龔運(yùn)息，覃敏

（1.重型車輛零部件先進(jìn)設(shè)計(jì)制造教育部工程研究中心（廣西科技大學(xué)），廣西柳州545006；2.柳州五菱汽車工業(yè)有限公司技術(shù)中心，廣西柳州545007）

基于反求工程的某MPV車身A面建模與分析

龔運(yùn)息1，覃敏2

（1.重型車輛零部件先進(jìn)設(shè)計(jì)制造教育部工程研究中心（廣西科技大學(xué)），廣西柳州545006；2.柳州五菱汽車工業(yè)有限公司技術(shù)中心，廣西柳州545007）

以某MPV車型車身A面建模為研究對(duì)象，簡(jiǎn)述了反求工程以及A級(jí)曲面的基本概念、A級(jí)曲面的建模要求和重構(gòu)流程.提出了按特征劃分點(diǎn)云，按特征分塊構(gòu)造曲面，曲面拼接的方法，并以MPV車身掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)為依據(jù)，運(yùn)用反求設(shè)計(jì)軟件，完成MPV車型車身A面的重構(gòu)設(shè)計(jì).通過(guò)對(duì)曲面光順性、連續(xù)性檢查，驗(yàn)證分析了重構(gòu)曲面與A級(jí)曲面標(biāo)準(zhǔn)的符合性.A級(jí)曲面的反求設(shè)計(jì)證明反求工程可以作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的一種特別的技術(shù)手段，為解決車身A面建模提供了一條有效的途徑.

反求工程；MPV車身；A面建模；曲面分析

0　引言

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理、圖形的重構(gòu)能力大大提高.以測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)、曲面重構(gòu)技術(shù)為核心的反求工程技術(shù)，在汽車新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到了有效應(yīng)用.這些應(yīng)用研究一般集中于車身模型造型和零部件結(jié)構(gòu)造型［1］，鮮有以高質(zhì)量車身A面標(biāo)準(zhǔn)為研究對(duì)象開展的反求工程技術(shù)應(yīng)用的研究.車身A面建模是汽車新車型設(shè)計(jì)開發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，A面定義和約束了車身外表面輪廓，是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前期工作.在MPV（Multi Purpose Vehicle，多用途車）車身A面建模中，導(dǎo)入反求工程技術(shù)，將開辟A面建模的一種特別的途徑，其核心是將現(xiàn)有模型或樣車外表面輪廓數(shù)字化，通過(guò)再設(shè)計(jì)獲得一個(gè)新的車身數(shù)字化模型.因?yàn)橛辛爽F(xiàn)有模型（樣車）做繼承性的參考，對(duì)車型改款及形成系列化更為便利，可以降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn).

1　A級(jí)曲面的定義及建模要求

1.1A級(jí)曲面的定義

A面（Surface A）全稱A級(jí)曲面（Class-A-Surface）.在學(xué)術(shù)界以及汽車廠家對(duì)車身A級(jí)曲面的定義，略有不同，但取得了比較廣泛的共識(shí).所謂車身A級(jí)曲面，是指必須滿足相鄰曲面間的間隙在0.005mm以下，切率改變?cè)?.16°以下，曲率改變?cè)?.005°以下數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)的一組整體車身曲面.A級(jí)曲面確保了車身外表面鈑金在環(huán)境反射下流暢光順.以美學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)判定，就是模擬光照射到曲面上，光線表現(xiàn)出平順、光滑、流暢的視覺(jué)感受，不會(huì)出現(xiàn)凸起或凹陷的情形［2］.A級(jí)曲面是曲面品質(zhì)最高的曲面，用于定義車身外蒙皮或車身外覆蓋件零件表面質(zhì)量要求.依次，用B級(jí)曲面、C級(jí)曲面定義車身內(nèi)覆蓋件以及外表面質(zhì)量不高的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件.

通常用曲面連續(xù)性來(lái)判定相互連接的曲面之間過(guò)渡的光滑（光順）程度.曲面的連續(xù)性通常分為5個(gè)等級(jí)，用符號(hào)表示為：G0——位置連續(xù)，G1——切線連續(xù)，G2——曲率連續(xù)，G3——曲率變化率連續(xù)，G4——曲率變化率的變化率連續(xù)［3］.一般認(rèn)為滿足G2曲率連續(xù)即達(dá)到A面建模要求.更高的A面質(zhì)量是達(dá)到G3或G4要求，表面更加光滑流暢.但在車身反求設(shè)計(jì)實(shí)踐中，考慮到點(diǎn)云擬合精度、曲面重構(gòu)的難度，以及制造成本的增加，一般無(wú)需達(dá)到G3或G4要求.

