车身产品开发中逆向设计的研究与应用

        摘 要: 逆向设计是现代汽车产品快速开发的重要技术。本文介绍了汽车车身产品开发流程及逆向设计关键技术和应用软件, 从点云数据采集、曲面重构、曲面数据质量评估等方面分析了逆向设计在汽车车身产品开发中的应用情况。

逆向设计是 20 世纪 90 年代兴起的一种汽车产品开发新技术。

广义上讲, 逆向设计主要是依靠高度集成化、可视化及开放型的计算机和网络技术, 构筑汽车产品, 从概念构思、产品设计、工程分析到工艺制造、应用工程、市场服务, 全过程实行无纸化、系统化的高精度操作平台。这种思维先于实体, 再用实体反证思维的逆向工作形式, 被称之为逆向设计。

狭义上讲, 逆向设计是指从已有的物理模型或实物样件获取产品数学模型, 并且在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。逆向设计已广泛应用于产品开发、模具制造及产品质量控制等众多领域。特别是在汽车产品开发中, 逆向设计已经成为必不可少的重要技术手段。

1 汽车车身产品开发流程

汽车车身产品开发一般先由工业设计师进行概念设计、绘制效果图、制作油泥模型, 再测量油泥模型数据并进行曲面重构, 然后才进入其它相关工程设计与仿真分析等开发流程(图 1 )。

逆向设计是工业设计和工程开发的接口, 是汽车车身产品快速开发的关键技术, 汽车车身产品逆向设计的工作流程见图 2 。

汽车车身的逆向设计对点云测量和曲面重构提出了很高的要求。点云测量的质量主要取决于测量设备的精度, 而曲面重构的品质还与所选用数据处理软件的功能与数据处理的策略有关。

2 汽车车身产品逆向设计关键技术

逆向设计在汽车车身产品开发中, 有两项关键技术: 准确、高效的从手工油泥模型上采集三维点云数据; 快速、高质量的创建曲面数学模型。

2.1 点云数据采集技术

点云数据采集是将油泥模型曲面以空间点三维坐标的形式离散化, 所采集的点云数据是曲面拟合或曲面检测的基础。油泥模型数据的采集工作一般耗时较长, 能否高效获取精确的点云数据是逆向设计的关键技术。目前常用的点云数据采集方法有 3 种。

（1） 接触式三坐标测量机测量 测量精度较高,测量效率较低, 由于测量时接触被测物体, 易划伤其表面, 适于测量点、特征线、孔等几何特征。

（2）线状激光束测量( 相位测量) 将周期性的光栅投影到被测曲面上, 通过光栅图像的调制解调, 求出被测曲面形状的三维信息。其测量范围大,速度快, 但只能测量起伏不大的较平坦曲面, 曲面变化大时测量精度较低。

（3） 光栅投影式测量( 照相测量) 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, 用数码像机获取特征标志点的三维坐标位置。光栅投影式测量轻便灵活, 易于携带, 可进行异地测量; 非接触测量, 对被测物表面无划伤; 复杂或大面积表面可分块测量; 测量速度快, 点云密度高; 测量精度高, 在 0.03/100 mm×100 mm 以内, 综合测量精度在 0.1/1000 mm 以内。

上述三种测量技术, 在逆向设计时可根据被测模型的特征灵活选用, 以满足曲面重构精度及快速采集海量点云数据的要求。

2.2 汽车车身设计中对曲面的要求

在车身设计中, 要求车身外表面和内饰表面光顺。“光顺”有“光滑”和“顺眼”之意, 它包括数学和
主观美学两方面描述。

“光顺”的数学描述分为曲线光顺和曲面光顺。一般曲线光顺的条件是: 曲线二阶连续; 曲线没有多余拐点; 曲线曲率变化均匀。空间曲面的光顺, 应满足该曲面上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。

“光顺”的主观美学描述主要体现在以下 3 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） 曲面之间拼接和转折处形成的明暗变化;

