摘 要：本文總結(jié)了汽車內(nèi)飾件的外形特點，依據(jù)曲面造型的規(guī)律，提出汽車內(nèi)飾件逆向設計工程（數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、模型重構、產(chǎn)品化）的具體方案。通過對方向盤的應用，證明此方案是可靠有效的。

關鍵詞：逆向設計；塑料CAE；模擬分析；優(yōu)化

1 引言

汽車作為一種劃時代的現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品，從誕生那天起，就被賦予了人類的價值觀、生活形態(tài)、情感需求等，折射出了不同時代、不同人群的審美取向，形成了汽車文化的特有觀念。而作為設計理念的重要表現(xiàn)部位——汽車內(nèi)飾件更是設計師們下功夫，精雕細琢的地方。也是人們買車時仔細欣賞的地方?，F(xiàn)代設計師的工作過程一般是：根據(jù)效果圖的造型特征，直接在電腦中用輔助造型建模軟件建立三維數(shù)字模型（即CAS模型），配合虛擬現(xiàn)實技術用于方案評審展示。方案評審完畢后挑選出相應造型，通過數(shù)控銑床銑削出全尺寸油泥模型，然后對銑出來的模型進行精細處理。通過評審后，然后進行激光掃描，得到的點云數(shù)據(jù)，把點云數(shù)據(jù)導入cad系統(tǒng)進行產(chǎn)品設計，形成工程化的產(chǎn)品模型，作為制造系統(tǒng)工藝設計的依據(jù)，最終生產(chǎn)出該產(chǎn)品。

2 逆向設計

現(xiàn)在汽車設計中，逆向設計是一種重要的設計手段，很多零件都需要采用逆向設計方法，從模型或樣件開始經(jīng)過數(shù)據(jù)采集 →數(shù)據(jù)預處理→ 模型重構→產(chǎn)品化等階段，完成由模型或樣件到產(chǎn)品模型的轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)采集

在利用點云數(shù)據(jù)進行三維建模的過程中，數(shù)據(jù)采集是很重要的一個環(huán)節(jié)，它直接關系到最后創(chuàng)建出的三維模型質(zhì)量，要想獲得精確并且冗余度低的數(shù)據(jù)，必須減少測量過程中的誤差。在表面數(shù)字化技術中，根據(jù)測量方法不同可以將數(shù)據(jù)采集分為接觸式和非接觸式兩大類， 針對汽車內(nèi)飾件體積大，需求精度高的特點，采用接觸式測量對模型表面特征及分型輪廓、邊界進行測量，用非接觸式方法掃描產(chǎn)品A面。進行測量前，通過分析方向盤零件可知，其結(jié)構為沿中心線左右對稱，曲面重建時只需造型出一半的數(shù)據(jù)，再根據(jù)UG所提供的鏡像功能得出另一半的數(shù)據(jù)。

逆向工程不是簡單的復制，逆向設計目的是復制、改進并超越現(xiàn)有的模型，測繪前我們作了以下準備工作：

（1）產(chǎn)品的功能要求，數(shù)據(jù)采集前根據(jù)功能要求對模型進行圓整，如對模型表面封閉孔及本體和喇叭蓋間的間隙，選定測繪基準；

（2）產(chǎn)品數(shù)模型面的品質(zhì)要求，了解被測產(chǎn)品的關鍵部位，方向盤本體幅條位置過渡面及手型位置為特殊位置，因曲面為不規(guī)則形面，在后期造型時是難點；數(shù)據(jù)采集時的關鍵是加大數(shù)據(jù)采集密度，盡可能多地采集數(shù)據(jù)，以便后期造型時取舍；

（3）實際工程測量中，一次測量整個零件有難度，通常是對其重新定位獲取不同方位的表面信息，測量完成后對點云進行數(shù)據(jù)拼合。本例中對方向盤上半部外網(wǎng)及喇叭蓋大面按等距離均勻測繪后，再翻轉(zhuǎn)方向盤角度以采集側(cè)面及方向盤下半部數(shù)據(jù)，此時為了保證基準統(tǒng)一，我們制造了專用夾具以保證翻轉(zhuǎn)時的角度位置準確，在造型設計時用UG軟件將新基準座標與原座標擬合。

