摘 要: 逆向設計是現代汽車(chē)產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)。本文介紹了汽車(chē)車(chē)身產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程及逆向設計關(guān)鍵技術(shù)和應用軟件, 從點(diǎn)云數據采集、曲面重構、曲面數據質(zhì)量評估等方面分析了逆向設計在汽車(chē)車(chē)身產(chǎn)品開(kāi)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(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)新技術(shù)。

廣義上講, 逆向設計主要是依靠高度集成化、可視化及開(kāi)放型的計算機和網(wǎng)絡(luò )技術(shù), 構筑汽車(chē)產(chǎn)品, 從概念構思、產(chǎn)品設計、工程分析到工藝制造、應用工程、市場(chǎng)服務(wù), 全過(guò)程實(shí)行無(wú)紙化、系統化的高精度操作平臺。這種思維先于實(shí)體, 再用實(shí)體反證思維的逆向工作形式, 被稱(chēng)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(shí)物樣件獲取產(chǎn)品數學(xué)模型, 并且在此基礎上對已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng )造的過(guò)程。逆向設計已廣泛應用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、模具制造及產(chǎn)品質(zhì)量控制等眾多領(lǐng)域。特別是在汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中, 逆向設計已經(jīng)成為必不可少的重要技術(shù)手段。

1 汽車(chē)車(chē)身產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程

汽車(chē)車(chē)身產(chǎn)品開(kāi)發(fā)一般先由工業(yè)設計師進(jìn)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(jìn)行曲面重構, 然后才進(jìn)入其它相關(guān)工程設計與仿真分析等開(kāi)發(fā)流程(圖 1 )。

逆向設計是工業(yè)設計和工程開(kāi)發(fā)的接口, 是汽車(chē)車(chē)身產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù), 汽車(chē)車(chē)身產(chǎn)品逆向設計的工作流程見(jiàn)圖 2 。

汽車(chē)車(chē)身的逆向設計對點(diǎn)云測量和曲面重構提出了很高的要求。點(diǎn)云測量的質(zhì)量主要取決于測量設備的精度, 而曲面重構的品質(zhì)還與所選用數據處理軟件的功能與數據處理的策略有關(guān)。

2 汽車(chē)車(chē)身產(chǎn)品逆向設計關(guān)鍵技術(shù)

逆向設計在汽車(chē)車(chē)身產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中, 有兩項關(guān)鍵技術(shù): 準確、高效的從手工油泥模型上采集三維點(diǎn)云數據; 快速、高質(zhì)量的創(chuàng )建曲面數學(xué)模型。

2.1 點(diǎn)云數據采集技術(shù)

點(diǎn)云數據采集是將油泥模型曲面以空間點(diǎn)三維坐標的形式離散化, 所采集的點(diǎn)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(shí)較長(cháng), 能否高效獲取精確的點(diǎn)云數據是逆向設計的關(guān)鍵技術(shù)。目前常用的點(diǎn)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(shí)接觸被測物體, 易劃傷其表面, 適于測量點(diǎn)、特征線(xiàn)、孔等幾何特征。

（2）線(xiàn)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(guò)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(shí)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(xué)掃描系統測取實(shí)物的表面數據, 用數碼像機獲取特征標志點(diǎn)的三維坐標位置。光柵投影式測量輕便靈活, 易于攜帶, 可進(jìn)行異地測量; 非接觸測量, 對被測物表面無(wú)劃傷; 復雜或大面積表面可分塊測量; 測量速度快, 點(diǎn)云密度高; 測量精度高, 在 0.03/100 mm×100 mm 以?xún)? 綜合測量精度在 0.1/1000 mm 以?xún)取?/p>

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

2.2 汽車(chē)車(chē)身設計中對曲面的要求

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

“光順”的數學(xué)描述分為曲線(xiàn)光順和曲面光順。一般曲線(xiàn)光順的條件是: 曲線(xiàn)二階連續; 曲線(xiàn)沒(méi)有多余拐點(diǎn); 曲線(xiàn)曲率變化均勻?？臻g曲面的光順, 應滿(mǎn)足該曲面上沒(méi)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(xiàn)的光順性, 作為曲面光順的判據。

