产品
1 前言
逆向设计是工业设计和工程开发的接口，是汽车覆盖件产品快速开发的关键技术。汽车覆盖件的逆向设计对点云测量和曲面重构提出了很高的要求，点云测量的质量 主要取决于测量设备的精度，而曲面重构的品质与所选用数据处理软件的功能及数据处理的策略有关，本文通过实例介绍基于CATIA的汽车覆盖件逆向设计工作 过程及特点。
CATIA是法国达索公司的产品，其集成解决方案几乎覆盖工业产品设计制造的所有领域，其优势为：在逆向设计方面采用NURBS方法描述曲面，解决了自由 曲面(线) 与初等解析曲面(线) 描述不相容的问题，通过编辑控制点改变曲面形状生成任意复杂曲面，可提高造型能力；可先根据云点拟合出一个基础曲面, 再利用曲面编辑功能对其进行编辑和光顺处理，提高了曲面重构效率；能实现一个曲面到另一个曲面及一个曲面到多个曲面的匹配，并能达到匹配后曲面间曲率连 续，保证A级曲面要求；提供多曲面整体编辑功能(一次编辑多个曲面并保持曲面间连续)；可提供网格面及风格扫描面构造方法，按曲面形状或原产品设计思想实 现曲面快速重构；采用混合参数几何方式建模，适于设计重用。
2 汽车发动机罩逆向设计
逆向设计工作流程如图1所示
点云数据采集是将油泥模型曲面以空间点三维坐标的形式离散化，所采集的点云数据是曲面拟合或曲面检测的基础，能否高效获取精确的点云数据是逆向设计的关键技术。目前常用的点云数据采集方法有以下3种。
a.接触式三坐标测量机测量。该方法测量精度较高，但测量效率低。由于测量时接触被测件，易划伤其表面。适于测量点、特征线、孔等几何特征。
b.线状激光束测量(相位测量)。该方法是将周期性的光栅投影到被测曲面上，通过光栅图像的调制解调，求出被测曲面形状的三维信息，测量范围大、速度快，但只能测量较平坦曲面，曲面变化大时测量精度较低。
c.光栅投影式测量(照相测量)。该方法是将光栅投影到物体表面，形成一块待测区域，由光学扫描系统测取实物的表面数据，用数码像机获取特征标志点的三维 坐标位置。光栅投影式测量为非接触测量，对被测件表面无划伤，对复杂或大面积表面可分块测量，测量速度快，点云密度高，测量精度在 0.03/100mm×100mm以内，综合测量精度在0.1/1000mm以内。
在逆向设计时，可根据被测模型的特征灵活选用上述3种测量方式。本实例采用线状激光束扫描方法测量，测量精度为0.05mm，扫描宽度为90mm，测量范 围为2～6m，数据采集速度为1.5万个/s。扫描测量时还应根据各区域形状规则程度及曲率变化情况来调整点云采集的密度，以更好地满足曲面重构精度 (≤0.5mm)及快速采集大量点云数据的要求。本实例最终采集点数为283万个，点云数据的具体分布情况如图2所示。
测量的点云不仅数据量大，而且由于受光照条件、被测件表面反射特性和系统测量误差、随机误差等影响，测量数据中存在着许多无用数据，即所谓的“噪声”点。“噪声”点的存在对曲面重构十分有害，应剔除，因此必须对点云进行处理，点云处理包括过滤及分块两部分。
点云过滤可以降低点云密度，滤除噪声点，常用的过滤方法有曲率过滤法(Adaptative)和球过滤法(Homogeneous)。
曲率过滤法是根据曲面曲率变化确定点的取舍，在曲率变化平缓区域保留较少的点，而在曲率变化急剧区域保留较多的点来描述曲面形状。常用算法是根据弦偏差过 滤点云(根据点与点间弦高差，把设置偏差量以内的点过滤掉)，设置的弦偏差数值越大，被过滤的点越多。在对该发动机罩点云进行过滤时，选择 Filter(过滤)功能，通过Adaptative(弦偏差)菜单，输入弦偏差值0.25mm便可以对噪声点进行滤除(滤除率1.9%)，保留云点 277.6万个(过滤结果可在Statistics统计框查看)。
球过滤法是选择点云上一点生成一个指定半径的球，过滤掉球内所有点，再通过下一个保留点生成指定半径球，再过滤掉球内所有点，如此循环直至结束。输入的球半径越大，剩余的点就越少。球过滤法适用于对某些较为规则的局部模型特征点云的处理。
