張超敏張庭芳，何新毅，謝世坤，王千亮

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基于Geomagic某款汽車模型車身逆向造型設(shè)計

張超敏1,*張庭芳1，何新毅1，謝世坤1,2，王千亮1

（1.南昌大學機電工程學院車輛工程研究所，江西，南昌330031；2.井岡山大學機電工程學院，江西，吉安343009）

逆向工程是基于現(xiàn)有的產(chǎn)品進行再設(shè)計，再生產(chǎn)，可以縮短研發(fā)周期、節(jié)省研發(fā)經(jīng)費、提高產(chǎn)品效益，是現(xiàn)代設(shè)計非常重要的研究手段。通過激光抄數(shù)機掃描測量得到保時捷汽車模型車身的點云數(shù)據(jù)，然后使用Geomagic Studio軟件對測取的點云進行優(yōu)化處理，并進行多邊形階段的編輯及形狀階段的處理，構(gòu)建出完整的NURBS曲面，最后對生成的車身曲面進行偏差分析，得到能用于CAD/CAM階段的車身曲面模型。結(jié)果表明，該研究方法可以作為車身設(shè)計的一種有效的方法。

逆向工程；車身點云；Geomagic Studio；NURBS曲面；偏差分析

汽車車身設(shè)計是汽車發(fā)展非常重要的篇章，它不僅僅代表著汽車的外貌美觀，影響人們的視覺，而且會影響汽車行駛?cè)加徒?jīng)濟性和安全性。由于汽車是個很復雜的空間薄壁殼體，所以按傳統(tǒng)設(shè)計方法，會使其設(shè)計時間很長，效率很低。為了有效地縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和提高效率，實現(xiàn)從實物到幾何模型的直接轉(zhuǎn)換，人們逐漸開始摸索新的產(chǎn)品開發(fā)方法。逆向工程概念就是在這樣的大環(huán)境下出現(xiàn)的。

逆向工程(reverse engineering)是指在已有實物的前提下，通過儀器獲取實物原型的表面數(shù)據(jù)，提取其幾何特征，重建實物原型CAD模型[1]，然后將這些模型用于產(chǎn)品的分析設(shè)計和加工制造過程。目前，由于逆向工程本身固有的優(yōu)勢和逐漸成熟的技術(shù)，使得其在航空、造船、汽車等現(xiàn)代制造業(yè)的各個領(lǐng)域中都得到廣泛的應用[2]。

對某款保時捷汽車模型進行車身逆向造型設(shè)計研究思路如圖1所示。

圖1 本文研究內(nèi)容流程圖

1 點云數(shù)據(jù)的采集與處理

1.1 點云數(shù)據(jù)采集

在產(chǎn)品的逆向開發(fā)中，主要通過三坐標測量機來獲取樣件的三維數(shù)據(jù)。三坐標測量機分為接觸式和非接觸式兩種[3]，文中采用非接觸式三坐標測量，使用智泰精密儀器有限公司的3D Family激光抄數(shù)機對汽車車身點云數(shù)據(jù)進行采集，如圖2和圖3所示。

圖2 保時捷車模原型

圖3 抄數(shù)機掃描車身

Fig.3 Scanning car body by a laser scanner

文中主要采集模型的頂部、側(cè)面、前部和尾部四個地方的點云，采集結(jié)果如圖4所示。

圖4 模型四大點云

1.2 點云數(shù)據(jù)分析與處理

在測量時，由于光線的作用、測量儀器的本身因素和操作水平等因素，導致采入的數(shù)據(jù)都不可避免地會帶入雜點，特別是尖角和邊界附近較為明顯。另外，激光掃描所獲取的海量數(shù)據(jù)，會嚴重影響曲面重建算法的效率[4-5]，因而必須對其進行數(shù)據(jù)處理。