1.2A級(jí)曲面建模的評(píng)價(jià)指標(biāo)

多年來(lái)，在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)領(lǐng)域，車身CAD設(shè)計(jì)的實(shí)踐為A級(jí)曲面的建模積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，歸納、總結(jié)行業(yè)認(rèn)可的A級(jí)曲面建模一般評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所述.

表1　A級(jí)曲面建模評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 E valuating indicator of surface Amodeling

2　MPV車身A級(jí)曲面的重構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1曲面構(gòu)建的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

常用的曲面重構(gòu)方法主要有2種：1）以構(gòu)造三角曲面為特點(diǎn)的Beizer曲面造型方法；2）以構(gòu)造矩形參數(shù)曲面為特點(diǎn)的NURBS（非均勻有理B樣條）曲面擬合.以Beizer和B－spline方法為基礎(chǔ)建立的非均勻有理B樣條NURBS曲面重構(gòu)算法，能較好地實(shí)現(xiàn)解析幾何與自由曲線、自由曲面的統(tǒng)一，成為CAD／CAM軟件曲面數(shù)學(xué)算法和建模的主流.NURBS曲面的數(shù)學(xué)模型［4］如下：

式（1）中：Pij（i＝0，1，2，…，n；j＝＝0，1，2，…，m）為給定的網(wǎng)格控制頂點(diǎn)；Ni，p（u），Nj，q（v）分別為p次和q次B樣條基函數(shù)；wij為與控制頂點(diǎn)相關(guān)的權(quán)因子.

在反求設(shè)計(jì)軟件中，曲面經(jīng)過(guò)優(yōu)化、整理后自動(dòng)創(chuàng)建網(wǎng)格線，在每一塊曲面內(nèi)自動(dòng)生成U，V控制線.

2.2基于反求工程的A級(jí)曲面建模流程

在反求工程設(shè)計(jì)導(dǎo)入之前，我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般是正向設(shè)計(jì).車身正向設(shè)計(jì)的過(guò)程，是設(shè)計(jì)人員首先在大腦中構(gòu)思產(chǎn)品的外形，然后通過(guò)繪制車身草圖、車身效果圖，設(shè)計(jì)構(gòu)建產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型的過(guò)程.

而基于反求工程的車身設(shè)計(jì)建模，是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型或標(biāo)桿樣車，反向設(shè)計(jì)給出產(chǎn)品數(shù)據(jù)（包括設(shè)計(jì)圖紙或數(shù)字模型）的過(guò)程.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展，基于測(cè)量數(shù)據(jù)的車身造型技術(shù)成為反求工程技術(shù)的主要應(yīng)用方向.通過(guò)數(shù)字化測(cè)量設(shè)備（如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、光學(xué)測(cè)量設(shè)備等）獲取已有的產(chǎn)品模型或樣車表面的空間數(shù)據(jù)，再利用反求工程技術(shù)和軟件建立產(chǎn)品的三維模型.一般的基于反求工程的A級(jí)曲面建模流程如圖1所示.

圖1　A面的反求建模流程圖Fig.1 Reverse engineering flow－process of surface A

2.3MPV車身A級(jí)曲面的重構(gòu)方法

基于上述A面流程，點(diǎn)云的獲取，是來(lái)自ATOSII光學(xué)掃描測(cè)量系統(tǒng).測(cè)量對(duì)象為某MPV標(biāo)桿樣車車身，通過(guò)ATOSII光學(xué)掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)標(biāo)桿樣車車身外表面進(jìn)行掃描測(cè)量，獲得車身外表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)［5］.把車身點(diǎn)云數(shù)據(jù)變成車身三維CAD模型，需要一系列的曲面重構(gòu)、曲面分析和檢查、設(shè)計(jì)評(píng)審和修改等過(guò)程.曲面重構(gòu)、曲面分析和檢查的工具，即反求工程軟件的應(yīng)用，是A級(jí)曲面反求工程設(shè)計(jì)的核心.在此使用的是著名的反求工程軟件Imageware，Imageware軟件具有強(qiáng)大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測(cè)等功能，可以處理幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)的超大點(diǎn)云數(shù)據(jù)［6］.根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A級(jí)曲面具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性.

