陳建洲 吳婷

（嘉興學(xué)院，嘉興 314001）

主題詞：汽車覆蓋件 參數(shù)化 逆向工程 區(qū)域劃分 特征提取

1 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，以測量技術(shù)為基礎(chǔ)、曲面重構(gòu)技術(shù)為支撐的逆向工程(Reverse Engineering，RE)技術(shù)在汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。逆向工程[2]能夠快速而準(zhǔn)確地建立零件原型的數(shù)字化模型，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，是實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)手段[3]。汽車覆蓋件傳統(tǒng)的逆向設(shè)計(jì)流程是首先將通過掃描獲得的零件表面點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊，再通過對分塊數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線或曲面的擬合，將擬合得到的若干小曲面片通過拼接得到物體的各個面，從而重建出產(chǎn)品的數(shù)字化CAD模型[4-5]。然而，這種傳統(tǒng)的非參數(shù)化的逆向建模方法不利于進(jìn)一步的編輯修改和再設(shè)計(jì)，無法將逆向設(shè)計(jì)的結(jié)果直接應(yīng)用到新產(chǎn)品開發(fā)中[6]，因而將正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合起來的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法已成為設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域的必然趨勢[7]。

本文針對汽車覆蓋件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用一種基于區(qū)域劃分和特征識別的正逆向相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，從測量數(shù)據(jù)中提取出可以重新進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的特征及設(shè)計(jì)意圖，從而獲取完整的參數(shù)化CAD模型，方便后續(xù)的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 參數(shù)化正逆向設(shè)計(jì)流程

根據(jù)汽車覆蓋件表面幾何形態(tài)特征，采用如圖1所示的設(shè)計(jì)建模流程。

圖1 參數(shù)化正逆向設(shè)計(jì)流程

如圖1所示，首先對實(shí)物樣件的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后進(jìn)行基于曲率的特征區(qū)域劃分，根據(jù)正向建模思想對規(guī)則區(qū)域（如平面、拉伸面、回轉(zhuǎn)面等）提取其區(qū)域特征（如回轉(zhuǎn)截面和回轉(zhuǎn)軸）以構(gòu)建規(guī)則特征實(shí)體或曲面，對非規(guī)則自由曲面區(qū)域提取邊界特征線和截面特征線，以利用掃描或放樣等操作構(gòu)建非規(guī)則特征實(shí)體或曲面等，最后運(yùn)用布爾運(yùn)算得到實(shí)物的CAD模型。將設(shè)計(jì)好的CAD模型與原始掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，如果精度和光順性較差則再次進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，并重新調(diào)整參數(shù)和特征曲線，直到貼合為止。這種方法可以充分發(fā)揮正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)各自的優(yōu)勢，使其盡可能符合產(chǎn)品原來的設(shè)計(jì)意圖和造型方法，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

3 汽車覆蓋件參數(shù)化逆向設(shè)計(jì)

以某品牌汽車后保險杠外殼板為例，在正逆向軟件Geomagic Design X平臺下，通過對其進(jìn)行基于區(qū)域劃分和特征識別正逆向相結(jié)合的參數(shù)化建模與分析，以體現(xiàn)該方法的特點(diǎn)與優(yōu)勢。

3.1 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

利用激光掃描儀對保險杠外表面進(jìn)行掃描，以獲取零件表面的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)即點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于保險杠為結(jié)構(gòu)對稱的薄殼零件，因此只需掃描約1/2的外表面即可。掃描完成后，通過刪除體外孤點(diǎn)、統(tǒng)一采樣、降噪、網(wǎng)格封裝、網(wǎng)格醫(yī)生、填充孔、裁剪、簡化等功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，最后得到精簡的保險杠點(diǎn)云模型，如圖2所示。

