基于NX的摩托车车身曲面逆向设计

刘 锋

(浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

摩托车车身是摩托车的外形表征，一个总体设计优良的摩托车品牌在市场竞争中的成败除了其功能上的体现同样主要取决于其外形能否吸引顾客.为了减小阻力和外形美观，一般摩托车外形都做成复杂的自由曲面，此时传统的正向设计：从概念到数字模型再到产品的过程开发技术要求高、周期长、操作困难[2].而在已有的原形车基础上，采用逆向工程对摩托车车身曲面三维建模和重新设计将是一种有效的方法.

图 NX逆向设计流程

1 NX逆向设计流程

NX逆向设计流程见图1，遵循①由点->线->面或②由点->面的原则进行[3].NX最新版本已基本集成并优化了逆向设计主流软件 imageware中的绝大部分功能，使得NX拥有强大的逆向设计能力.

(1)具有强大的数据兼容性：支持决大多数工程应用多边面体网络数据格式，如VRML，STL(stereo lithography)，Imageware，Steinbichler等，也支持点ASCII格式的点集直接导入；

(2)具有强大的点云处理功能：对齐、有序化点云；切割、修剪点云去噪；稀疏点云减少数据处理量；光顺、加密多边体网络数据，使点云数据抽样达到要求的密度，保持点云局部曲率清晰；通过点云曲率命令分析分析点云曲率，并以不同的颜色显示不同曲率区域来作为分割裁减多边体网络数据依据；生成点云剖面线和点等；

(3)具有一套在点云上快速拟合截面线，扫掠线，并由拟合曲线快速生成复杂曲面的曲线、曲面创建功能组；或依据点云形状的几何特征，直接用功能强大的x成型命令(xform)直接对四边面等初始面的控制点进行增减、拖拽操作来拟合输入点云数据；

(4)具有强大的曲线、曲面质量分析检测功能，能实时准确判断拟合曲线、曲面的设计结果是否合理，保证了产品设计意图和设计质量；

(5)具有强大的后续设计功能：三维实体造型，出工程图纸，装配，模拟分析，加工编程等.

NX提供了产品设计开发的统一平台，消除了数据转换带来的信息丢失和再设计瓶颈.保证了设计意图.下面以某摩托车仪表盘盖板为例，从点云数据处理、曲面建立以及构建的曲面质量检测三个方面探讨了逆向设计在NX中实现过程.

将式(16)代入到式(12)-(14)计算出τk、Ti(τk)和φk，周跳的值ΔN则可以由包含周跳的观测量φ′k与经过Chebyshev多项式拟合的数据φk做差后取整得出：

2 点云数据处理

NX导入由三维测量系统采集到的复杂曲面上大量离散密集的原始数据即点云数据，由于受测量设备精度、测量方法和测量时周围环境如噪声、震动等的影响，点云数据不可避免的存在测量误差[4]；并且点云数据之间通常没有相应的显式几何拓扑关系.而点云质量的好坏、几何特征划分是否合理，直接决定了后续曲线、曲面重建过程是否方便、快捷、准确地进行，因此点云数据处理是逆向设计的一项重要的技术环节.点云数据处理的目的是将测得的数据进行优化并还原曲面间的拓扑关系，包括对齐、去噪声点(多余、冗余的点)[4]、稀疏、光顺、加密数据、分析点云曲率并分块点云.

2.1 点云去噪、拼接

用NX打开原始点云数据文件(以STL格式为例)后，通过将点云放大，视图旋转的方法来对输入数据进行检测.采用Edit->Facet Body->Snip命令清除噪点区域，应用Fill Hole、Fill Island、Brdge Gap来分别填补孔、环孔和缺口.由于有些扫描存在死点，并且车身曲面形状较复杂，曲面数据无法一次性扫描得到，需要在扫描过程中移动或旋转原件，对物体的不同区域进行测量后拼合组成，NX提供多种点云拼接对齐方法，如Point Set to Point Set Alignment、Multi Patch Alignment、Best Fit Alignment来完成对单一实物产品进行扫描后得到的一系列有重叠部分的点云进行定位、拼接.图2为点云经过去噪、对齐后的数据.

