汽車車身曲面重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用

摘 要：為了對現(xiàn)有車身進(jìn)行修改，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn) ，利用CATIA 為工具，以實(shí)， 際汽車車身為對象，以 B 樣條及 NURBS 曲面為曲面構(gòu)造方法進(jìn)行汽車車身曲面的重構(gòu)，從而達(dá)到了汽車車身曲面光順性要求。

逆向工程在汽車新產(chǎn)品的模型設(shè)計(jì)、現(xiàn)有產(chǎn)品的修改、破碎零件的重構(gòu)和工業(yè)檢測方面具有廣泛的應(yīng)用，繼而出現(xiàn)了多種曲面重構(gòu)的方法 ，具體方法如 ：第一種，基于遞歸分割理論的曲面重構(gòu)方案；第二種，以 B 樣條或 NU R B S 曲面 勺基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案；第三種，以三角 Bezier 曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案 ；第四種，以多面體方式來描述曲面物體方法。

由于 3D 的 B 樣條曲線構(gòu)成的 NU R B S 曲面，這類曲面可進(jìn)行邊界切矢及 曲率的修改 ，以保證曲面的光順。同時N U RB S 是 ISO 在 STEP 標(biāo)準(zhǔn)中制定的自由曲線和曲面的唯一表示標(biāo)準(zhǔn)，并且為 C A G D 提供了統(tǒng)一的數(shù)學(xué)描述方法 ，是曲面造型技術(shù)發(fā)展趨勢中最重要的基礎(chǔ)。

在此本文采基于以 B 樣條或 N U R B S 曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案為主 ，其它方案為輔的方法為本次實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行局部修 改及嚴(yán)重變形部分的曲面重構(gòu)。

1、汽車車身曲面的特點(diǎn)和重構(gòu) 的難點(diǎn)

在汽車整車產(chǎn)品中，汽車的覆蓋件 ，特別是構(gòu)成整車車身的外部覆蓋件，產(chǎn)品變化頻繁 ，市場生命周期較短。而且一般都有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸較大、形狀構(gòu)成比較復(fù)雜 、所采用材料厚度相對較小 、成 型質(zhì)量 高等特點(diǎn) ，所以它的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)就成 了整車產(chǎn)品開發(fā) 中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié) 。

當(dāng)今的車身外部造型設(shè)計(jì)，在國外被專業(yè)人員中稱作“流線型設(shè)計(jì)”。按照造型師的理念汽車外形的連續(xù)完整性應(yīng)有各種曲面光滑的連接以及微妙的光學(xué)效果顯示出來，其顯著的特點(diǎn)是可獲得 0．20 甚至更低的風(fēng)阻系數(shù)。這在油價飛漲的今天具有相當(dāng)重要的現(xiàn)實(shí)意義。

從上述車身的特點(diǎn)可以看出，它要求汽車覆蓋件曲面造型設(shè)計(jì)中產(chǎn)品的外表面的曲線和曲面要非常光順 ，這也就成了汽車車身產(chǎn)品生產(chǎn)中的難點(diǎn)。

2、C A T lA 為 曲面重構(gòu)提供功能模塊

CA T IA V 5 提供了兩個逆向工程模塊，即數(shù)字曲面編輯模塊 DSE 和快速曲面重構(gòu)模塊 Q SR 。它涵蓋逆向軟件的基本點(diǎn)云輸入和數(shù)據(jù)輸出功能及點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理功能，并綜合應(yīng)用創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊 G SD 和自由曲面造型模塊 FSS 及汽車A 級曲面模塊發(fā)揮其強(qiáng)大的曲面、曲線擬合功能。并且，由于它將逆向工程模塊融于一體，實(shí)現(xiàn)逆向工程與正向的曲面功能的交互應(yīng)用，其使用變得更為簡便、靈活。文章綜合地使用了 C AT IA 軟件的 D SE 、QSR 、G SD 、FSS 和 A CA 五個模塊 ，從而有效地滿足汽車車身曲面重構(gòu)要求。

3、汽車車身重構(gòu)過程

（1）數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理。汽車車身是由很多復(fù)雜曲面拼合而成的，如果用接觸式測量，則有可能在點(diǎn)云擬合時數(shù)據(jù)量不夠，而且測量效率低，不能滿足曲面構(gòu)建所需的高速建模。所以對于汽車外表面曲面的重構(gòu)，最好使用非接觸測量的方 法，從而保證重 構(gòu) 的 C A D 模 型能 比較 準(zhǔn)確地 與實(shí)物模型吻合，而且縮短開發(fā)周期。本次實(shí)驗(yàn)采用的是由天遠(yuǎn)三維科技有限公司生產(chǎn)的 OK IO —II一400 光柵測量儀。本次掃描的對象是一輛吉普車，從測試中可以看出，本次數(shù)據(jù)量非常大(78 萬點(diǎn) )，由于車體變形嚴(yán)重，車身體積大不能采集完整的車身，由測試中可以看出，我們只采集了車身左半部分的點(diǎn)云，在車頂部分只采集了邊緣的一些特征點(diǎn)，為本次曲面重構(gòu)增加了難度 。

在 CATIA 軟件環(huán)境中，切換到數(shù)字化外形編輯器(Digi—tized Shape Editor ，簡稱 DSE) 模塊下，對壞點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，精簡云點(diǎn)，減少數(shù)據(jù)處理量，以便實(shí)物的模型更容易分辨，為曲面重構(gòu)做好準(zhǔn)備。

