車身產品開發(fā)中逆向設計的研究與應用

        摘 要: 逆向設計是現(xiàn)代汽車產品快速開發(fā)的重要技術。本文介紹了汽車車身產品開發(fā)流程及逆向設計關鍵技術和應用軟件, 從點云數(shù)據(jù)采集、曲面重構、曲面數(shù)據(jù)質量評估等方面分析了逆向設計在汽車車身產品開發(fā)中的應用情況。

逆向設計是 20 世紀 90 年代興起的一種汽車產品開發(fā)新技術。

廣義上講, 逆向設計主要是依靠高度集成化、可視化及開放型的計算機和網絡技術, 構筑汽車產品, 從概念構思、產品設計、工程分析到工藝制造、應用工程、市場服務, 全過程實行無紙化、系統(tǒng)化的高精度操作平臺。這種思維先于實體, 再用實體反證思維的逆向工作形式, 被稱之為逆向設計。

狹義上講, 逆向設計是指從已有的物理模型或實物樣件獲取產品數(shù)學模型, 并且在此基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創(chuàng)造的過程。逆向設計已廣泛應用于產品開發(fā)、模具制造及產品質量控制等眾多領域。特別是在汽車產品開發(fā)中, 逆向設計已經成為必不可少的重要技術手段。

1 汽車車身產品開發(fā)流程

汽車車身產品開發(fā)一般先由工業(yè)設計師進行概念設計、繪制效果圖、制作油泥模型, 再測量油泥模型數(shù)據(jù)并進行曲面重構, 然后才進入其它相關工程設計與仿真分析等開發(fā)流程(圖 1 )。

逆向設計是工業(yè)設計和工程開發(fā)的接口, 是汽車車身產品快速開發(fā)的關鍵技術, 汽車車身產品逆向設計的工作流程見圖 2 。

汽車車身的逆向設計對點云測量和曲面重構提出了很高的要求。點云測量的質量主要取決于測量設備的精度, 而曲面重構的品質還與所選用數(shù)據(jù)處理軟件的功能與數(shù)據(jù)處理的策略有關。

2 汽車車身產品逆向設計關鍵技術

逆向設計在汽車車身產品開發(fā)中, 有兩項關鍵技術: 準確、高效的從手工油泥模型上采集三維點云數(shù)據(jù); 快速、高質量的創(chuàng)建曲面數(shù)學模型。

2.1 點云數(shù)據(jù)采集技術

點云數(shù)據(jù)采集是將油泥模型曲面以空間點三維坐標的形式離散化, 所采集的點云數(shù)據(jù)是曲面擬合或曲面檢測的基礎。油泥模型數(shù)據(jù)的采集工作一般耗時較長, 能否高效獲取精確的點云數(shù)據(jù)是逆向設計的關鍵技術。目前常用的點云數(shù)據(jù)采集方法有 3 種。

（1） 接觸式三坐標測量機測量 測量精度較高,測量效率較低, 由于測量時接觸被測物體, 易劃傷其表面, 適于測量點、特征線、孔等幾何特征。

（2）線狀激光束測量( 相位測量) 將周期性的光柵投影到被測曲面上, 通過光柵圖像的調制解調, 求出被測曲面形狀的三維信息。其測量范圍大,速度快, 但只能測量起伏不大的較平坦曲面, 曲面變化大時測量精度較低。

（3） 光柵投影式測量( 照相測量) 將光柵投影到物體表面, 形成一塊待測區(qū)域, 由光學掃描系統(tǒng)測取實物的表面數(shù)據(jù), 用數(shù)碼像機獲取特征標志點的三維坐標位置。光柵投影式測量輕便靈活, 易于攜帶, 可進行異地測量; 非接觸測量, 對被測物表面無劃傷; 復雜或大面積表面可分塊測量; 測量速度快, 點云密度高; 測量精度高, 在 0.03/100 mm×100 mm 以內, 綜合測量精度在 0.1/1000 mm 以內。

上述三種測量技術, 在逆向設計時可根據(jù)被測模型的特征靈活選用, 以滿足曲面重構精度及快速采集海量點云數(shù)據(jù)的要求。

2.2 汽車車身設計中對曲面的要求

在車身設計中, 要求車身外表面和內飾表面光順?！肮忭槨庇小肮饣焙汀绊樠邸敝? 它包括數(shù)學和
主觀美學兩方面描述。

“光順”的數(shù)學描述分為曲線光順和曲面光順。一般曲線光順的條件是: 曲線二階連續(xù); 曲線沒有多余拐點; 曲線曲率變化均勻?？臻g曲面的光順, 應滿足該曲面上沒有多余的凸區(qū)和凹區(qū)。一般用任意一張平面與曲面的截面曲線的光順性, 作為曲面光順的判據(jù)。

