宋濤，張芳芳

（武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070）

0 引言

當(dāng)今飛速發(fā)展的汽車工業(yè)對生產(chǎn)周期縮短的強烈需求以及三維測量技術(shù)和CAD技術(shù)的進一步發(fā)展，以測量技術(shù)為基礎(chǔ)，基于逆向工程技術(shù)的曲面重構(gòu)技術(shù)在新品開發(fā)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)今主流的CAD軟件如UG、CATIA等都為汽車車身的設(shè)計提供了很好的平臺，它們的應(yīng)用也使得企業(yè)可以縮短設(shè)計周期、提高效率，同時又能保證產(chǎn)品的質(zhì)量、減少設(shè)計成本。

逆向工程 （Reverse Engineering，RE），也稱反求工程、反向工程等，起源于精密測量和質(zhì)量檢驗，應(yīng)用在車身設(shè)計中對于快速造型有很高價值［1］。

1 車門外板反求流程

（1）前期準(zhǔn)備:確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要特征、合理的建模順序和設(shè)計的整體思路。

（2）數(shù)據(jù)獲取:利用三坐標(biāo)測量儀對轎車車門外板進行單點接觸式測量獲取車門外板點云數(shù)據(jù)。將掃描的三維數(shù)據(jù)輸入到三維CAD軟件中，進行曲面重構(gòu)［2］。

（3）數(shù)據(jù)預(yù)處理:由于獲得的點云在邊緣、曲率大的過渡處存在壞點;曲率小的平滑表面不需要過多數(shù)據(jù)。因此，要對測得的數(shù)據(jù)點進行壞點剔除、去除噪聲點、點云精簡［3］。

（4）曲面重構(gòu) （在UG軟件中采用由點云生成曲面的方法）:在UG中利用點云進行曲面重構(gòu)主要進行點云的分塊、基礎(chǔ)面的構(gòu)建、過渡面的建立、曲面的拼接、曲面質(zhì)量分析等步驟。

2 實體建模

2.1 外板建模

在車身逆向工程中，首先進行曲面分塊擬合，進而拼接，在完成車身曲面表面基本模型的建立后，最后對車身曲面進行評價，對曲面不合理處進行調(diào)整、光順。利用UG軟件對車門外板點云重構(gòu)曲面基本過程如下:

（1）將已經(jīng)三角化的車門外板文件導(dǎo)入UG軟件中，如圖1所示。

（2）對點云利用剖面分析進行剖分，劃分網(wǎng)格，以便于后續(xù)的曲面擬合工作。然后根據(jù)網(wǎng)格建立四點曲面，建立的曲面（外板曲面）應(yīng)比點云中的稍大 （圖2）。但不要過大，否則會給以后的曲面擬合帶來麻煩，同樣過小，有可能與其他的曲面不能形成交線，則不利于之后曲面的拼接和光順。一般要遵循以下原則:①盡可能減少曲面分塊數(shù)量。在曲率變化較小處，曲面塊盡可能少一些;曲率變化較大處，可根據(jù)需要增加曲面塊數(shù)，然后將其拼接。②在保證曲面精度的前提下，盡量減少曲面塊的階數(shù)，一般最高不能超過7階。

（3）建立四點曲面后，對其剖分以便進行曲面擬合，由于車門外板曲面是A級曲面，所以要用測量命令保證剖面線誤差保持在0.5 mm以內(nèi)，對曲面的不同位置進行幾次測量，確定誤差較大的位置后再進行進一步的曲面調(diào)整，以保證滿足曲面光順性，減小誤差的要求，如圖3所示。

（4）利用X成型命令不斷反復(fù)地進行極點的調(diào)整，包括調(diào)整片體的寬度大小、法向上調(diào)整曲面、改變曲面的階次以得到更準(zhǔn)確的貼合，最終得到剖面線誤差合格的曲面。再需要調(diào)整的幅度非常小時，可以勾選微調(diào)項，確定微調(diào)速度進行微調(diào)。

（5）在車門點云上重構(gòu)的基本曲面符合誤差要求后，此時要對大面之間的過渡面進行匹配進而得到光順的車門外板基本面。進而與車門內(nèi)板以及側(cè)圍進行配合確定車門外板的邊界曲線，確定車門玻璃窗的外輪廓線后，應(yīng)用修剪，得到符合實際情況的車門外板曲面，如圖4所示。

（6）外板面質(zhì)量分析。A級曲面是指車身模型中對曲面質(zhì)量有較高要求或特殊要求的一類曲面，A級曲面不僅要滿足空氣動力學(xué)、幾何連續(xù)性要求，又滿足汽車造型的需求。

