曾林林 ，周利平，劉小瑩

(西華大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，成都 610039)

基于GeomagicStudio的汽車車身逆向建模技術(shù)的研究

曾林林*，周利平，劉小瑩

(西華大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，成都 610039)

運用三維軟件和逆向建模技術(shù)相結(jié)合的方法，進行車身設(shè)計與優(yōu)化，大大縮短了汽車設(shè)計制造周期。研究了汽車車身的逆向建模技術(shù)，通過光學(xué)掃描儀測量獲取某國產(chǎn)汽車表面的云狀數(shù)據(jù),利用Geomagic軟件對測量數(shù)據(jù)進行處理,并基于NURBS曲面造型對車身表面優(yōu)化重構(gòu),最后在UG中完成了車身的曲面建模和分析。

車身；逆向設(shè)計；Geomagic；曲面建模

車身作為汽車上四大總成(底盤、車身、發(fā)動機、電器設(shè)備)之一，在整車的設(shè)計與制造過程中占據(jù)著相當(dāng)重要的地位，其結(jié)構(gòu)主要包括：車身殼體、車門、車窗、車前鈑金制件、車身附件等。由于車身是一個形狀復(fù)雜的空間薄壁殼體，同時其設(shè)計過程中要綜合運用空氣動力學(xué)、人機工程學(xué)和材料工程學(xué)等知識，常規(guī)的設(shè)計方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代汽車車身的設(shè)計要求[1-2]。逆向(反求)工程(Reverse Engineering)是近年來迅速發(fā)展的快速設(shè)計制造技術(shù)[3]，它根據(jù)現(xiàn)有實物模型的測量數(shù)據(jù)演繹出零件的設(shè)計概念和CAD模型，在已有產(chǎn)品基礎(chǔ)上設(shè)計新產(chǎn)品，為產(chǎn)品設(shè)計和舊產(chǎn)品的改進提供了方便的途徑，大大縮短產(chǎn)品生產(chǎn)制造周期，因而在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中得到越來越廣泛的應(yīng)用。林有娣[4]利用CATIA軟件研究了汽車車身的逆向工程設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了相應(yīng)的處理理論與方法；張鵬、程永奇等[5]采用基于液體測量的逆向設(shè)計方法，研究了玩具汽車外殼逆向設(shè)計過程；趙毅、王明輝[6]運用全逆向技術(shù)并借助Geomagic Studio軟件，研究了汽車連桿鍛件的NURBS曲面造型。本文運用逆向造型技術(shù)，對某型號國產(chǎn)汽車車身進行光學(xué)掃描獲取其表面點云數(shù)據(jù),并利用Geomagic Studio軟件對測量數(shù)據(jù)進行優(yōu)化和外殼表面曲面重構(gòu)，最后在三維軟件UG NX中實現(xiàn)了汽車車身的曲面造型設(shè)計。

1 逆向設(shè)計基礎(chǔ)

1.1 軟硬件設(shè)備

逆向設(shè)計的原理就是一個“從有到無”的過程，根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型或?qū)嵨?，通過各種測量手段及三維幾何建模方法，將原有實物轉(zhuǎn)化為計算機上的三維數(shù)字模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計數(shù)據(jù)。本次設(shè)計所涉及到的軟硬件設(shè)備主要有：掃描設(shè)備、點云處理軟件、曲面處理軟件、曲面建模軟件。由于此次掃描的汽車車身件比較大，同時掃描數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)應(yīng)具有較高的精度，因此綜合考慮選擇：非接觸式三維光學(xué)掃描儀，型號為JRXB(其掃描精度可達到±0.015 mm)；選擇JR三維數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件，能夠很好地進行點云拼接(拼接精度達到±0.04 mm/m)；借助強大的逆向三維造型設(shè)計軟件Geomagic Studio對得到的點云數(shù)據(jù)進行精簡和曲面重構(gòu)及優(yōu)化；最后利用三維CAD/CAM軟件UG NX完成汽車車身模型建立及分析。

1.2 測量死區(qū)

測量死區(qū)即無法測量的區(qū)域。任何測量設(shè)備的工作方式會不同程度地受到原理或者是測量環(huán)境的干擾。有的干擾是微小的，可以通過改變測量方法、測量角度、光照或測量參數(shù)等來避免；但有的干擾是無法避免的。

圖1 測量死區(qū)示意圖

圖2 某型號國產(chǎn)汽車

如圖1所示，當(dāng)結(jié)構(gòu)光發(fā)生器從豎直方向投射光線時，理論上能夠測量到B面，但是受攝像機與光發(fā)生器位置關(guān)系的影響，實際測量到的可能只是B面的一部分。如果從左右兩側(cè)以某個角度a投射，理論上可以測得A、B面和B、C面，但是受A面和C面的遮擋影響，實際得到的可能只是A面或C面的一部分。由于被測樣件本身的幾何形狀或拓撲結(jié)構(gòu)導(dǎo)致某些部分的測量數(shù)據(jù)不易獲取，我們把這種區(qū)域或者類似的區(qū)域稱為“測量死區(qū)”[7]。