“光順”的主觀美學描述主要體現(xiàn)在以下 3 項局部和整體的視覺效果上:

（1）單個曲面本身所形成的光反射效果;

（2） 曲面之間拼接和轉折處形成的明暗變化;

（3）曲面的邊界、過渡面等處形成的高光線和高光輪廓。車身設計要求上述視覺效果應連續(xù)、流暢, 局部不出現(xiàn)多余的凹凸、鋸齒、褶皺、紊亂條紋和散亂的明暗對比等缺陷。

曲面光順描述受主觀因素影響, 不同汽車制造長制定了不同的分級標準。汽車車身表面曾有 A 、B 、 C 三級之分, 其中 A 面為車身外表面, 即白車身, 要求滿足上述曲線、曲面光順的全部條件; B 面為不重要表面( 含內飾表面), 要求滿足曲線、曲面光順的基本條件; C 面為不可見表面。隨著制造技術的進步, 汽車內飾表面也被列入 A 級要求, 因此分類方法也隨之簡化, A 面為可見(可觸摸)表面; B面為不可見表面。

2.3 曲面數(shù)學模型創(chuàng)建技術

曲面創(chuàng)建是逆向設計的一個關鍵環(huán)節(jié), 不僅要再現(xiàn)原有產品的設計思想, 還應修復(或解決)油泥模型存在的缺陷, 并對車身外表面和內飾表面進行光順處理。曲面創(chuàng)建前應對模型仔細分析, 將曲面劃分為幾個特征區(qū), 規(guī)劃整體思路, 以確定曲面創(chuàng)建方法并選用相關工具。

2.3.1 曲面分塊

汽車車身內、外表面由大小不同、形狀各異的若干自由曲面片組成, 曲面建模時, 應先將這些復雜表面劃分成較簡單的自由曲面, 分別擬合重構。車身表面可分為主要曲面和過渡曲面兩類。主要曲面是指面積較大、曲率半徑較大、曲率變化較平緩的曲面片, 是汽車車身的主體; 過渡曲面是兩個( 或多個) 主要曲面間的連接面, 一般形狀狹長、曲率半徑較小、曲率變化較大。劃分曲面片的主要依據(jù)是車身表面的特征棱線和曲面的曲率變化。車身表面的特征棱線分為清晰棱線和模糊棱線, 清晰棱線是主要曲面的交線, 它一般用來劃分車身表面的功能區(qū)域, 表現(xiàn)造型的力度、動感等視覺效果;模糊棱線是主要曲面間用過渡曲面連接時形成的高光輪廓線, 是曲面建模過程中相連主要曲面的理論交線。

曲面分塊是逆向設計的總體方案, 對后續(xù)工作影響較大, 一般由工業(yè)設計師、測量工程師及逆向設計工程師共同研究決定。

2.3.2 曲線、曲面重構與光順

按照曲面分塊方案, 對曲線和曲面逐一進行重構與光順。

曲線重構與光順可分為 3 個步驟: 1 ) 基于點云資料或曲面求交重構曲線; 2 ) 利用曲率梳工具尋找、刪除壞點, 使曲線上各段曲率單凸或單凹,初步光順曲線; 3 ) 使曲線上各段的曲率變化均勻,進一步光順曲線。

汽車車身曲線一般為三維空間曲線 (邊界線、截面線及特征線), 曲線的法向不在同一平面內, 逆向設計中, 一般將三維空間曲線投影到曲線的兩個主投影面上進行光順。

曲面重構一般有 3 種方法: 1 ) 點到面( 直接由點云數(shù)據(jù)生成曲面片), 從點云提取行列交叉的點云網格, 利用 U 、 V 線逼近點云網格的方法擬合曲面, 或按用戶輸入的曲面參數(shù)自動擬合曲面; 2 ) 先點到線再線到面, 先提取點, 重構和光順曲面片的邊界線、截面線及特征線, 再重構曲面片; 3 ) 點、線結合重構曲面。