2.2 点云稀疏、细分、光顺和分块

由于导入由三维测量系统采集到的复杂曲面的原始离散数据量大、密集，NX采用Decimate Facet Body来简化数据处理量，减少计算处理时间.简化原则是曲面形状变化小的部位滤去较多点，而变化较大的部位滤去较少的点，以此来保证原形曲面外形特征；应用Subdivide Facet Body在不改变光顺度条件下来加密小平面体突显局部细节特征；应用Smooth Facet Body 光顺小面片体，去除橘皮效应带来的局部失真，图3为点云局部稀疏、细分和光顺后的效果.

逆向工程的目标是重建整体样件的曲面模型或实体模型.对于复杂外形的零件很难用单张曲面来拟合，通常是对测量数据进行分块后，用多张曲面分别拟合，并对相邻曲面实施连续性拼接[5].点云分块要求突出原始曲面几何拓扑结构，方便后续选择拟合曲线、曲面方法.分块原则是单数据块几何特征明显，凸凹性走势一致.可采用曲率法检测数据分区边界，应用Facet Body Curvature来分析点云曲率，并以不同的颜色(color map)显示出来，再由曲率分析结果结合Extract Curvature Areas来完成点云划分特征块.图4为按曲率分析划分的点云块.

图2 点云去噪、拼接效果

图3 点去稀疏、细分、光顺效果

图4 点云分效果

3 曲面重构与检测

曲面重构是逆向工程的关键环节，是后续产品结构设计、加工制造、快速成型、工程分析和产品再设计等的基础，因此，如何实现快速、精确而且有利于下游修改设计的曲面重构成为逆向工程中最关键的一环.摩托车外表面是由多张大面、过渡面、圆角面等通过一定的几何拓扑关系组合的几何集体，根据前面已划分的点云块并结合与实物原型对照分析，可将摩托车外表面几何特征结构划分为主曲面和辅助曲面两大类.外表面几何特征划分将有助于确定正确的曲面重构思路、明确每个曲面的类型和生成方法.通过先主后辅的建模思想，选定合理的造型方法先构建各主曲面，再构建辅助区域，如桥接过渡面、圆角面、消失面等，来实现逆向建模，同时也有利于积累建模经验，且有规律的重构面比较容易获得较高的面片质量和拟合精度.

3.1曲面两种重构方法

由图1所示NX逆向重构曲面一般遵循①由点->线->面或②由点->面的原则进行.

3.1.1 基于曲线构面

根据能否由扫掠特征构建摩托车车身曲面中相对独立的，大面积，小曲率且无曲率反转片体，基于曲线的构建方法可分为下面两类:

(1)过网格曲线

直接选取合适扫描数据点拟合网格曲线，再通过这些网格曲线构建主片体.曲面质量主要有输入拟合曲线决定.该方法的关键点是建立高质量的输入网格线，网格线要求：与输入点数据贴合度高(可由Deviation Gauge-偏置误差检测保证)，分布均匀，走势合理、一致、渐变(由Curve Analysis-曲率梳检测保证)，光顺度高达G2以上连续(Curve Continuity-曲线间连续性检测保证).通常是根据输入点云轮廓走势，截取特征轮廓线，轮廓线采样，再由艺术样条(Studio Spline)、圆弧、直线、二次、三次曲线等拟合采样点构建，并且NX提供了强大的拟合曲线功能(Fit Curve)来拟合曲线.接着应用过网格(Through Curve Mesh)，过曲线组(Through Curves)等命令重够曲面.图5为一个典型的网格曲线构面示列.

图5 过网格线构面

(2)扫掠

通过对输入的数据点的几何拓扑结构进行分析，确定扫掠区域，构建扫掠截面线和轨道线，生成扫掠主片体.该方法的难点在于抽取合理造型特征主轮廓曲线，主轮廓曲线决定了面片的形状，主轮廓线通常由直接在小面片体上根据曲面走势构建艺术样条，并控制样条曲率得到.该方法相较过网格线法有较少的构建拟合曲线过程.再通过扫掠高质量拟合曲线得到相应的曲面特征.图6为一个典型的扫掠构面示列.