3.2 特征區(qū)域劃分

保險杠的網(wǎng)格模型表面既包含自由曲面，又具有很多平面和二次曲面等，為方便后續(xù)建模，首先利用Geomagic Design X的“領(lǐng)域組”功能對網(wǎng)格模型進(jìn)行曲率分析，并根據(jù)曲率信息將模型表面劃分為若干不同區(qū)域，如圖3a所示。受點(diǎn)云誤差所限，區(qū)域劃分范圍可能遠(yuǎn)離理想結(jié)果，因此根據(jù)保險杠表面形態(tài)特征，將相同類型的特征區(qū)域利用“合并”鄰域功能進(jìn)行合并組合，對不同類型的特征區(qū)域利用“分割”或“插入”功能進(jìn)行手動重新分割，得到最終的特征區(qū)域劃分結(jié)果如圖3b所示。

圖2 精簡后的部分保險杠點(diǎn)云模型

圖3 保險杠特征區(qū)域識別與劃分

3.3 坐標(biāo)系建立

坐標(biāo)系作為整個逆向工程的基準(zhǔn)，其精確建立對建模精度具有重要影響[8]。由于該保險杠為平面對稱結(jié)構(gòu)，為方便后續(xù)操作，將模型坐標(biāo)系原點(diǎn)位置設(shè)在對稱平面上，且其中一個坐標(biāo)軸垂直于對稱面。從特征區(qū)域劃分結(jié)果可知，特征區(qū)域1（圖4a）為一平面，中間的安裝孔區(qū)域2（圖4b）為圓柱面且位于保險杠模型中部。因此，首先對區(qū)域1進(jìn)行平面擬合，并提取區(qū)域2的圓柱面回轉(zhuǎn)軸線；然后利用坐標(biāo)系對齊功能，使區(qū)域1與世界坐標(biāo)系的XY坐標(biāo)面對齊，回轉(zhuǎn)軸線與Z坐標(biāo)軸對齊，結(jié)果如圖4c所示。這樣，坐標(biāo)系原點(diǎn)就正確地位于安裝孔中心，模型的對稱面即為YZ坐標(biāo)面。

圖4 坐標(biāo)系建立

3.4 參數(shù)化設(shè)計(jì)

3.4.1 保險杠主體結(jié)構(gòu)重建

保險杠主體曲面為自由曲面，是整個逆向設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。傳統(tǒng)方法是利用擬合工具將其擬合為NURBS自由曲面，這種方法雖然擬合速度快，但如需進(jìn)一步編輯則要手動調(diào)整NURBS曲面的控制頂點(diǎn)，不僅效率低而且無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)化再設(shè)計(jì)。

為方便后續(xù)編輯，結(jié)合正向建模思想，提取主體曲面的特征線，利用放樣功能進(jìn)行構(gòu)建。首先，沿主體曲面延伸方向建立若干輔助基準(zhǔn)平面（圖5a），然后利用“面片草圖”功能截取出這些位置的二維截面輪廓，并進(jìn)行輪廓曲線擬合和參數(shù)化修改以及添加準(zhǔn)確的約束關(guān)系（圖5b）；同時，為使放樣曲面更好地貼合網(wǎng)格數(shù)據(jù)，在與截面輪廓垂直方向上提取幾條引導(dǎo)曲線，并利用截面輪廓和引導(dǎo)曲線構(gòu)建放樣實(shí)體（圖5c）；最后，利用鏡像功能通過對稱面鏡像出另一側(cè)，從而重建出完整的保險杠主體結(jié)構(gòu)，如圖5d所示。

圖5 保險杠主體結(jié)構(gòu)重建

3.4.2 其它結(jié)構(gòu)重建

保險杠中部的踏板凹槽為規(guī)則特征，可以通過拉伸切除命令來實(shí)現(xiàn)凹槽結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建。由于該結(jié)構(gòu)帶有一定的拔模斜度，首先在凹槽中部建立一個平行于踏板底部的輔助平面，以提取該位置的截面輪廓，并利用鏡像和參數(shù)修改獲取完整的封閉截面草圖（圖6a），然后通過添加兩側(cè)拔模角度獲得凹槽結(jié)構(gòu)（圖6b），最后利用圓角測量功能估算圓角區(qū)域的曲率半徑，進(jìn)行參數(shù)化倒圓角，結(jié)果如圖6c所示。