2.3.3 曲面拼接

曲面拼接是指將光順好的主要曲面用過渡曲面連接起來。拼接處一般都是高光輪廓線或形成明暗對比的部位, 曲面拼接質量直接影響產品整體視覺效果。

過渡曲面一般分為兩類。一類是各種倒圓( 等半徑和變半徑), 另一類是兩個( 或多個) 主要曲面相接并保證曲率連續(xù)。第二類過渡面一般曲率變化大且截面線形狀復雜。車身外表面逆向設計中, A 柱外表面、后圍轉角面、頂蓋與側圍交界處倒圓、發(fā)動機罩棱線等都是重要過渡曲面, 對整車造型影響較大。應從不同視角進行光順處理以滿足設計要求。

2.4 曲面數(shù)據(jù)質量評估

曲面經重構、光順后, 需評估其表面質量以判定其是否滿足使用要求。曲面評估包括兩方面: 一是評價曲面的品質, 即曲面是否達到 A 級曲面的要求; 二是評價重構曲面與點云之間的誤差是否滿足要求。

A 級曲面通常為輪廓曲面, 曲率連續(xù), 沿曲面和相鄰曲面有幾乎相同的曲率半徑; 用高光等高線檢測時, 高亮顯示的曲線具有共同的曲率特征, 等高線連續(xù)且過渡均勻、逐漸發(fā)散或收縮, 而不會迅速匯集消失到一點; 控制點按一定規(guī)律分布, 一行控制點與另一行相鄰控制點的角度變化應有一定規(guī)律可循; A 級曲面的邊界線可被編輯、移動以生成另外一條曲線, 同時這個新生成曲線可重新加入曲面來控制曲面。

3 逆向設計應用軟件

逆向設計需要相應的軟件支撐。逆向設計主要應用軟件有 : GeoMagic 、 CopyCAD RapidForm 、
QuickForm 、 UG 及 CATIA 等。不同軟件各有所長,應根據(jù)不同曲面的結構特點和測量數(shù)據(jù)的特點, 選用不同軟件; 或在逆向設計的不同階段, 采用不同軟件, 以提高設計質量和效率。在眾多的應用軟件中，CATIA 的逆向設計功能最為強大。

CATIA 是法國達索公司的產品, 其集成解決方案幾乎覆蓋工業(yè)產品設計制造的所有領域, 世界排名前 20 位的汽車企業(yè)有 18 家選擇其作為核心軟件。 CATIA 在逆向設計方面采用 NURBS 方法描述曲面, 解決了自由曲面(線)與初等解析曲面( 線)描述不相容的問題, 通過編輯控制點改變曲面形狀生成任意復雜曲面，提高了造型能力; 先根據(jù)云點擬合出一個基礎曲面, 再利用曲面編輯功能對其進行編輯和光順處理, 提高了曲面重構效率; 能實現(xiàn)一個曲面到另一個曲面的匹配, 還能實現(xiàn)一個曲面到多個曲面的匹配, 并能達到匹配后曲面間曲率連續(xù), 保證 A 級曲面要求; 提供多曲面整體編輯功能(一次編輯多個曲面并保持曲面間連續(xù)); 提供網格面及風格掃描面構造方法, 按曲面形狀( 或原產品設計思想) 實現(xiàn)曲面快速重構; 采用混合參數(shù)幾何方式建模, 適于設計重用。

4 逆向設計應用實例

以某汽車前保險杠為例, 說明逆向設計在車身產品開發(fā)中的應用。實例采用線狀激光束測量方法, 獲取的點云數(shù)據(jù)如圖 3 所示。

            點云數(shù)據(jù)采集后, 利用 CATIA 逆向處理功能中的主模塊: 數(shù)字化外形編輯器 DSE ( DigitizedShape Editor )、快速曲面重建 QSR ( Quick SurfaceReconstruction )、創(chuàng)成式外形設計 GSD ( Generative
Shape Design ) 和自由曲面造型 FS ( FreeStyle ) 等,進行曲面重構與光順, 其過程如圖 4 所示。

            經多輪曲面重構與光順及曲面數(shù)據(jù)質量評估,最終獲得的汽車保險杠數(shù)字模型如圖 5 所示。

5 結束語

逆向設計是現(xiàn)代汽車產品快速開發(fā)的重要技術。本文介紹了汽車車身產品開發(fā)流程及逆向設計關鍵技術和應用軟件, 分析了點云數(shù)據(jù)采集、曲面重構、曲面數(shù)據(jù)質量評估等工作要點。隨著逆向設計在高效、準確實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)采集, 快速、高質量創(chuàng)建曲面數(shù)字模型等方面的不斷完善和發(fā)展, 逆向設計作為一種實用性和綜合性很強的新技術, 必將在增強設計能力、提高效率、節(jié)約成本和縮短產品開發(fā)周期等方面發(fā)揮巨大的作用。