 逆向工程的关键技术
在车身外覆盖件逆向工程应用中有三项关键技术
(1) 快速、准确的从1：1 汽车车身油泥模型上采集三维点云数据。
(2) 快速、高质量的创建曲面数学模型。
(3) 对曲面数学模型做正确的分析与评估。
3.1 三维点云数据的采集
车身外覆盖件的三维点云数据是将油泥模型的实物曲面以空间三维坐标的形式离散化。测量所得的点云数据是进行曲面建模和对曲面质量进行评析的基础。同时，对油泥模型进行物理数据采集的过程又是耗时较长的关键环节，它直接牵涉到曲面建模的速度与质量。如何在短时间内高质量的作完数据采集是第一项关键技术。目前，在国内大量应用的有三种测量技术：
(1) 接触式三坐标测量：传统接触式三坐标测量采用的测量方式一般可以达到很高的精度，但由于在测量过程中直接接触车身的油泥模型，首先降低了测量的效率，而且容易划伤油泥表面，造成点云数据中的坏点。在车身外覆盖件的测量中，极适于测量孔、曲面特征线等。
(2) 线状激光束测量：该测量法也就是相位法测量，基本原理是将周期性的光栅投影到被测曲面上，通过光栅图象的调制和解调，求出所需的三维点云信息。该测量方法优点是测量范围大、速度快，但只适用于测量起伏不大的平坦曲面，多用于发动机罩、车门外板等大型外覆盖件的测量工作。
(3) 光栅投影式测量（照相测量）：光栅投影式是将光栅投影到物体表面，形成一块待测区域，由光学扫描系统测取实物的表面数据，由数码相机获取点云数据的三坐标位置。该测量方法为非接触测量，对被测物表面没有划痕，对复杂曲面可以分块测量测量速度快，点云密度高。
各种测量方式都有其优缺点。在逆向工程中可根据不同的产品进行灵活选择。在我公司的车身外覆盖件数据测量中，主体采用光栅投影式测量方法，其后采用接触式三坐标测量对车身上的曲面特征线进行测量，最终获得完整的车身外覆盖件的点云数据。图1 为我公司开发的民意车的外表面点云数据
图1 松花江民意车点云数据
3.2 车身外覆盖件的曲面要求
在车身外覆盖件的设计中，曲面最基本的要求是表面光顺。光顺的含义包括数学定义和主观美学描述。曲面光顺的数学条件是满足没有多余的凸区和凹区，一般用任意一张平面与曲面的截面曲线的光顺性作为曲面光顺的判据。车身曲面的主观美学描述主要体现在几项局部和整体的视觉效果上：
1) 单个曲面本身所形成的光反射效果。
2) 曲面之间的拼接和转折处形成的明暗变化。该项描述对整车的最后美观审查将起到决定性的作用。
3) 用高光灯照在曲面的边界、过渡面等处形成高光线和高光轮廓，从视觉效果上看应该连续、流畅，不允许局部多余的凸凹、褶皱或散乱的明暗对比等缺陷存在。
曲面的光顺主要对以下几个方面产生影响：
1) 造型效果：在外部光源的照射下，光线反射和明暗光影效果应该比较好。
2) 冲压工艺性：光顺的曲面，在冲压过程中材料的流动性比较好，尤其对于车身外覆盖件来说，褶皱是绝对不被允许的。
3) CAD、CAE、CAM 的要求：曲面如果不光顺，在执行某些功能模块时将产生不良的影响，最简单的例子就是OFFSET（平移）模块。另外，如果曲面不光顺，CAE 划分有限元网格过程中，会出现由于网格过密而导致运算时间过长；在某些情况下甚至无法划分网格。不光顺的曲面还导致模具的加工工艺性差，对数控加工的编程造成困难，加工时还可能产生扎刀现象。