1.3 汽車車身分析

本次掃描的某型號國產(chǎn)汽車如圖2所示。通過對其車身外殼的觀察與分析，頭部和尾翼部分較為復(fù)雜有可能形成測量死區(qū)，需要多次掃描；車身部分較為簡單，一次掃描即可完成；同時此型號汽車車身關(guān)于中間平面對稱，所以可以只掃描其中一半，建模后鏡像即可；而油箱蓋部分則可以在UG中通過曲面建模修補補全。

1.4 掃描及前處理

在進行逆向設(shè)計中，三維掃描是最基本的一步，是獲得原始點云數(shù)據(jù)最直接和最理想的方法。原始點云數(shù)據(jù)是后續(xù)逆向處理的根本依據(jù)，因此三維掃描得到點云數(shù)據(jù)的好壞直接影響到逆向建模的成功與否。在進行掃描之前需要對掃描儀進行前處理，如確定標(biāo)定數(shù)據(jù)、調(diào)整拍攝距離、調(diào)整相機亮度和標(biāo)定系統(tǒng)等。其中調(diào)整距離和亮度分別使一次性拍攝范圍更廣和拍攝效果更清晰；而標(biāo)定系統(tǒng)則使得拍攝效果更好同時具有好的一致性，標(biāo)定系統(tǒng)過程如圖3所示。本次掃描分為3個部分(頭部、車身中部、尾翼)，分3次掃描完成。掃描完后將3部分點云數(shù)據(jù)在JR三維數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件中進行拼接，得到如圖4所示點云數(shù)據(jù)，最后把所得數(shù)據(jù)輸出為.asc或.ply格式文件。

圖3 標(biāo)定系統(tǒng)過程

圖4 車身點云數(shù)據(jù)

2 車身表面數(shù)據(jù)處理

在Geomagic Studio軟件中對汽車車身數(shù)據(jù)處理主要包括：簡化數(shù)據(jù)、清除噪點和補洞、面片光順、生成曲面等。

2.1 清除噪點和補洞

圖5 補洞效果圖

圖6 光順處理效果圖

2.2 多邊形處理

在修復(fù)完孔洞后，模型的表面還是有許多不平整的多邊形曲面片。其中有一部分是車身外殼具有的特征，另外一些則是掃描時光線的反射因素和數(shù)據(jù)點精簡時所造成的，屬于模型表面質(zhì)量不平順問題。后者可以利用Geomagic中的去除特征、砂紙、邊界編輯、邊界松弛等命令對模型的表面進行面片光順處理。處理后可以發(fā)現(xiàn)車身模型面部的波紋明顯減弱，如圖6所示。

2.3 生成曲面

在Geomagic Studio軟件中初步生成車身曲面模型，為后續(xù)車身在UG中建模做好準(zhǔn)備，是很關(guān)鍵的一步，最終形成的曲面精度與此時生成的曲面有很大的關(guān)系，所以選擇合理的曲面造型技術(shù)進行曲面擬合很關(guān)鍵。NURBS曲面構(gòu)造技術(shù)，利用函數(shù)方法建立曲面的數(shù)學(xué)模型，然后在曲面上構(gòu)造拓撲矩形網(wǎng)格，交互定義特征線，利用矩形數(shù)據(jù)網(wǎng)格構(gòu)造出曲面。本文基于NURBS曲面造型法，充分利用其局部形狀控制和幾何不變性等優(yōu)勢，將汽車車身分成若干個封閉、光滑的曲面，再將各分塊曲面通過延伸、裁剪、過渡連接、光順等處理，生成車身初步曲面模型過程如圖7和8所示。最后將車身曲面和點云數(shù)據(jù)分別另存為.igs格式(曲面保存時注意刪除原有點云，以便UG中處理更快捷)。

圖7 曲面階段

圖9 導(dǎo)入后UG曲面

3 車身曲面逆向建模

3.1 UG曲面處理

在三維建模軟件UG中導(dǎo)入之前保存的.igs格式車身曲面模型文件，并進入曲面設(shè)計模塊，如圖9所示。

可以看到曲面仍有許多破面，這是由于采用標(biāo)準(zhǔn)格式在不同軟件間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，會有一部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。在UG中利用曲面工具對曲面進行修補縫合，裁剪掉不光順和重復(fù)多余的曲面，并建立曲面修補破面和油箱蓋表面，保證每一個曲面均邊界連續(xù)、無空洞，同時曲面之間的連接關(guān)系均相切。最后將所有的面縫合成一個整體，便于以后對曲面進行編輯和處理。由汽車車身的兩側(cè)對稱性，將縫合后的曲面鏡像生成另一半并合并曲面。處理后的車身曲面如圖10和11所示。