“光順”的主觀(guān)美學(xué)描述主要體現在以下 3 項局部和整體的視覺(jué)效果上:

（1）單個(gè)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(guò)渡面等處形成的高光線(xiàn)和高光輪廓。車(chē)身設計要求上述視覺(jué)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(guān)因素影響, 不同汽車(chē)制造長(cháng)制定了不同的分級標準。汽車(chē)車(chē)身表面曾有 A 、B 、 C 三級之分, 其中 A 面為車(chē)身外表面, 即白車(chē)身, 要求滿(mǎn)足上述曲線(xiàn)、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(mǎn)足曲線(xiàn)、曲面光順的基本條件; C 面為不可見(jiàn)表面。隨著(zhù)制造技術(shù)的進(jìn)步, 汽車(chē)內飾表面也被列入 A 級要求, 因此分類(lèi)方法也隨之簡(jiǎn)化, A 面為可見(jiàn)(可觸摸)表面; B面為不可見(jiàn)表面。

2.3 曲面數學(xué)模型創(chuàng )建技術(shù)

曲面創(chuàng )建是逆向設計的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節, 不僅要再現原有產(chǎn)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(chē)身外表面和內飾表面進(jìn)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(gè)特征區, 規劃整體思路, 以確定曲面創(chuàng )建方法并選用相關(guān)工具。

2.3.1 曲面分塊

汽車(chē)車(chē)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(shí), 應先將這些復雜表面劃分成較簡(jiǎn)單的自由曲面, 分別擬合重構。車(chē)身表面可分為主要曲面和過(guò)渡曲面兩類(lèi)。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(chē)車(chē)身的主體; 過(guò)渡曲面是兩個(gè)( 或多個(gè)) 主要曲面間的連接面, 一般形狀狹長(cháng)、曲率半徑較小、曲率變化較大。劃分曲面片的主要依據是車(chē)身表面的特征棱線(xiàn)和曲面的曲率變化。車(chē)身表面的特征棱線(xiàn)分為清晰棱線(xiàn)和模糊棱線(xiàn), 清晰棱線(xiàn)是主要曲面的交線(xiàn), 它一般用來(lái)劃分車(chē)身表面的功能區域, 表現造型的力度、動(dòng)感等視覺(jué)效果;模糊棱線(xiàn)是主要曲面間用過(guò)渡曲面連接時(shí)形成的高光輪廓線(xiàn), 是曲面建模過(guò)程中相連主要曲面的理論交線(xiàn)。

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(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(xiàn)、曲面重構與光順

按照曲面分塊方案, 對曲線(xiàn)和曲面逐一進(jìn)行重構與光順。

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

汽車(chē)車(chē)身曲線(xiàn)一般為三維空間曲線(xiàn) (邊界線(xiàn)、截面線(xiàn)及特征線(xiàn)), 曲線(xiàn)的法向不在同一平面內, 逆向設計中, 一般將三維空間曲線(xiàn)投影到曲線(xiàn)的兩個(gè)主投影面上進(jìn)行光順。

曲面重構一般有 3 種方法: 1 ) 點(diǎn)到面( 直接由點(diǎn)云數據生成曲面片), 從點(diǎn)云提取行列交叉的點(diǎn)云網(wǎng)格, 利用 U 、 V 線(xiàn)逼近點(diǎn)云網(wǎng)格的方法擬合曲面, 或按用戶(hù)輸入的曲面參數自動(dòng)擬合曲面; 2 ) 先點(diǎn)到線(xiàn)再線(xiàn)到面, 先提取點(diǎn), 重構和光順曲面片的邊界線(xiàn)、截面線(xiàn)及特征線(xiàn), 再重構曲面片; 3 ) 點(diǎn)、線(xiàn)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(guò)渡曲面連接起來(lái)。拼接處一般都是高光輪廓線(xiàn)或形成明暗對比的部位, 曲面拼接質(zhì)量直接影響產(chǎn)品整體視覺(jué)效果。