我公司一般将曲面质量分为3 个等级：A、B、C 级。A 级曲面要求满足上述所有光顺条件。从逆向工程角度来讲，A 级曲面应在符合设计意图、曲率连续的基础上，应尽可能的与点云数据接近。根据不同软件标准，边界与内部的曲面与测量的点云数据偏差不大于0.5mm 左右，在制造过程中不出现几何形状的变化和光照时视觉效果的差异。B 级曲面要求满足曲面光顺的基本条件，在曲率变化和局部视觉效果方面可适当降低标准，在制造过程中允许出现微小变形。但多用于车身的内板冲压件，如轮罩、地板等。C 级曲面即指A、B 两级曲面之外的其他曲面。
3.3 曲面数学模型的构造技术
3.3.1 车身覆盖件的分块
车身覆盖件的表面是由若干个自由曲面片所组成的。这些曲面片大小、形状都存在着差异。如何将车身覆盖件表面分成合理的自由曲面分块，是构造车身覆盖件曲面数学模型的关键准备技术。图2 以具体实例描述了松花江民意车的自由曲面分块：
图2 松花江民意车自由曲面分块（图中曲线为清晰棱线）
由图示我们可以看出，划分车身表面的曲面片的主要依据是测量点云数据中的车身特征棱线和曲面的曲率变化规律。其中，车身表面的特征棱线又可分为清晰棱线和模糊棱线。清晰曲线是车身主要曲面的交线，对于现代车身的一些造型来说，车身上的某些清晰棱线能够表现出车身造型的显著特点，它主要用于将车身表面的功能区域进行划分，表现造型的力度、动感的视觉效果。模糊曲线是主要曲面之间用过渡面连接而形成高光轮廓，在构建曲面的过程中，模糊棱线是连接主要曲面的重要依据。另外，在划分车身自由曲面片是还应考虑以下因素：
1) 造型的要求。
2) 车身结构的可行性。
3) 曲面片的建立和曲面之间的拼接方法。
车身自由曲面的划分，直接影响后续的设计工作。在划分的整个过程中，造型师、测量工程师、逆向工程工程师需要进行充分的讨论、研究，甚至还要重复进行几次，在一定程度上采用了并行工程的一些方法。
3.3.2 曲面的建立和光顺
在车身外覆盖件曲面模型的建立过程中，通常的构造方法有三种：
(1) 网格曲面：又称点到面。即直接由点云数据生成曲面片，软件直接通过从点云数据中提取的纵横交错的点云网格，使用U、V 两个方向参数线逼近点云数据的方法拟合曲面，该种方法多用于风挡玻璃的曲面模型的构造中。图3 为松花江民意车前风挡玻璃的建构实例。
图a 风挡玻璃点云 图b 由点云生成曲面 图c 生成最终曲面
图3 松花江民意车前风挡玻璃的建构实例
(2) 截面驱动曲面：是应用最广泛的曲面构造方法。通过控制生成曲面不同位置的截面形状，在确立了生成曲面的四个边界后，按确定的脊线运动所形成的曲面，该种方法是应用最广泛的曲面构造方法。通常用于建立车身覆盖件的主要曲面。
(3) 规律描述曲面：对构成曲面的某一特征量如角度、半径、面积等按定义进行规律变化所生成的曲面。
在车身外覆盖件曲面数学模型的实际工程应用中，每种方法都可以单独使用，但多数情况下，需要对不同种方法进行综合运用，对生成曲面模型的元素进行反复调整，最终得到理想的光滑曲面。
3.3.3 自由曲面的拼接与裁剪
自由曲面的拼接，就是将已经光顺好的自由曲面用过渡曲面连接起来。在车身外覆盖件应用逆向工程的过程中，曲面的拼接与裁剪是一个很重要的环节。曲面的拼接处多是高光轮廓线和明暗对比效果明显的部位，曲面的拼接质量将直接影响到车身整体的视觉效果。
连接用的过渡曲面总体上分为两种。第一类是各种倒圆角曲面。可分为等半径和变半径、狭义圆角和广义圆角。圆角面的原则是先大后小，圆角曲面的阶数应高于基础曲面，按自然边界和特制线对曲面进行裁剪。第二类过渡面是连接两个或多个主要曲面并保证切矢连续或曲率连续的曲面。该类曲面多用于曲率变化较大，截面线形状比较复杂的情况。