圖10 處理后的曲面

圖11 車身最終曲面模型

圖12 車身曲面質(zhì)量分析

3.2 曲面質(zhì)量分析

完成車身曲面建模后，在UG中進行曲面分析，得到結(jié)果如圖12所示。將原始點云數(shù)據(jù)與所得車身曲面對比分析可知，車身曲面誤差最大處達到0.3 mm，其他平緩部位誤差在0.05 mm以內(nèi)，相對于車身整體尺寸來說可以忽略不計。曲面質(zhì)量最差的地方發(fā)生在結(jié)構(gòu)復(fù)雜處和曲面過渡結(jié)合處。車身表面這些部位的曲率較大，掃描時由于光線、拍攝角度等問題存在一定的變形，得到的數(shù)據(jù)點過于密集且存在一定誤差，所以產(chǎn)生較大的偏差并影響了曲面的質(zhì)量，可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決。

4 結(jié)語

車身設(shè)計在整車的設(shè)計與制造過程中占據(jù)重要地位，隨著逆向造型技術(shù)的不斷發(fā)展，其在現(xiàn)代汽車車身設(shè)計中應(yīng)用越來越廣泛。本文運用逆向建模技術(shù)實現(xiàn)了某型號國產(chǎn)汽車車身的逆向建模設(shè)計，采用三維光學(xué)掃描儀采集車身表面數(shù)據(jù)點云，并利用Geomagic Studio軟件對采集的點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，最后在UG NX中完成了車身曲面三維模型建立和曲面質(zhì)量分析，分析結(jié)果表明本次模型設(shè)計合理。可以為后續(xù)汽車車身的優(yōu)化設(shè)計做準(zhǔn)備，為實際汽車車型設(shè)計和型號改造提供參考。

[1] 王宏雁,陳君毅.汽車車身設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2009.

[2] 許家川,王翠萍.汽車車身計算機輔助設(shè)計[M].北京:北京大學(xué)出版社,2012.

[3] 徐智欽,孫長庫.3D逆向工程技術(shù)[M].北京:中國計量出版社,2002.

[4] 林有娣.汽車車身逆向工程關(guān)鍵技術(shù)的研究及應(yīng)用[D].北京:北京信息科技大學(xué),2008:4-63.

[5] 張鵬,程永奇,肖金.基于液面的玩具汽車外殼逆向設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造,2009(5):163-165.

[6] 趙毅,王明輝.基于Geomagic Studio的汽車連桿鍛件逆向建模技術(shù)[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2007(10):60-62.

[7] 王宏濤,周儒榮,張麗艷.現(xiàn)代測量方法在逆向工程數(shù)據(jù)采集技術(shù)中的應(yīng)用[J].航空計測技術(shù),2003,23(4):1-4.

[8] 張文建,張琦.基于CATIA V5的汽車車身逆向設(shè)計[J].機械,2010,37(7):48-50.

[9] 劉文祥.基于逆向工程的現(xiàn)代車身設(shè)計方法的研究和應(yīng)用[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.

[10] 張瑞乾,孫平.汽車車身逆向工程設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2009(6):83-86.

ResearchonReverseModelingTechnologyforAutoBodybasedonGeomagicStudio

ZENGLinlin*,ZHOULiping,LIUXiaoying

(School of Mechanical Engineering and Automation, Xihua University, Chengdu 610039, China)

Auto body, as one of the four auto assemblies, always is the difficult one in the design and manufacture of a vehicle due to the complexity and particularity of its shape and structure. Using the combination of three-dimensional software and reverse modeling method to design and optimize auto body can greatly reduce the automobile design and manufacturing cycle. Firstly, the reverse modeling technology of a auto body is studied. Secondly, surface cloud data of a car made in China are measured and obtained using an optical scanner. Then, the measured data are processed using Geomagic software, and the auto body surface is reconstructed based on NURBS surface modeling. Finally, the surface modeling and analysis of auto body are conducted in software UG. The research is prepared for the subsequent structure optimization design of the auto body.

auto body ; reverse design ; Geomagic ; surface modeling

2013-10-17

省部共建教育部重點實驗室項目“葉輪類零件加工過程的數(shù)值仿真技術(shù)研究”(SBZDPY-11-22)；四川省教育廳重點科研資助項目(2004A111)

曾林林(1989- )，男(漢族)，四川內(nèi)江人，在讀碩士研究生，研究方向：金屬切削原理及刀具應(yīng)用，通信作者郵箱：zeng_lin_lin@163.com。

周利平(1964- )，男(漢族)，四川達州人，教授，研究方向：制造過程的數(shù)值仿真技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)等。

TP391;U270.3

A

2095-5383(2013)04-0048-04