（3）曲面的边界、过渡面等处形成的高光线和高光轮廓。车身设计要求上述视觉效果应连续、流畅, 局部不出现多余的凹凸、锯齿、褶皱、紊乱条纹和散乱的明暗对比等缺陷。

曲面光顺描述受主观因素影响, 不同汽车制造长制定了不同的分级标准。汽车车身表面曾有 A 、B 、 C 三级之分, 其中 A 面为车身外表面, 即白车身, 要求满足上述曲线、曲面光顺的全部条件; B 面为不重要表面( 含内饰表面), 要求满足曲线、曲面光顺的基本条件; C 面为不可见表面。随着制造技术的进步, 汽车内饰表面也被列入 A 级要求, 因此分类方法也随之简化, A 面为可见(可触摸)表面; B面为不可见表面。

2.3 曲面数学模型创建技术

曲面创建是逆向设计的一个关键环节, 不仅要再现原有产品的设计思想, 还应修复(或解决)油泥模型存在的缺陷, 并对车身外表面和内饰表面进行光顺处理。曲面创建前应对模型仔细分析, 将曲面划分为几个特征区, 规划整体思路, 以确定曲面创建方法并选用相关工具。

2.3.1 曲面分块

汽车车身内、外表面由大小不同、形状各异的若干自由曲面片组成, 曲面建模时, 应先将这些复杂表面划分成较简单的自由曲面, 分别拟合重构。车身表面可分为主要曲面和过渡曲面两类。主要曲面是指面积较大、曲率半径较大、曲率变化较平缓的曲面片, 是汽车车身的主体; 过渡曲面是两个( 或多个) 主要曲面间的连接面, 一般形状狭长、曲率半径较小、曲率变化较大。划分曲面片的主要依据是车身表面的特征棱线和曲面的曲率变化。车身表面的特征棱线分为清晰棱线和模糊棱线, 清晰棱线是主要曲面的交线, 它一般用来划分车身表面的功能区域, 表现造型的力度、动感等视觉效果;模糊棱线是主要曲面间用过渡曲面连接时形成的高光轮廓线, 是曲面建模过程中相连主要曲面的理论交线。

曲面分块是逆向设计的总体方案, 对后续工作影响较大, 一般由工业设计师、测量工程师及逆向设计工程师共同研究决定。

2.3.2 曲线、曲面重构与光顺

按照曲面分块方案, 对曲线和曲面逐一进行重构与光顺。

曲线重构与光顺可分为 3 个步骤: 1 ) 基于点云资料或曲面求交重构曲线; 2 ) 利用曲率梳工具寻找、删除坏点, 使曲线上各段曲率单凸或单凹,初步光顺曲线; 3 ) 使曲线上各段的曲率变化均匀,进一步光顺曲线。

汽车车身曲线一般为三维空间曲线 (边界线、截面线及特征线), 曲线的法向不在同一平面内, 逆向设计中, 一般将三维空间曲线投影到曲线的两个主投影面上进行光顺。

曲面重构一般有 3 种方法: 1 ) 点到面( 直接由点云数据生成曲面片), 从点云提取行列交叉的点云网格, 利用 U 、 V 线逼近点云网格的方法拟合曲面, 或按用户输入的曲面参数自动拟合曲面; 2 ) 先点到线再线到面, 先提取点, 重构和光顺曲面片的边界线、截面线及特征线, 再重构曲面片; 3 ) 点、线结合重构曲面。

2.3.3 曲面拼接

曲面拼接是指将光顺好的主要曲面用过渡曲面连接起来。拼接处一般都是高光轮廓线或形成明暗对比的部位, 曲面拼接质量直接影响产品整体视觉效果。

过渡曲面一般分为两类。一类是各种倒圆( 等半径和变半径), 另一类是两个( 或多个) 主要曲面相接并保证曲率连续。第二类过渡面一般曲率变化大且截面线形状复杂。车身外表面逆向设计中, A 柱外表面、后围转角面、顶盖与侧围交界处倒圆、发动机罩棱线等都是重要过渡曲面, 对整车造型影响较大。应从不同视角进行光顺处理以满足设计要求。