過(guò)渡曲面一般分為兩類(lèi)。一類(lèi)是各種倒圓( 等半徑和變半徑), 另一類(lèi)是兩個(gè)( 或多個(gè)) 主要曲面相接并保證曲率連續。第二類(lèi)過(guò)渡面一般曲率變化大且截面線(xiàn)形狀復雜。車(chē)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(dòng)機罩棱線(xiàn)等都是重要過(guò)渡曲面, 對整車(chē)造型影響較大。應從不同視角進(jìn)行光順處理以滿(mǎn)足設計要求。

2.4 曲面數據質(zhì)量評估

曲面經(jīng)重構、光順后, 需評估其表面質(zhì)量以判定其是否滿(mǎn)足使用要求。曲面評估包括兩方面: 一是評價(jià)曲面的品質(zhì), 即曲面是否達到 A 級曲面的要求; 二是評價(jià)重構曲面與點(diǎn)云之間的誤差是否滿(mǎn)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(xiàn)檢測時(shí), 高亮顯示的曲線(xiàn)具有共同的曲率特征, 等高線(xiàn)連續且過(guò)渡均勻、逐漸發(fā)散或收縮, 而不會(huì )迅速匯集消失到一點(diǎn); 控制點(diǎn)按一定規律分布, 一行控制點(diǎn)與另一行相鄰控制點(diǎn)的角度變化應有一定規律可循; A 級曲面的邊界線(xiàn)可被編輯、移動(dòng)以生成另外一條曲線(xiàn), 同時(shí)這個(gè)新生成曲線(xiàn)可重新加入曲面來(lái)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(cháng),應根據不同曲面的結構特點(diǎn)和測量數據的特點(diǎn), 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(zhì)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(chǎn)品, 其集成解決方案幾乎覆蓋工業(yè)產(chǎn)品設計制造的所有領(lǐng)域, 世界排名前 20 位的汽車(chē)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(xiàn))與初等解析曲面( 線(xiàn))描述不相容的問(wèn)題, 通過(guò)編輯控制點(diǎn)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(diǎn)擬合出一個(gè)基礎曲面, 再利用曲面編輯功能對其進(jìn)行編輯和光順處理, 提高了曲面重構效率; 能實(shí)現一個(gè)曲面到另一個(gè)曲面的匹配, 還能實(shí)現一個(gè)曲面到多個(gè)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(gè)曲面并保持曲面間連續); 提供網(wǎng)格面及風(fēng)格掃描面構造方法, 按曲面形狀( 或原產(chǎn)品設計思想) 實(shí)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(shí)例

以某汽車(chē)前保險杠為例, 說(shuō)明逆向設計在車(chē)身產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應用。實(shí)例采用線(xiàn)狀激光束測量方法, 獲取的點(diǎn)云數據如圖 3 所示。

            點(diǎn)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(chuàng )成式外形設計 GSD ( Generative
Shape Design ) 和自由曲面造型 FS ( FreeStyle ) 等,進(jìn)行曲面重構與光順, 其過(guò)程如圖 4 所示。

            經(jīng)多輪曲面重構與光順及曲面數據質(zhì)量評估,最終獲得的汽車(chē)保險杠數字模型如圖 5 所示。

5 結束語(yǔ)

逆向設計是現代汽車(chē)產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)。本文介紹了汽車(chē)車(chē)身產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程及逆向設計關(guān)鍵技術(shù)和應用軟件, 分析了點(diǎn)云數據采集、曲面重構、曲面數據質(zhì)量評估等工作要點(diǎn)。隨著(zhù)逆向設計在高效、準確實(shí)現點(diǎn)云數據采集, 快速、高質(zhì)量創(chuàng )建曲面數字模型等方面的不斷完善和發(fā)展, 逆向設計作為一種實(shí)用性和綜合性很強的新技術(shù), 必將在增強設計能力、提高效率、節約成本和縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期等方面發(fā)揮巨大的作用。