其主要的預處理工作包括：去除噪聲點、數(shù)據(jù)精簡、多視點云的對齊拼接。最后得到結(jié)果如圖5所示。

圖5 拼接后的點云圖

由于拼接后的點云模型只有右側(cè)面點云，根據(jù)汽車車身的左右對稱原理，需要將右側(cè)面點云鏡像到左側(cè)面去，如圖6所示。

圖6車身左右對稱

Fig.6 Symmetrical car body

鏡像后的模型不免會出現(xiàn)一些重合誤差的雜點。所以還要對其進行去除雜點、不規(guī)則點和封裝處理。得到結(jié)果如圖7所示。

圖7 對點云模型進行封裝后

2 多邊形編輯操作

2.1多邊形的修補

經(jīng)過上述的點云數(shù)據(jù)處理后，雖然得到比較完整的點云圖，但是車身還是存在很多孔洞需要修補?？梢赃\用網(wǎng)格醫(yī)生和填充孔命令一起來完成。效果如圖8和圖9所示。

圖8 網(wǎng)格醫(yī)生填充小孔示意圖

圖9 填充孔命令修補

2. 2多邊形的優(yōu)化

在經(jīng)過多邊形孔洞修補的模型中，邊界線總不免存在曲折錯亂不規(guī)律、腫塊和壓痕以及與車身無關(guān)的特征項。比如車門處的數(shù)字符號“08”等，都是一些無關(guān)特征項，對此需要進行編輯優(yōu)化和特征去除處理。得到結(jié)果如圖10所示。

圖10 特征處理前后對比圖

此外，經(jīng)過上述處理后的模型，車身輪廓線還不好提取，需要進行銳化操作，用以加強輪廓線等功能，輪廓線編輯操作把輪廓線抽取出來，便于后面曲面構(gòu)建。如圖11和圖12所示。

圖11 銳化時高曲率計算圖

圖12 輪廓線編輯

3 NURBS曲面的構(gòu)建與分析

3.1 曲面的建立

因為掃描點云（STL）的表面質(zhì)量較差且面過多，而且最終形成的曲面精度與此時生成的曲面有很大的關(guān)系，所以需要經(jīng)過形狀階段處理得到質(zhì)量較好且面較少的 NURBS 曲面。

其主要的處理技術(shù)是：1、輪廓線處理，主要命令有探測輪廓線和曲率、編輯輪廓線[6]。處理結(jié)果如圖13所示。

2、曲面片處理，主要命令有構(gòu)造曲面片、松弛曲面片、移動曲面片。處理結(jié)果如圖14所示。

3、柵格處理，主要命令有構(gòu)造柵格。處理結(jié)果如圖15所示。

4、NURBS曲面處理，主要命令有擬合曲面、合并曲面。處理結(jié)果如圖16所示。

在曲面生成后，還需要檢查曲面高斯曲率，如果曲率不符合要求，應該要對特征曲線和曲面重新編輯處理，直到滿足要求為止[7]。

最后得到的 NURBS 曲面能作為 IGES/STEP文件輸出，并可輸入任何 CAD/CAM 系統(tǒng)中[8]。

圖13 輪廓線修改編輯

圖14 曲面片處理

圖15 柵格處理

圖16 擬合曲面

零件的曲面模型創(chuàng)建完成后，可以使用Shell命令來對曲面進行增厚。這樣操作生成的就是零件實體模型。

3.2曲面偏差分析

偏差分析是探測數(shù)據(jù)現(xiàn)狀、歷史記錄或標準之間的顯著變化和偏離。為了檢查擬合生成的曲面是否符合設(shè)計要求，需要對生成的曲面與原始點云數(shù)據(jù)進行3D比較。圖17所示為NUBRS曲面偏差分析結(jié)果。其中色譜分為11種顏色，綠色代表誤差允許范圍，向上顏色代表上偏差凸出部分，向下顏色代表下偏差凹陷部分[6]。由圖17我們可以直觀知道該設(shè)計符合要求。具體數(shù)值如下：最大偏差為0.360 mm，最小偏差為0.007 mm，標準偏差為0.011 mm，符合偏差要求。

