胡錦洲,劉 鋒,龐建軍,田世雄,褚忠宇

(浙江水利水電學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

家用汽車座椅套裝飾已成為一種時尚，市場需求巨大，然而目前國內(nèi)汽車座椅套樣版開發(fā)工作基本由人工手動打版—制版—讀版—分版—排版等工序完成，具體對應(yīng)的開發(fā)流程(見圖1)，其中前期的打版(①—③)、制版(④—⑦)、讀版(⑧—⑨)基本由制版師傅手工完成，導(dǎo)致目前傳統(tǒng)的汽車座椅保護套樣版開發(fā)對制版師的經(jīng)驗依賴度高，制樣周期長，開發(fā)效率低，甚至在打版工作中由于需要用到外物實際接觸被包裹的車座椅，如用圖釘、膠等固定薄膜等，會對車座椅會造成一定程度的損傷，導(dǎo)致樣板開發(fā)成本高，因此，現(xiàn)有的樣板開發(fā)技術(shù)越來越不能滿足快速增長的市場需求。逆向工程技術(shù)(RE)又稱反向工程或反求工程[1]，起源于復(fù)雜精密測量技術(shù)，其實質(zhì)是在準(zhǔn)確獲得物理模型三維輪廓數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用CAD軟件進行實物外觀建模復(fù)制、檢測和再設(shè)計[2-4]。針對目前國內(nèi)汽車座椅套制樣瓶頸，本文運用逆向工程技術(shù)方法，通過快速獲取汽車座椅表面三維點云數(shù)據(jù)，依據(jù)所獲得三維點數(shù)據(jù)在UGNX軟件中建立準(zhǔn)確的汽車座椅三維數(shù)字化模型，并通過二次開發(fā)曲面展開方法進行座椅套曲面的平面展開，對汽車座椅套的快速平面制樣方法進行了深入探討，本文的具體研究思路(見圖2)。

圖1 汽車座椅套平面樣板傳統(tǒng)開發(fā)流程圖

圖2 汽車座椅套樣板快速開發(fā)總體實現(xiàn)流程

圖3 點云數(shù)據(jù)采集過程

1 汽車座椅表面三維數(shù)據(jù)的獲取與點云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

快速獲得物理模型表面三維數(shù)據(jù)是逆向工程技術(shù)實現(xiàn)的首要條件[5]。本文采用浙江大學(xué)博洋公司的手持式非接觸光學(xué)掃描測量系統(tǒng)(BYScan650)進行汽車座椅套外觀三維數(shù)據(jù)采集。該手持式非接觸光掃描儀無需與被測量物體表面接觸，能有效保護被測物體；掃描效率高，可實現(xiàn)自動拼接；掃描精度高(0.01 mm)；掃描速度快(50 000點/s)；且掃描儀尺寸小巧、輕便，手持操作便捷，非常適合車座椅套的外觀三維數(shù)據(jù)采集。同時所選汽車座椅外形表面平緩，不含陡峭、復(fù)雜小面體，且為亞光面，漫反射性能好，無須顯像劑，掃描精度要求一般。圖3所示為點云數(shù)據(jù)采集過程。圖4所示為座椅頭枕、靠背、坐墊以及整套座椅的掃描原始點云數(shù)據(jù)。圖5所示為掃面點云數(shù)據(jù)通過拼接、去噪、稀疏、光順等操作后獲得的高質(zhì)量外觀三維點云數(shù)據(jù)。最后將優(yōu)化后的點云數(shù)據(jù)以STL格式輸出，方便后續(xù)座椅表面三維模型的重構(gòu)。

圖4 座椅套三維掃描點云原始采集數(shù)據(jù)

圖5 座椅套三維掃描點云數(shù)據(jù)優(yōu)化結(jié)果

2 汽車座椅三維模型重建與檢測

曲面重建是逆向工程技術(shù)的重要組成部分，是后續(xù)設(shè)計、分析、加工等工作的基礎(chǔ)[6]。本文座椅套三維逆向建模過程是將點云STL數(shù)據(jù)導(dǎo)入UGNX軟件中實現(xiàn)的。UGNX具有強大的逆向設(shè)計功能，其逆向設(shè)計的基本流程遵循點—線—面或點—面的規(guī)則完成[7]。通過結(jié)合點云曲率分析命令和曲面特征分析命令，將所需構(gòu)建的座椅表面分割為幾大基本特征面，然后通過倒圓角面進行銜接，完成汽車座椅外觀曲面的三維重構(gòu)，期間穿插重構(gòu)曲面與點云數(shù)據(jù)貼合度檢測，保證曲面重構(gòu)的正確性。圖6所示為汽車座椅頭枕、靠背與坐墊依據(jù)掃描點云數(shù)據(jù)重構(gòu)后的三維曲面外型圖。