測繪完成的點云如下圖所示：

3 數(shù)據(jù)處理（造型理論）

數(shù)據(jù)處理是逆向工程中的關鍵環(huán)節(jié)，它的結(jié)果將直接影響后期模型重構的質(zhì)量；為了獲得完整、正確的測量數(shù)據(jù)，需要對測量數(shù)據(jù)進行預處理，以方便后面的曲面重構，將測繪完的點云數(shù)據(jù)導入UG或CATIA等三維設計軟件，采用由點到線，由線到面，由面到體的順序進行造型生成方向盤A面，數(shù)據(jù)處理時的難點及關鍵點是：

3.1 數(shù)據(jù)預處理：由于受外部環(huán)境影響及設備影響，不可避免會引入嗓聲數(shù)據(jù)，所以在進行點云數(shù)據(jù)操作之前先進行消除噪聲的工作，刪去外界干擾形成的點和不在掃描線上的點，減少其對重建模型精度的影響。

3.2 數(shù)據(jù)分塊：為了后續(xù)CAD造型的方便，在數(shù)據(jù)測量時結(jié)合實際物體的表面形狀，識別其曲面特征，進行數(shù)據(jù)分割測量。根據(jù)組成實物外形曲面的類型，采用不同顏色，存放在不同的數(shù)據(jù)層中以示區(qū)別。

3.3 數(shù)據(jù)的光順：對外觀要求比較高的產(chǎn)品A面，要求曲面之間的過渡必須達到曲面連續(xù)，通常采用局部回彈法、圓周率法和最小二乘法和能量法等來實現(xiàn)。輸入UG的點云需進行精度和光順的優(yōu)化，對于大量的點云數(shù)據(jù)，提取精度高的特征邊界數(shù)據(jù)點，再由點重構到線。在本例中使用的是通過建立多個平行的平面，判斷每一個點和每一個平面的距離，將誤差范圍內(nèi)的點投影到離他們最近的平面上，得到多組平行特征邊界點，有的位置點云數(shù)據(jù)過密集，或過稀疏，擬合的曲線會有拐點或誤差大，可以根據(jù)點云的疏密程度來調(diào)節(jié)參數(shù)。

3.4 產(chǎn)品的配合及工藝要求：逆向設計的產(chǎn)品不是孤立的，與現(xiàn)有的產(chǎn)品或三維數(shù)模存在配合關系，在進行模型重建時可根據(jù)產(chǎn)品的功能要求對零件表面的孔、加強筋等特殊位置，根據(jù)結(jié)構設計的需要用UG里的工具作出；本例中輪轂部位的孔根據(jù)組合開關的位置、尺寸配合作出。

曲面的構建：曲面重構是逆向工程中最重要、繁雜的一環(huán)，是根據(jù)密集點云恢復曲面形狀建立CAD模型的過程。

在曲面重建方面，UG系統(tǒng)主要有兩種：（1）由掃描點直接生成曲面不需要生成曲線；（2）先建立曲線，而后由曲線生成面；第一種曲面重構方法，可用于構建區(qū)域大的表面，通常構建出的曲面會大于點云，后續(xù)進行曲面修剪。

4 產(chǎn)品設計

產(chǎn)品A面數(shù)據(jù)完成后，根據(jù)零件的外形特點（如內(nèi)孔、凹槽、平面和圓柱面等），由簡單的平面曲線或曲線族經(jīng)過拉深、旋轉(zhuǎn)、掃掠和倒圓等規(guī)則來生成曲面或?qū)嶓w模型，根據(jù)點云數(shù)據(jù)提取出特征線，再通過相關的特征操作構建出特征，圖示的方向盤構建特征時有以下特點：①對曲面進行過渡、相交、縫合和倒角處理，創(chuàng)建三維實體模型。②對喇叭蓋、下護罩等壁厚均勻的零件，對產(chǎn)品A面進行增厚處理；再根據(jù)裝配關系作出卡樁和襯板的結(jié)構。

產(chǎn)品設計完畢，即可進入方向盤本體、喇叭蓋、下護罩等模具制造階段；模具制造完畢可按照設定好的工藝參數(shù)進行試模及注塑生產(chǎn)。

5 結(jié)論

實踐表明，逆向設計是汽車內(nèi)飾件開發(fā)過程中，提高產(chǎn)品質(zhì)量與降低廢品率的有效手段。同時也是產(chǎn)品設計創(chuàng)新的一條重要途徑。

作者簡介：鄧曉紅（1974.10-），女，湖北省十堰市（籍貫），現(xiàn)職稱：工程師，學歷：本科，研究方向：汽車內(nèi)飾件設計。