处理点云的最终目的是将云点生成曲面，即通过指定边界条件，在云点上生成满足条件的曲面。一般情况下由一个曲面来拟合所有云点是不可行的，应按照模型具有 的特征将数据点云分割成不同区域(分块)，分别拟合出不同的曲面片，然后应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同的曲面片拼接起来构成一个整体。该实例运用 Activate功能，根据发动机罩结构特征对点云分块，共分6块，其中1～4块见图3。
重构是逆向设计的关键环节，它不仅要再现原有产品的设计思想，修复(或解决)油泥模型上存在的缺陷，而且要对车身外表面和内饰表面进行光顺处理。曲面重构 前应对模型分析，将曲面划分为几个特征区，以确定曲面重构方法并选用相关工具。这里运用QSR模块中的曲面拟合(Power fit)及GSD 模块中的扫掠(Sweep)、填补(Fill)和光顺(Smoothing)等功能，按照点云分块方案，对曲线和曲面逐一进行重构与光顺处理。
2.3.1 曲线重构与光顺
曲线重构与光顺分为3个步骤：
a.基于点云资料或曲面求交重构曲线；
b.利用曲率梳工具寻找、删除坏点，使曲线上各段曲率单凸或单凹，初步光顺曲线；
c.使曲线上各段的曲率变化均匀，进一步光顺曲线。
发动机罩曲线一般为三维空间曲线(边界线、截面线及特征曲线)，曲线的法向不在同一平面内。逆向设计中，常将三维空间曲线投影到曲线的两个主投影面上进行 光顺。该实例运用3D Curve功能，选择Through points曲线建立方式，进行发动机罩曲线的重构与光顺，结果如图4所示。
曲面重构有3种方法：
a.点到面(直接由点云数据生成曲面片)。从点云提取行列交叉的点云网格，利用U、V线逼近点云网格的方法拟合曲面，或按用户输入的曲面参数自动拟合曲面。
b.先点到线再线到面。先提取点，重构和光顺曲面片的边界线、截面线及特征线，再重构曲面片。
c.点、线结合重构曲面。
发动机罩曲面重构与光顺时综合运用了上述3种方法，先运用做面功能、距离分析功能(Distance Analysis)及调整功能(Control Points)依次完成各曲面的重构与光顺，再运用Match Surface功能将面匹配到线，反复调整生成曲面的元素，最终得到理想曲面，结果如图5所示。
曲面拼接是将光顺好的主要曲面用过渡曲面连接起来，拼接处一般都是高光轮廓线或形成明暗对比的部位，曲面拼接质量直接影响产品整体视觉效果。
过渡曲面为两类，一类是各种倒圆(等半径和变半径)，另一类是两个(或多个)主要曲面相接(保证曲率连续)。第二类过渡面一般曲率变化大且截面线形状复 杂。在发动机罩的逆向设计中，其棱线、后围转角面、顶盖及侧围交界处倒圆都为重要过渡曲面，对整车造型影响较大。该发动机罩运用Blend功能做出过渡曲 面，再从不同视角进行光顺处理(方法同曲面重构与光顺)以确保满足设计要求。
2.5 曲面数据质量评估
曲面经重构、光顺后，需评估其表面质量以判定其是否满足使用要求。曲面评估包括两方面：
一是评价曲面的品质，即曲面是否达到A级曲面的要求；
二是评价重构曲面与点云之间的误差是否满足要求。
A级曲面(通常为轮廓曲面)要求：曲率连续，沿曲面和相邻曲面有相同的曲率半径；用高光等高线检测时，高亮显示的曲线具有共同的曲率特征，等高线连续且过 渡均匀、逐渐发散或收缩，不会迅速汇集消失到一点；控制点按一定规律分布，一行控制点与另一行相邻控制点的角度变化应有一定规律可循；曲面的边界线可被编 辑、移动以生成另外一条曲线，同时这个新生成曲线可重新加入曲面来控制曲面。经多次进行曲面重构、光顺及评估，该发动机罩达到A级曲面要求：曲面邻接处的 曲率半径仅相差0.05mm，其位置偏差0.001mm；用高光等高线检测曲面时，面片之间边界过渡处的高光线变化均匀，每条高光线粗细基本一致，达到曲 率均匀变化的要求。最终获得的发动机罩数字模型如图6所示。
3 结束语
逆向设计是工业设计与工程制造的接口，是现代汽车产品快速开发的关键技术。本文通过工程实例介绍了逆向设计在汽车产品开发中的作用。通过对发动机罩油泥模型表面数据的采集、曲面重构及质量评估，实现了汽车发动机罩油泥模型的数字化，为其后续工程制造奠定了基础。
155-2731-8020
