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

逆向設(shè)計是 20 世紀(jì) 90 年代興起的一種汽車產(chǎn)品開發(fā)新技術(shù)。

廣義上講, 逆向設(shè)計主要是依靠高度集成化、可視化及開放型的計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù), 構(gòu)筑汽車產(chǎn)品, 從概念構(gòu)思、產(chǎn)品設(shè)計、工程分析到工藝制造、應(yīng)用工程、市場服務(wù), 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(shè)計。

狹義上講, 逆向設(shè)計是指從已有的物理模型或?qū)嵨飿蛹@取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型, 并且在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造的過程。逆向設(shè)計已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)、模具制造及產(chǎn)品質(zhì)量控制等眾多領(lǐng)域。特別是在汽車產(chǎn)品開發(fā)中, 逆向設(shè)計已經(jīng)成為必不可少的重要技術(shù)手段。

1 汽車車身產(chǎn)品開發(fā)流程

汽車車身產(chǎn)品開發(fā)一般先由工業(yè)設(shè)計師進(jìn)行概念設(shè)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(jìn)行曲面重構(gòu), 然后才進(jìn)入其它相關(guān)工程設(shè)計與仿真分析等開發(fā)流程(圖 1 )。

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

汽車車身的逆向設(shè)計對點云測量和曲面重構(gòu)提出了很高的要求。點云測量的質(zhì)量主要取決于測量設(shè)備的精度, 而曲面重構(gòu)的品質(zhì)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(guān)。

2 汽車車身產(chǎn)品逆向設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

逆向設(shè)計在汽車車身產(chǎn)品開發(fā)中, 有兩項關(guān)鍵技術(shù): 準(zhǔn)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(zhì)量的創(chuàng)建曲面數(shù)學(xué)模型。

2.1 點云數(shù)據(jù)采集技術(shù)

點云數(shù)據(jù)采集是將油泥模型曲面以空間點三維坐標(biāo)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(chǔ)。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(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。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(biāo)測量機(jī)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(diào)制解調(diào), 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(xué)掃描系統(tǒng)測取實物的表面數(shù)據(jù), 用數(shù)碼像機(jī)獲取特征標(biāo)志點的三維坐標(biāo)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, 對被測物表面無劃傷; 復(fù)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(nèi), 綜合測量精度在 0.1/1000 mm 以內(nèi)。

上述三種測量技術(shù), 在逆向設(shè)計時可根據(jù)被測模型的特征靈活選用, 以滿足曲面重構(gòu)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(shè)計中對曲面的要求

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

“光順”的數(shù)學(xué)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。空間曲面的光順, 應(yīng)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(xué)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(zhuǎn)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(shè)計要求上述視覺效果應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。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(nèi)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(shù)的進(jìn)步, 汽車內(nèi)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(xué)模型創(chuàng)建技術(shù)

曲面創(chuàng)建是逆向設(shè)計的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié), 不僅要再現(xiàn)原有產(chǎn)品的設(shè)計思想, 還應(yīng)修復(fù)(或解決)油泥模型存在的缺陷, 并對車身外表面和內(nèi)飾表面進(jìn)行光順處理。曲面創(chuàng)建前應(yīng)對模型仔細(xì)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(guān)工具。

2.3.1 曲面分塊

汽車車身內(nèi)、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(yīng)先將這些復(fù)雜表面劃分成較簡單的自由曲面, 分別擬合重構(gòu)。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(shè)計的總體方案, 對后續(xù)工作影響較大, 一般由工業(yè)設(shè)計師、測量工程師及逆向設(shè)計工程師共同研究決定。

2.3.2 曲線、曲面重構(gòu)與光順

按照曲面分塊方案, 對曲線和曲面逐一進(jìn)行重構(gòu)與光順。

曲線重構(gòu)與光順可分為 3 個步驟: 1 ) 基于點云資料或曲面求交重構(gòu)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(jìn)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(nèi), 逆向設(shè)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(jìn)行光順。

曲面重構(gòu)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(wǎng)格, 利用 U 、 V 線逼近點云網(wǎng)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(gòu)和光順曲面片的邊界線、截面線及特征線, 再重構(gòu)曲面片; 3 ) 點、線結(jié)合重構(gòu)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(zhì)量直接影響產(chǎn)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(fù)雜。車身外表面逆向設(shè)計中, A 柱外表面、后圍轉(zhuǎn)角面、頂蓋與側(cè)圍交界處倒圓、發(fā)動機(jī)罩棱線等都是重要過渡曲面, 對整車造型影響較大。應(yīng)從不同視角進(jìn)行光順處理以滿足設(shè)計要求。

2.4 曲面數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

曲面經(jīng)重構(gòu)、光順后, 需評估其表面質(zhì)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(zhì), 即曲面是否達(dá)到 A 級曲面的要求; 二是評價重構(gòu)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(yīng)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(shè)計應(yīng)用軟件

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

CATIA 是法國達(dá)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(shè)計制造的所有領(lǐng)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(shè)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(fù)雜曲面，提高了造型能力; 先根據(jù)云點擬合出一個基礎(chǔ)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(gòu)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(dá)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(wǎng)格面及風(fēng)格掃描面構(gòu)造方法, 按曲面形狀( 或原產(chǎn)品設(shè)計思想) 實現(xiàn)曲面快速重構(gòu); 采用混合參數(shù)幾何方式建模, 適于設(shè)計重用。

4 逆向設(shè)計應(yīng)用實例

以某汽車前保險杠為例, 說明逆向設(shè)計在車身產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)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(shè)計 GSD ( Generative
Shape Design ) 和自由曲面造型 FS ( FreeStyle ) 等,進(jìn)行曲面重構(gòu)與光順, 其過程如圖 4 所示。

            經(jīng)多輪曲面重構(gòu)與光順及曲面數(shù)據(jù)質(zhì)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(jié)束語

逆向設(shè)計是現(xiàn)代汽車產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)。本文介紹了汽車車身產(chǎn)品開發(fā)流程及逆向設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用軟件, 分析了點云數(shù)據(jù)采集、曲面重構(gòu)、曲面數(shù)據(jù)質(zhì)量評估等工作要點。隨著逆向設(shè)計在高效、準(zhǔn)確實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)采集, 快速、高質(zhì)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(shè)計作為一種實用性和綜合性很強(qiáng)的新技術(shù), 必將在增強(qiáng)設(shè)計能力、提高效率、節(jié)約成本和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期等方面發(fā)揮巨大的作用。