(2)CAD 模型重建。

①點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割。由于汽車車身是左右對稱的，所以在我們只采集車身的左半部分作為重構(gòu)的對象。曲面分割的合理于否直接影響到曲面重構(gòu)的難宜和精度。在點(diǎn)云分割的時候不要分割的太細(xì)，因?yàn)橛行┘?xì)節(jié)并不重要 ，反而會影響整體車身的結(jié)構(gòu)和精度 ，盡量用最少的 B 樣條線來表示。因?yàn)榍€的好壞直接影響曲面的生成，所以我們采用投影的方法成生交線 ，由交線生成樣條線，以保證所生成的曲面的光順性。

②曲面重構(gòu)。在這個過程 中我們用的是D SE 、Q SR 、G SD 、FSS 和 A C A 五個模塊，由于車頂部分沒有點(diǎn)云 ，而且不能用修改 M esh 命令中的 Neighborhood 的值來修補(bǔ)。所以在車頂部分的重構(gòu)，我們需要通過草圖畫出車頂曲面 ，實(shí)現(xiàn)車頂部分曲線制作。由此曲線生成 3D 樣條曲線 ，并分析 、調(diào)整曲線使其光順，分析結(jié)果如圖2 所示。

完成所有 曲面重構(gòu)后 ，通過鏡像得到完整 的汽車車身 的曲面模型 ，如圖 2 所示 。

(3 )維護(hù)方便。智能儀表可以對信息數(shù)據(jù)接入中央監(jiān)控室控制和管理，對于故障和異常能夠快速的識別并處理。傳統(tǒng)的開關(guān)柜需要配有多種模擬指針儀表及繼電器 ，給生產(chǎn) 、儲存 、維修帶來極大不便 ，并且以人工直接操作為主，無法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)智 能管理 ，對于較為復(fù)雜 的控制邏輯實(shí)現(xiàn)起來 比較 困難 。采用智能電量監(jiān)控儀表，所有測控單元直接下放到開關(guān)柜內(nèi)。數(shù)據(jù)上傳至各子站的主控單元進(jìn)行處理存儲 、調(diào)配以及通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，并通過光纖收發(fā)器接入星型結(jié)構(gòu)光纖以太網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)中央監(jiān)控室對各子站的集中監(jiān)視 、測量、控制和管理功能 ，提高了系統(tǒng)的可靠性以及方便 Et后的升級維護(hù) ，并使系統(tǒng)安裝接線工作減至最低 ，符合國際流行的分散分布式現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 。

3、智能儀表技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展探討

（1）智能化程度有待提高。智能儀表的智能化程度表征著其應(yīng)用的廣度和深度，目前的智能儀表還只是處于一個較低水平的初級智能化階段，但某些特殊工藝及應(yīng)用場合則對儀表的智能化提出了較高的要求。而當(dāng)前的智能化理論，如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、小波理論、混沌理論等已經(jīng)具備潛在的應(yīng)用基礎(chǔ) ，這就意味著我們有必要也有能力結(jié)合具體的應(yīng)用需要下大氣力開發(fā)高級智能化的儀表技術(shù)。

（2）可靠性有待增強(qiáng)。儀表運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性是用戶首要關(guān)心的問題 ，智能儀表也不例外。隨著智能儀表技術(shù)的不斷拓展、新型的智能儀表也將陸續(xù)投放市場，準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性是工業(yè)現(xiàn)場儀表的三項(xiàng)重要指標(biāo) ，三者是緊密聯(lián)系的，其中可靠性最為重要。沒有可靠性，準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性就無從談起。因此，可靠性是智能儀表整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，從用戶的角度看 ，它是產(chǎn)品質(zhì)量的體現(xiàn)；從設(shè)計(jì)者的角度看，它是產(chǎn)品軟 、硬件設(shè)計(jì)水平 的綜合表現(xiàn) 。所 以，可靠性一直是設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。由于以單片機(jī)為核心的智能儀表步人工業(yè)現(xiàn)場 ，儀表行業(yè)發(fā)生了巨大變革 ，儀表的測量精度提高，功能加強(qiáng) ，特別是智能儀表的通信能力，為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 。

（3）功能有待強(qiáng)化。目前工業(yè)自動化領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用尚未將智能儀表的功能發(fā)揮最大化，而更多的只是應(yīng)用了其總體功能的半數(shù)左右。而這一應(yīng)用現(xiàn)狀的主要原因是，控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)忽略了諸如現(xiàn)場總線的技術(shù)優(yōu)勢 ，這需要儀表廠商與用戶建立 良好的合作伙伴關(guān)系，加強(qiáng)長期合作，以短期投資促長期效益，通過建立“智能儀表 + 現(xiàn)場總線”的控制系統(tǒng)架構(gòu)，確立優(yōu)化的投資觀念，達(dá)成和諧共贏的目標(biāo) 。

4、結(jié)語

由于我國的制造型企業(yè)(特別是汽車方面)在創(chuàng)新 、設(shè)計(jì)能力等方面與國外的先進(jìn)企業(yè)還存在著很大的差距。因此通過逆向工程的方式快速的學(xué)習(xí)、消化和吸收國外先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)有著重要的意義和價值。

本文在原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了局部修改，從而使車身更具有流線感 ，增加 了其美觀性，能有效降低風(fēng)阻系數(shù)。