圖6 座椅套三維曲面重構(gòu)

3 汽車座椅套表面展開實現(xiàn)

三維曲面展開處理算法歸結(jié)起來主要為幾何展開法、力學(xué)展開法和幾何展開力學(xué)修正法等[8-10]。本文采用幾何展開法方法來實現(xiàn)座椅套表面三維曲面的展開，算法基本思想是采用一種平面網(wǎng)格的方法，將曲面逐一展開到同一平面上得到展開結(jié)果，其基本過程為：將復(fù)雜曲面分割成若干條狀區(qū)域，每一區(qū)域用可展面替代，如直紋面；將這些可展面進行三角網(wǎng)格劃分；把每一個可展面都展開到同一平面，從而得到該曲面的展開結(jié)果[11]。

曲面具體展開算法實現(xiàn)流程：

(1)設(shè)定逼近精度δi，所需分割的條狀數(shù)目為n，n應(yīng)滿足長度相對誤差εi≤δi。設(shè)定復(fù)雜曲面為S(u，v)(0≤u≤1，0≤v≤1)，其兩條邊界曲面為H(0)∶S(u，0)和H(1)∶S(u，1)。假設(shè)沿u向分割，長度相對誤差εi定義為：

εi=max{εi(k)≤δi}，k=0，1

(1)

其中，

(2)

由(1)、(2)式，可算出所需條狀區(qū)域數(shù)目n。

初值n0的確定如下：

(3)

對于每個條狀網(wǎng)格區(qū)域，用一直紋面ri(t，ω)(ui≤t≤ui+1，0≤ω≤1)去逼近代替。直紋面的兩條邊界曲線分別為：

Γ:(ri，ω)=S(ui，ω)

(4)

Γi+1:(ri，ω)=S(ui+1，v)

(5)

(2)展開所分割的直紋面網(wǎng)格ri(t，ω),為了便于計算，假設(shè)所有的直紋面有相同的三角剖分，去三角平面數(shù)目m:

m=max{mi}，i=0，1，…，n-1

(6)

式(6)中mi為第i個直紋面的網(wǎng)格分割數(shù)。

(3)直紋面的展開面透射到同一平面上。座椅套的曲面展開最終處理依靠UGNX軟件，應(yīng)用UG/OpenAPI 作為曲面展開功能的二次開發(fā)實現(xiàn)工具，將逆向重構(gòu)的座椅套表面三維曲面模型數(shù)據(jù)展開為平面數(shù)據(jù)。UG/Open API 是UGNX軟件的重要開發(fā)模塊，是UGNX軟件與外部應(yīng)用程序的接口，用戶可以根據(jù)需求通過C語言來調(diào)用它所提供的一系列集成函數(shù)，實現(xiàn)所需功能。同時基于汽車座椅套布料彈性屬性，可以手動去除展開重疊部分，對展開裂縫手動縫補從而簡化展開實現(xiàn)。圖7所示為座椅靠背三維曲面的平面展開。

圖7 座椅靠背三維曲面展開過程

4 結(jié) 語

本文在分析總結(jié)現(xiàn)有汽車座椅套的打樣開發(fā)流程的基礎(chǔ)上，運用先進的逆向工程技術(shù)，首先對汽車座椅套三維曲面進行三維點云數(shù)據(jù)采集，并通過對點云數(shù)據(jù)進行拼接、降噪、稀疏、光順等后處理工作獲得高質(zhì)量座椅外觀三維點云數(shù)據(jù)，然后根據(jù)點云數(shù)據(jù)在UGNX中進行座椅三維外觀曲面的重建，最后通過曲面展開二次開發(fā)功能實現(xiàn)了座椅套外觀曲面的平面展開和輪廓曲線的抽取。該技術(shù)能有效減少目前汽車座椅套的樣版開發(fā)工作對制版師依賴，從而有效的提升了座椅套樣板開發(fā)效率，降低了開發(fā)成本，為滿足廣大汽車消費者對汽車從“代步”轉(zhuǎn)向“個性”、“時尚”的消費理念升級需求提供了技術(shù)參考。