在车身外覆盖件逆向工程设计中，有几个重要的过渡曲面对整车的造型效果影响很大，需要从不同的视觉角度进行正常光和高光检查，对曲面进行适当的光顺调整，以确保达到造型设计师的效果要求。这些面中包括A 立柱表面、发动机罩棱线、车身侧围腰线等处的曲面。
3.3.4 曲面质量的分析与评估
曲面质量的分析与评估主要包括几何精度分析与评估和光顺效果分析与评估。在车身外覆盖件逆向工程设计中，曲面质量的分析与评估主要分以下几种：
1) 在初步构造曲面和光顺曲面过程中对单一曲面的检查：对单一曲面的分析与评估中，利用软件中检查工具模块，首先对生成的单个曲面进行简单的上光着色检查，以确认构造的曲面光顺，无扭曲、凸凹等现象。在保证曲面光顺的基础上，对曲面进行与点云数据的几何分析评估。
2) 构造过程中对多个曲面进行检查：通过软件中的检查功能，对多个相连曲面进行光顺检查。不当的连接会使曲面的修改产生困难。两个曲面的连接处不能出现T 型连接和错位连接。曲线的连接偏差按照控制软件不同控制范围在0 .05mm 以内，过大的偏差将会对派生曲面（offset 曲面）和数控加工造成困难（扎刀）。
3) 在曲面精修完成后，对曲面的光顺性做最终检查：该项检查是在所有外覆盖件曲面模型建立完毕后进行的。通过构建的曲面模型，通过数控加工制出钢制车身外覆盖件模型表面，组成一个完整的车身外覆盖件主模型。在光照间用不同光源性质的检测灯，从不同的角度对车身外覆盖件主模型进行光谱检查，最终由造型设计师来确认整个车身外覆盖件曲面模型是否符合设计要求，如在光照下有不完善或为完全突出所设计的造型效果的地方，则对曲面进行进一步的修改，直至达到造型的效果要求（光谱检查基本要求：光谱形状的疏密变化应均匀，在曲面的连接处不应有错位）。
4 车身逆向工程中应用的软件
车身逆向工程中用于构造曲面模型的软件众多。在绝大多数厂家中应用的是Imageware-Surfacer 、Icem-surface 等逆向工程软件，也可以采用UGII、PROE、CATIA 等具有强大曲面建模功能的CAD 软件以及ALIAS 等CAS 软件。从功能角度来说，上述任何一种软件都能完成车身外覆盖件的曲面建模工作。它们均有各自的特长与弱点，只有根据不同的产品结构特点和测量点云数据的特点选取不同的软件加以应用，才可提高曲面的建模质量和工作效率，才能达到事半功倍的效果。
5 小结
本文概述了车身逆向工程在车身外覆盖件设计应用中的作用和意义，并应用具体车型的具体实例阐述了在车身外覆盖件设计过程中逆行工程工作过程和巨大作用，由此我们可以看出，在车身的更新设计中，逆向工程设计是非常有价值的一项工作，随着不断出现的强大的高级曲面功能软件，逆向工程的设计工作将更容易实现和方便工作。本文还有许多不足之处以待今后改进。
参考文献
1 张小虞，叶平 . 汽车工程手册. 外部造型设计要点. 2001.6
2 张小虞，叶平 . 汽车工程手册 . 计算机辅助设计在汽车开发上的应用. 2001.6
3 阎华，林巨广 . 汽车覆盖件逆向工程中的若干关键技术探讨. 模具技术 . 2001.2
4 任为群，胡师金 .车身造型计算机辅助设计系统 . 上海汽车. 1998.1(end)
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(5/13/2005) |
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