文中主要針對曲面質(zhì)量進行初步評價，選擇斑馬線法進行評價曲面質(zhì)量。在工程實際中，也常選用斑馬線來評價車身A級曲面的品質(zhì)［4］。一般要求曲面的斑馬線粗細均勻，斑馬線之間的間隔也要均勻。如圖5所示，曲面的斑馬線在拼接處光滑過渡，車身A級曲面必須達到這樣的要求;圖6為文中得到的車門外板曲面的斑馬線評價情況。由圖可看出，該車門外板曲面斑馬線及其間隔均勻，在過渡曲面處的斑馬線及其間隔是逐漸變化的。連接處的斑馬線是S形的，這說明曲面間連續(xù)至少在G2連續(xù)以上，顯示該曲面具有很好的品質(zhì)。

2.2 外板與內(nèi)板的包邊建模

車門包邊通常是先將內(nèi)、外板扣合，通過車門外板邊緣的塑性變形將內(nèi)板總成一部分邊緣包住的過程，包邊量大約在5～15 mm左右。有的車門包邊完成后可能還需要弧焊或點焊補焊?？紤]車門鋼板厚度及所用鋼板的數(shù)量，選擇內(nèi)外板厚0.8 mm，包邊面與車門外板面偏置距離2.4 mm，包邊寬度10 mm。

將獲得的外板片體向里方向偏置面，應(yīng)用修剪片體命令得到包邊曲面。使用網(wǎng)格曲面功能插入2×0網(wǎng)格曲面的方式得到外板與包邊的過渡曲面。待所有曲面符合誤差要求后，進行圓角過渡。

2.3 門鎖摳手的建模

需要保證開門者手部有足夠的活動空間。將已經(jīng)在內(nèi)板上確定位置的門鎖結(jié)構(gòu)導(dǎo)入，抽取門把手安裝板的面，預(yù)留出外板加厚的距離。以此為基礎(chǔ)面進行處理便得到門鎖摳手。

2.4 車窗建模

很多的小型車中有普遍應(yīng)用的是內(nèi)外板同體式窗框，窗框由于與車門內(nèi)外板一體，所以剛性較好，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性也比較容易控制。

由點云可作草圖，獲得窗框的輪廓線，按照此輪廓線在外板裁剪獲得窗框片體，應(yīng)用抽取命令后偏置可得內(nèi)包邊曲面，然后在外板獲得窗框邊緣，插入網(wǎng)格曲面，檢查誤差，縫合，邊倒圓獲得過渡圓角。

將已經(jīng)獲得的車門外板最終片體進行片體加厚處理即可以得到最終的車門外板實體模型，如圖7所示。

3 工藝性檢查

文中應(yīng)用了UG軟件中的拔模指令，初步檢查了車門外板的拔模情況。限定最小拔模角為5°;綠色部分說明拔模角均大于5°，不會出現(xiàn)倒扣現(xiàn)象，如果顯示紅色則說明工藝性不符合要求，可能出現(xiàn)倒扣現(xiàn)象。工藝性檢查應(yīng)伴隨設(shè)計過程進行，以便于及時修改。圖8所示的車門外板檢查結(jié)果符合工藝性的要求。

4 結(jié)論

文中以逆向工程為背景，依據(jù)汽車車門的設(shè)計要求，在UG軟件中完成了車門外板的三維建模并對車門曲面的品質(zhì)進行了必要的分析。通過具體實例的進行為工程實踐中逆向工程的應(yīng)用提供了參考。

本次設(shè)計僅對車門外板進行反求設(shè)計，將CAD技術(shù)與正向設(shè)計相結(jié)合，應(yīng)用先進的車門設(shè)計方法對已有車型進行優(yōu)化設(shè)計是需要繼續(xù)努力的地方。

【1】烏秀春，胡麗娟，趙洪波.基于逆向工程的車門外板曲面重構(gòu)［J］.拖拉機與農(nóng)用運輸車，2009（2）:24 －25.

【2】鄭勇新.基于逆向工程的車門開發(fā)［J］.裝備制造技術(shù)，2009（10）:72－73.

【3】羅大兵，高明，王培俊.逆向工程中數(shù)字化測量與點云數(shù)據(jù)處理［D］.成都:西南交通大學(xué)，2005.

【4】徐家川，高尚鵬，高永光，高相森.基于曲率梳的車身A級曲面評價方法［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009（10）:11－14.