圖6 踏板凹槽重建

由于保險杠為薄殼零件，需通過測量其不同位置的幾組數(shù)據(jù)確定薄殼厚度，以對保險杠進(jìn)行抽殼處理來獲得內(nèi)部的空腔結(jié)構(gòu)。保險杠中的安裝板及安裝孔和長條孔等可利用拉伸切除功能重建，保險杠頂部的柵格條通過放樣、鏡像命令獲得。最終重構(gòu)出的保險杠參數(shù)化實(shí)體模型如圖7所示。

圖7 重構(gòu)出的保險杠模型

3.5 重構(gòu)質(zhì)量分析和優(yōu)化

汽車覆蓋件重構(gòu)質(zhì)量的評價包括曲面的精度（即重構(gòu)曲面與掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置偏差）和曲面的光順性[2]兩方面，其中曲面的光順性是汽車覆蓋件逆向設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，通?？梢誀奚c(diǎn)云與曲面的重合度來追求曲面的光順。

利用Geomagic Design X軟件中“環(huán)境寫像”工具進(jìn)行光順性分析，“環(huán)境寫像”工具類似傳統(tǒng)的斑馬線功能，即在曲面上生成黑白相間的條紋（斑馬線）來檢查曲面質(zhì)量，該保險杠的光順性分析效果如圖8所示。由圖8可看出，該保險杠斑馬線分布規(guī)則均勻，說明重構(gòu)的保險杠模型表面曲率變化平滑、無突變，滿足重構(gòu)曲面光順要求，曲面質(zhì)量良好。

圖8 保險杠光順性分析效果圖

利用Geomagic Design X軟件中的“體偏差”功能進(jìn)行曲面精度分析，即檢測重構(gòu)模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的偏差，該保險杠重構(gòu)精度分析效果如圖9a所示。由圖9a可看出，保險杠模型表面有較大部分區(qū)域與原始點(diǎn)云之間的偏差超出設(shè)定的±0.1 mm公差范圍，出現(xiàn)差值較大的原因可能是在擬合平面及手動草繪過程中存在一定誤差。為此，需返回到設(shè)計(jì)界面對所構(gòu)建的特征進(jìn)行參數(shù)化局部修改，以及通過增加截面輪廓和邊界曲線的數(shù)量來改善，直到滿足要求為止。優(yōu)化調(diào)整后的效果如圖9b所示，可看出大部分區(qū)域在±0.1 mm公差范圍內(nèi)。

圖9 保險杠重構(gòu)精度分析效果圖

4 模型輸出和參數(shù)化修改

將優(yōu)化后的保險杠模型通過參數(shù)轉(zhuǎn)換功能導(dǎo)入到正向CAD軟件Creo中，結(jié)果如圖10所示。由圖10左側(cè)的特征樹可看出，逆向建模中的關(guān)鍵特征（如平面、截面輪廓、引導(dǎo)曲線等）都完全導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)了逆向建模與正向建模的無縫連接。該方法無需轉(zhuǎn)換成中間格式（如iges、step格式等），能夠完全保留模型的參數(shù)化特征，方便后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)汽車覆蓋件逆向建模中存在的問題，提出一種基于區(qū)域劃分和特征識別正逆向相結(jié)合的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。通過分析產(chǎn)品表面形態(tài)特征，結(jié)合正向建模思路，對汽車保險杠各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域劃分、特征提取以及參數(shù)化再設(shè)計(jì)，重構(gòu)出較準(zhǔn)確的產(chǎn)品參數(shù)化實(shí)體模型。與傳統(tǒng)方法相比，該方法能有效提高建模效率和反求參數(shù)化的修改能力，提高產(chǎn)品的開發(fā)速度，而且無需中間格式轉(zhuǎn)換即能無縫輸出到正向CAD軟件中，從而為汽車覆蓋件等復(fù)雜零件的逆向設(shè)計(jì)提供一種新思路和解決方案。

圖10 輸出到Creo中的參數(shù)化模型及其特征樹