图6 扫掠构面

3.1.2 由点云直接构面

该方法不需要提前构建任何输入曲线，是由输入数据点直接拟合曲面的一种方法.一般是先构建4点面(Four Point Surface)或拟合面(Fit Surface)覆盖输入的点云(覆盖范围比点云片略大)，然后应用NX高级曲面编辑功能X成型(Xform)拖拽调节控制极点逐步达到所需面体形状，并结合实时的面质量分析工具来保证所构建的面的质量.该方法对设计人员的要求比较高.图7为一个典型的由拖拽控制点构建曲面示列.

图7 由点云直接构面

重构曲面时所采用的方法、步骤、技巧往往因设计师个人的经验和技术特点而有所差异，一般在设计中可混合使用上述方法.过网格曲线是一种传统方法；而对表面几何特征明显，分布均一的大曲面可以通过扫掠快速获取；对表面几何形状不宜描述清楚的面片，一般通过拖拽控制点的基于曲面的构建方法的实现，同时对一些特征比较明显的规整部位，可由NX提供的造型功能直接实现，如连接大片体间过渡曲面通常可考虑由二次曲面组功能，艺术圆角功能，艺术倒角功能等实现.

同时，在构建桥接过渡面片所需网格曲线时，为保证桥接片体与主体面间的光顺性，要保证搭接主片体边的过渡线连续性，一般要求G1以上[6].并且曲面重构过程中，也可以对曲面局部或整体进行适当的修改，设计出功能更加完善，外型更加美观的产品.在逆向过程中，如果零件对称，只需对一半进行逆向后镜像，最后再填充两者之间的间隙，这样可以减少建模工作量.

3.2 重构曲面检测

NX中重构曲面检测包括曲面特征检测和曲面质量检测, 曲面特征检测指逆向设计人员根据造型要求评价所做的曲面是否符合造型意图(即构建好的曲面与原始输入数据间的贴合程度)， 曲面质量检测指对组成它的每张曲面片的质量及面片之间连续性进行检测.NX提供了一组丰富的、功能强大的曲线、曲面检测工具：如偏置公差检测，高斯曲率检测，曲率梳检测，高亮检测，斑马条纹，曲线间连续性检查，曲面间连续性检查等，在设计过程中可以实时对造型结果进行评估，能有效及时修正设计缺陷，保证设计意图和设计质量.为满足B级曲面要求[6],如对高光面检测方法要求高光走势一致，条文均匀，过渡光顺，无扭曲; 对曲率梳检测方法则要求曲率梳均匀或渐变、走势有规律、无跳动、扭曲、突变、反曲等都是结果质量的判定标准.图8为摩托车仪表盘盖板曲面三维模型及检测分析结果.

图8 仪表盘盖板三维型及斑马纹检测分析结果

4 结 论

NX软件在逆向设计方面具有强大的功能，能很好的完成点云处理、曲面重构和曲面检测等逆向设计过程，应用NX可以一体化方便的实现产品设计开发全过程：从点云处理、曲面重构到实体结构造型、出工程图纸、装配、模拟分析、加工编程等全过程.并在对点云数据处理和曲面重构过程中，在消化、吸收实物原型的前提下，可以对设计模型修改和创新，由此可以快速实现对复杂曲面的逆向再设计.因此，它在逆向工程中具有广阔的前景.

参考文献：

[1] 文少波，张海鸥，邹政耀 .基于逆向工程的摩托车覆盖件设计[J].机械设计与制造，2011(1):57-59.

[2] 刘继峰，樊香梅，刘端晓. 基于CATIA的的逆向设计在汽车内饰件设计中的应用[J]. 汽车工程师, 2011(3):52-54.

[3] 姜元庆，刘佩军 .逆向工程培训教程[M].北京: 清华大学出版社，2003.

[4] 张导成，潘建新, 吴长德. 逆向工程关键技术及应用实例[J].机电工程技术，2009 (7):135-138.

[5] 程军淘，段明德, 刘 鑫,等.摩托车覆盖件的逆向设计[J].河南科技大学学报：自然科学版，2009(5):21-24.

[6] 吴栋华，应柏庆，王志伟，等． UG软件在V02摩托车整车开发中的应用[J].摩托车技术，2012 (7):36-41.