Imageware現(xiàn)已經(jīng)集成于UGNX軟件模塊系統(tǒng).Imageware軟件中的曲面主要用NURBS表示，其次也用B-spline表示.定義曲面的參數(shù)包括正負(fù)法矢、UV方向、節(jié)點(diǎn)、跨距、控制點(diǎn)、階次及剪裁恢復(fù)性質(zhì)等. Imageware的模型檢測(cè)功能比較強(qiáng)大，可以直觀、方便地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)之間的誤差，以及測(cè)定平面度、圓度等幾何誤差［7］.

1）點(diǎn)云的輸入與處理

將ATOS光學(xué)掃描測(cè)量獲取的車身外表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以STL文件格式輸入到Imageware.由于數(shù)據(jù)龐大，必須對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化處理.數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化（Data reduction），通常的做法就是使用Modify||Data Reduction|| Space Sampling命令，設(shè)定distance tolerance為0.10mm，在指定的鄰域空間中簡(jiǎn)化點(diǎn)云，以及去除重疊點(diǎn).處理之后，點(diǎn)云被均勻精簡(jiǎn)了40％，可以使得最終做出的曲面精度達(dá)到0.10mm要求.

數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化完成后，接著進(jìn)行坐標(biāo)對(duì)齊.因輸入的數(shù)據(jù)是基于測(cè)量設(shè)備的局部坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系不是車身坐標(biāo)系.輸入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系要與在Imageware中建立的車身坐標(biāo)系對(duì)齊，確保一個(gè)完整的車身外表面三維數(shù)據(jù)處于同一車身坐標(biāo)系下.點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)對(duì)齊，可以采取的方法有3-2-1法、最佳擬合法、交叉法、混合法等，根據(jù)實(shí)際情況合理使用.點(diǎn)云坐標(biāo)對(duì)齊的誤差要求≤0.05mm.

圖2　全車身外表面點(diǎn)云Fig.2 Car body surface point clouds

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化和坐標(biāo)對(duì)齊后的全車身外表面點(diǎn)云如圖2所示.

2）車身外表面三維數(shù)據(jù)的分割

車身外表面三維數(shù)據(jù)量大，不能簡(jiǎn)單地做一次性處理和一次性重構(gòu)車身曲面.需要對(duì)車身點(diǎn)云數(shù)據(jù)做分塊處理.分塊處理的方法，一是根據(jù)車身的外表面特征形狀進(jìn)行分割；二是采用計(jì)算曲率進(jìn)行分割，即通過(guò)計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)的曲率找到尖邊區(qū)域及邊線，以此作為邊界進(jìn)行區(qū)域劃分［8］.大面的分塊可以劃分為頂棚、左右側(cè)圍、前圍、后圍等大區(qū)域，各大區(qū)域點(diǎn)云要求在同一坐標(biāo)系中分別做曲面重構(gòu)，以便最后拼接各大區(qū)域所有分塊數(shù)據(jù)，做整體車身光順處理.以左側(cè)圍為例，如圖3所示為被劃分出來(lái)的左側(cè)圍點(diǎn)云.

3）構(gòu)建曲面

車身曲面是復(fù)雜的空間自由曲面，為減少車身風(fēng)阻，車身設(shè)計(jì)建模呈流線與光順，是車身曲面的顯著特點(diǎn).車身曲面的設(shè)計(jì)建模依據(jù)參數(shù)化造型方法，結(jié)合車身的外形特征，車身曲面需采用分塊建模的方法.即，在同一坐標(biāo)系下，把車身曲面劃分為若干個(gè)容易處理的曲面塊，對(duì)各部分特征表面采取分塊造型，最后再總裝配到一起.