圖17 NUBRS曲面偏差分析

4 結(jié)論

汽車車身設(shè)計是整車設(shè)計非常重要的篇章。文中采用逆向造型技術(shù)，打破傳統(tǒng)設(shè)計方法，快速有效地實現(xiàn)了保時捷汽車模型車身的逆向建模設(shè)計，而且最后對車身進行了偏差分析，結(jié)果也滿足要求。所以該方法可以作為汽車車身優(yōu)化設(shè)計的一種有效的參考方法。

[1] 金濤,童水光,顏永年.逆向工程技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[2] 彭燕軍,王霜,彭小歐.UG、Imageware 在逆向工程三維模型重構(gòu)中的應用研究[J].機械設(shè)計與制造，2011,5(5): 85-87.

[3] 周煜,杜發(fā)榮,高峰.基于Imageware軟件的汽車內(nèi)飾逆向設(shè)計方法[J].機械設(shè)計,2006,23(8):47-49.

[4] 陳黎卿,王繼先,劉忠存.逆向工程技術(shù)在汽車車身造型設(shè)計中的應用[J].機械制造，2006,44(8):20-21.

[5] 武振鋒,謝坤,陳周鋒.基于CATIA的轎車引擎蓋逆向設(shè)計與質(zhì)量評價[J].機械設(shè)計,2013,30(10):70-73.

[6] 吳家翀.逆向工程的關(guān)鍵步驟及主要技術(shù)[J].科技信息,2010(9):512-518.

[7] 胡影峰.Geomagic Studio軟件在逆向工程后處理中的應用[J].制造業(yè)自動化,2008,13(9):135-137.

[8] 李麗娟,高姍,林雪竹.基于Geomagic Qualify的工件偏差檢測技術(shù)[J].制造業(yè)自動化,2014,36(5):35-38.

REVERSE MODELING DESIGN FOR CAR BODY BASED ON GEOMAGIC

ZHANG Chao-min1,*ZHANG Ting-fang1, HE xin-yi1, XIE shi-kun1,2, WANG Qian-liang1

(1.School of Mechanical and Electric Engineering，Nanchang University，Nanchang, Jiangxi 330031, China；2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China;）

Reverse engineering, an approach to redesign and reconstruction the finished-product, is regarded as a crucial means of modern design. It can shorten the cycle of research, reduce the cost and improve the efficiency of products. Through a laser scanner measured a point-clouded datum of a Porsche car, we optimized the point cloud and edited in the Polygon stage and processed in the shape stage by the Geomagic Studio software. After these steps, a complete NURBS surface is built. Finally, by means of deviation analysis on the body surface, a surface model which can be used in CAD/CAM stage is produced. The results suggest that this research method can be used as an effective method to design the car body.

reverse engineering; car body point cloud; Geomagic Studio; NURBS surfaces; deviation analysis

1674-8085(2015)04-0055-04

TP391

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2015.04.010

2015-04-16；修改日期：2015-05-06

國家自然科學基金項目(51165010)；江西省高等學校科技落地計劃項目(KJLD14066)

張超敏(1992-)，男，江西吉安人，碩士生，主要從事汽車車身結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計研究(E-mail:1192211837@qq.com);

*張庭芳(1971-)，女，山東曲阜人，教授，博士，碩士生導師，主要從事鎂合金塑性成型和工藝控制及新能源汽車和汽車電子控制方向方面的研究(E-mail: tfzhang@ncu.edu.cn);

何新毅(1992-)，男，江西贛州人，碩士生，主要從事汽車車身結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計研究(E-mail:877920891@qq.com);

謝世坤(1973-)，男，江西吉安人，教授，博士，碩士生導師，主要從事輕合金材料成型工藝控制的研究(E-mail:xskun@163.com);

王千亮(1992-)，男，江西吉安人，主要從事汽車車身結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計研究(E-mail:jxjawql162332@qq.com).