2.4 曲面数据质量评估

曲面经重构、光顺后, 需评估其表面质量以判定其是否满足使用要求。曲面评估包括两方面: 一是评价曲面的品质, 即曲面是否达到 A 级曲面的要求; 二是评价重构曲面与点云之间的误差是否满足要求。

A 级曲面通常为轮廓曲面, 曲率连续, 沿曲面和相邻曲面有几乎相同的曲率半径; 用高光等高线检测时, 高亮显示的曲线具有共同的曲率特征, 等高线连续且过渡均匀、逐渐发散或收缩, 而不会迅速汇集消失到一点; 控制点按一定规律分布, 一行控制点与另一行相邻控制点的角度变化应有一定规律可循; A 级曲面的边界线可被编辑、移动以生成另外一条曲线, 同时这个新生成曲线可重新加入曲面来控制曲面。

3 逆向设计应用软件

逆向设计需要相应的软件支撑。逆向设计主要应用软件有 : GeoMagic 、 CopyCAD RapidForm 、
QuickForm 、 UG 及 CATIA 等。不同软件各有所长,应根据不同曲面的结构特点和测量数据的特点, 选用不同软件; 或在逆向设计的不同阶段, 采用不同软件, 以提高设计质量和效率。在众多的应用软件中，CATIA 的逆向设计功能最为强大。

CATIA 是法国达索公司的产品, 其集成解决方案几乎覆盖工业产品设计制造的所有领域, 世界排名前 20 位的汽车企业有 18 家选择其作为核心软件。 CATIA 在逆向设计方面采用 NURBS 方法描述曲面, 解决了自由曲面(线)与初等解析曲面( 线)描述不相容的问题, 通过编辑控制点改变曲面形状生成任意复杂曲面，提高了造型能力; 先根据云点拟合出一个基础曲面, 再利用曲面编辑功能对其进行编辑和光顺处理, 提高了曲面重构效率; 能实现一个曲面到另一个曲面的匹配, 还能实现一个曲面到多个曲面的匹配, 并能达到匹配后曲面间曲率连续, 保证 A 级曲面要求; 提供多曲面整体编辑功能(一次编辑多个曲面并保持曲面间连续); 提供网格面及风格扫描面构造方法, 按曲面形状( 或原产品设计思想) 实现曲面快速重构; 采用混合参数几何方式建模, 适于设计重用。

4 逆向设计应用实例

以某汽车前保险杠为例, 说明逆向设计在车身产品开发中的应用。实例采用线状激光束测量方法, 获取的点云数据如图 3 所示。

            点云数据采集后, 利用 CATIA 逆向处理功能中的主模块: 数字化外形编辑器 DSE ( DigitizedShape Editor )、快速曲面重建 QSR ( Quick SurfaceReconstruction )、创成式外形设计 GSD ( Generative
Shape Design ) 和自由曲面造型 FS ( FreeStyle ) 等,进行曲面重构与光顺, 其过程如图 4 所示。

            经多轮曲面重构与光顺及曲面数据质量评估,最终获得的汽车保险杠数字模型如图 5 所示。

5 结束语

逆向设计是现代汽车产品快速开发的重要技术。本文介绍了汽车车身产品开发流程及逆向设计关键技术和应用软件, 分析了点云数据采集、曲面重构、曲面数据质量评估等工作要点。随着逆向设计在高效、准确实现点云数据采集, 快速、高质量创建曲面数字模型等方面的不断完善和发展, 逆向设计作为一种实用性和综合性很强的新技术, 必将在增强设计能力、提高效率、节约成本和缩短产品开发周期等方面发挥巨大的作用。