Imageware曲面構(gòu)建的方式主要有4種：直接構(gòu)建基本曲面、基于曲線的曲面構(gòu)建、基于測(cè)量點(diǎn)直接擬合的曲面構(gòu)建、基于測(cè)量點(diǎn)和曲線的曲面構(gòu)建.基于車身外表面的特點(diǎn)，曲面構(gòu)建的方式主要用后面3種.在此以左側(cè)圍的曲面構(gòu)建為例，對(duì)左側(cè)圍點(diǎn)云某區(qū)域等距截取斷面線，獲得一族斷面點(diǎn)云，據(jù)根斷面點(diǎn)云進(jìn)行曲線和曲面構(gòu)建.車身工程師提取截面線與點(diǎn)云作比較，指導(dǎo)曲面編輯，使曲面能夠擬和點(diǎn)云.這是一個(gè)交互式的無(wú)限逼近的過(guò)程，需要通過(guò)軟件的Molding Option功能來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)觀察.在調(diào)整控制點(diǎn)時(shí)，依次調(diào)整一個(gè)方向的控制點(diǎn)，使其與點(diǎn)云貼近，之后再調(diào)整其他方向.做曲面調(diào)整時(shí)，結(jié)合使用曲面診斷工具，用等距截面線的曲率梳進(jìn)行檢測(cè)，直至達(dá)到各截面線的曲率梳呈均勻變化趨勢(shì)，對(duì)曲面品質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制.如圖4所示.

圖3　分解出來(lái)的左側(cè)圍點(diǎn)云Fig.3 Left side panel point clouds

圖4　構(gòu)建曲面Fig.4 Constructing surface

4）曲面連接和連續(xù)性分析

在車身A級(jí)曲面重構(gòu)過(guò)程中，如前所述，首先是對(duì)車身外表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)按形狀特征做分割處理.分割的每一塊大面的區(qū)域還需分成幾塊面來(lái)構(gòu)建，這是因?yàn)橛靡粔K曲面構(gòu)建，獲得的曲面不能滿足A級(jí)曲面所要求階數(shù)控制，以及曲率變化等要求.如圖5所示，把這一區(qū)域分成3塊面，借助Imageware軟件的Match功能約束相鄰曲面間的連續(xù)性，即對(duì)話框勾選選項(xiàng)：√Position、√Tangent、√Curvature.并用Multisurface Continuity功能實(shí)時(shí)檢測(cè)它們的連續(xù)性指標(biāo).在Imageware軟件中，分別用Position，Tangent和Curvature代表G0，G1和G2.連續(xù)性檢測(cè)的結(jié)果為Position＝0.001mm，Tangent＝0.050°，Curvature＝0.001°，分別達(dá)到A級(jí)曲面連接所要求的公差范圍，即G0≤0.005 mm，G1≤0.16°，G2≤0.005°的要求，如圖6所示.表2列舉了幾塊大面的連續(xù)性指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，數(shù)模圖示省略.其他面的續(xù)性指標(biāo)檢查和分析方法相同，在此也不一一列舉.

圖5　約束相鄰曲面間的連續(xù)性Fig.5 Restrict the continuous of adjacent surfaces

圖6　檢查曲面的連續(xù)性Fig.6 Inspecting the surfaces continuous

表2　幾大面的連續(xù)性指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Continuous detection result of several large surfaces

5）曲面光順性檢查

曲面重構(gòu)完成后，要檢查和分析曲面的光順性.

曲面的光順性分析主要內(nèi)容和順序?yàn)椋孩贆z查各曲面之間以及倒圓角連接的連續(xù)性，連續(xù)性數(shù)值滿足A級(jí)曲面所要求的數(shù)值范圍內(nèi)；②上光檢查（Shade）.通過(guò)旋轉(zhuǎn)數(shù)?；蜃儞Q光源角度來(lái)檢查數(shù)模的光影效果，觀察表面是否存在局部凸起或凹陷，以及層疊或扭曲等質(zhì)量缺陷.③斑馬線檢查（亦稱等照度線，Isophote）.模擬一組平行的光源，以此產(chǎn)生的光影反射線照射到被檢查曲面，曲面呈現(xiàn)流暢造形.執(zhí)行檢測(cè)的結(jié)果顯示，該車身曲面斑馬線的走向及寬窄變化均勻，斑馬線相連，且在連接處呈現(xiàn)一個(gè)光順過(guò)渡，沒(méi)有產(chǎn)生尖銳的拐角，也沒(méi)有錯(cuò)位，最終達(dá)到A級(jí)曲面的要求，如圖7所示.

