車身產品開發中逆向設計的研究與應用

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

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學模型, 并且在此基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創造的過程。逆向設計已廣泛應用于產品開發、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 汽車車身產品開發流程

汽車車身產品開發一般先由工業設計師進行概念設計、繪制效果圖、制作油泥模型, 再測量油泥模型數據并進行曲面重構, 然后才進入其它相關工程設計與仿真分析等開發流程(圖 1 )。

逆向設計是工業設計和工程開發的接口, 是汽車車身產品快速開發的關鍵技術, 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據處理軟件的功能與數據處理的策略有關。

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據; 快速、高質量的創建曲面數學模型。

2.1 點云數據采集技術

點云數據采集是將油泥模型曲面以空間點三維坐標的形式離散化, 所采集的點云數據是曲面擬合或曲面檢測的基礎。油泥模型數據的采集工作一般耗時較長, 能否高效獲取精確的點云數據是逆向設計的關鍵技術。目前常用的點云數據采集方法有 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, 形成一塊待測區域, 由光學掃描系統測取實物的表面數據, 用數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據的要求。

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。“光順”有“光滑”和“順眼”之意, 它包括數學和
主觀美學兩方面描述。

“光順”的數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; 曲線沒有多余拐點; 曲線曲率變化均勻。空間曲面的光順, 應滿足該曲面上沒有多余的凸區和凹區。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。

“光順”的主觀美學描述主要體現在以下 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、流暢, 局部不出現多余的凹凸、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 曲面數學模型創建技術

曲面創建是逆向設計的一個關鍵環節, 不僅要再現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。曲面創建前應對模型仔細分析, 將曲面劃分為幾個特征區, 規劃整體思路, 以確定曲面創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域, 表現造型的力度、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, 對后續工作影響較大, 一般由工業設計師、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( 直接由點云數據生成曲面片), 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。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 曲面數據質量評估

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, 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, 等高線連續且過渡均勻、逐漸發散或收縮, 而不會迅速匯集消失到一點; 控制點按一定規律分布, 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,應根據不同曲面的結構特點和測量數據的特點, 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產品設計制造的所有領域, 世界排名前 20 位的汽車企業有 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; 能實現一個曲面到另一個曲面的匹配, 還能實現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, 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); 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) 實現曲面快速重構; 采用混合參數幾何方式建模, 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中的應用。實例采用線狀激光束測量方法, 獲取的點云數據如圖 3 所示。

            點云數據采集后, 利用 CATIA 逆向處理功能中的主模塊: 數字化外形編輯器 DSE ( DigitizedShape Editor )、快速曲面重建 QSR ( Quick SurfaceReconstruction )、創成式外形設計 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據質量評估,最終獲得的汽車保險杠數字模型如圖 5 所示。

5 結束語

逆向設計是現代汽車產品快速開發的重要技術。本文介紹了汽車車身產品開發流程及逆向設計關鍵技術和應用軟件, 分析了點云數據采集、曲面重構、曲面數據質量評估等工作要點。隨著逆向設計在高效、準確實現點云數據采集, 快速、高質量創建曲面數字模型等方面的不斷完善和發展, 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、節約成本和縮短產品開發周期等方面發揮巨大的作用。