6）車身A面的總裝配

按照車身曲面重構(gòu)的方法和步驟，在完成頂棚、左／右側(cè)圍、前圍、后圍等大區(qū)域的曲面重構(gòu)后，調(diào)取各大區(qū)域的曲面，進(jìn)行總裝縫合，總體檢查，最終獲得整體車身A面數(shù)模.通過(guò)旋轉(zhuǎn)模型或變換光源角度來(lái)檢查車身數(shù)模的光影效果，整體車身表面沒(méi)有局部凸起或凹陷，以及層疊或扭曲等質(zhì)量缺陷，車身數(shù)模光順流暢，如圖8所示.

3　結(jié)論

通過(guò)研究，可得出如下結(jié)論：1）基于反求工程的MPV車身A面建模，滿足了A級(jí)曲面建模一般評(píng)價(jià)指標(biāo)要求；2）A級(jí)曲面的反求設(shè)計(jì)，證明反求工程可以作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的一種特別的技術(shù)手段，為解決車身A面建模提供了一條有效途徑；3）反求工程因省略了正向設(shè)計(jì)過(guò)程中的車身外形構(gòu)思、車身圖草繪、車身效果圖設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，可以縮短開發(fā)周期.隨著產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜化、多元化、個(gè)性化，由此展望反求工程技術(shù)的發(fā)展，車身A級(jí)曲面的建模，將不僅僅依賴反求工程技術(shù)，更多的是正向設(shè)計(jì)與反求設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用，甚至對(duì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，導(dǎo)入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)建模方法［9－10］，以此強(qiáng)化反求功能，更好地開發(fā)出原創(chuàng)性與實(shí)用性兼?zhèn)涞目蛻魸M意的汽車產(chǎn)品.

圖7　檢查曲面的光順性Fig.7 Inspecting the surfaces smoothness

圖8　整體車身A面數(shù)模Fig.8 Surface A date－model of whole car body

［1］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(jì)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械制造，2006，44（8）：20－21.

［2］奇瑞汽車有限公司.Q／SOR.04.059－2006汽車A級(jí)曲面評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)［Z］.

［3］武振鋒，朱黎.空間曲面連續(xù)性的分類及其數(shù)學(xué)解釋［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28（2）：5－8.

［4］王正如，梁晉，王立忠.基于逆向工程的汽車覆蓋件CAD建模技術(shù)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（7）：106－108.

［5］龔運(yùn)息.逆向工程及3D打印技術(shù)在微車發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇開發(fā)中的集成應(yīng)用［J］.科技與企業(yè)，2013（17）：299－300.

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［7］姜元慶，劉佩軍.UG／Imageware逆向工程培訓(xùn)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［8］周煜，杜發(fā)榮，高峰，等.汽車覆蓋件逆向設(shè)計(jì)方法［J］.汽車技術(shù)，2006（10）：6－9.

［9］諶炎輝，胡義華，陳岳坪.基于UG的系列產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，19（3）：27－30.

［10］陳岳坪，諶炎輝，許淑慧，等.用參數(shù)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)相貫線變化的動(dòng)態(tài)仿真［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，19（3）：20－22.

（學(xué)科編輯：黎婭）

A MPV car body surface A modeling and analysis based on reverse engineering

GONG Yun-xi1,QIN Min2
（1.Engineering Research Center of Advanced Design and Manufacturing Technology of Heavy Vehicle Components(Guangxi University of Science and Technology),Ministry of Education，Liuzhou 545006,China；2.Technology Center，Liuzhou Wuling Automobile Industry Co.,Ltd.，Liuzhou 545007,China）

Taking surface A design of a MPV car body as an example,the basic concepts of reverse engineering and class-A-surface,the design requirements and reconstruction process of class-A-surface were sketched.The methods that dividing point cloud,blocking surface construction and surface merging according to the characteristics were proposed,after that,the MPV car body surface A reconstruction was completed by using reverse design software.The compliance between reconstruction surface and class-A-surface standard was verified through surface smoothness and consistency check.The reverse design of class-A-surface proved that reverse engineering can be used as a special technology of product design and development,it can provide an effective way for the design of car body surface A.

reverse engineering；MPV car body；surface A modeling；surface analysis

U463.82

A

2095-7335（2016）03-0033-06

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.03.006

2016-01-07

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科能0907013）資助.

龔運(yùn)息，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：汽車和機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)制造，E-mail：gyx863＠163.com.