基于逆向工程的汽车前围板曲面重构

彭广威

（湖南汽车工程职业学院，湖南 株洲 412001）

0 引言

汽车前围板为典型的覆盖件零件，其形状和结构较复杂，它是汽车发动机舱与车厢之间的隔板，功能是为了隔离行车时发动机舱里的高温、废气及噪声，以保证驾驶室的舒适性，如图1所示。

逆向工程（Reverse Engineering）也称反求工程，是相对正向设计而定义的一种新的设计方法。在汽车制造领域，逆向工程主要是针对实物样件反求，通过精密测量获得零件的结构与尺寸相关数据，再利用CAD曲面重构技术快速准确地重构出三维数字模型，从而应用于CAE成形工艺分析和CAM加工，开发并制造出新产品，从而解决了传统汽车复杂曲面零部件设计过程中样件制作和试验耗费时间过长的问题。运用RE获得的零件CAD模型是CAE分析、模具设计与制造以及产品质量检验等整个设计生产过程的基本依据。逆向工程在汽车设计与制造中的应用主要体现在：1）新车型的开发以及对原有车型的改款设计；2）车身零件的CAE模型分析，确定零件加工工艺；3）车身零件的模具设计及修复；4）汽车零部件损坏磨损后的还原。其中，汽车覆盖件的逆向设计尤为典型和重要，通过RE获得的CAD模型不仅需要结构改进与优化，还要在CAE进行冲压工艺模拟分析后进行工艺改进与优化，从而通过CAD数模有效地将覆盖件的设计与生产紧密结合起来。

某企业承接了某新款国产汽车的前围板零件的生产。该型车前围板所用材料为高强度钢板H220BD。零件的长、宽、高的尺寸为1 068 mm×300 mm×210 mm，材料厚度为1.6 mm。本文利用三坐标测量仪采集汽车前围板零件的点云数据，然后直接应用三维CAD进行曲面重构，最终得到前围板零件的三维曲面模型，为后续该零件的冲压成形工艺模拟优化及冲压模具设计提供数字模型。

1 零件数据采集

1.1 逆向数据采集方法分类

逆向工程数据采集又称为抄数，指的是通过各测量仪器对实物或样件的表面形状进行测量，把表面形状信息用离散点数据表示并且转化到三维坐标系中。目前，数据的采集方法主要分为接触式和非接触式。接触式测量是利用接触式测量设备对样件表面进行测量，如三坐标测量机（CMM）通过传感器测头测量样件表面位置点的坐标值，其测量精度高，并可根据工件的形状特点灵活设定测量路径及数据点的多少，后续不需要拼接和其它处理，可直接用三维软件造型，曲面重构方便快捷，缺点就是测量速度较慢。非接触式测量方法主要是利用光学原理对样件表面的三维形貌进行快速扫描，获得密集的离散点云数据。非接触式测量没有力的作用，适用于测量柔软物体，其取样效率高，但受到物体表面物理特征的影响，在多数情况下其测量误差比接触式探头要大，故仅适用于表面形状复杂，精度要求不高的未知曲面的测量。

1.2 确定数据采集方法及设备

在逆向数据采集设备选用中，一般优先考虑接触式测量，特别是在只测量样件的尺寸、位置等要求的情况下。

图2 海克斯康Inspector三坐标测量机

就汽车前围板零件而言，其表面积虽较大但没有自由曲面，测量对象大多为轮廓边线及较规则的曲面，所需测量的数据量并不很大，而精度要求相对较高。为方便后续参数化造型设计，结合实验室现有测量设备条件，本文选取三坐标触发式测量法。测量设备为海克斯康Inspector 10-21-08型CMM，其行程范围为1 000 mm×2 100 mm×800 mm，可满足较大尺寸的汽车覆盖件测量，如图2所示。

1.3 前围板数据采集的技术要点

在利用三坐标对前围板进行数据测量时,需要对零件的面片进行划分，详细分析测量路径，并进行数据采集规划,确定数据采集的方法及该采集哪些数据点，既要采到足够的数据点以保证后续CAD重构曲面的精度和质量，又要避免测得过多的重复数据点，以提高测量效率和保证数据的有效性。

对前围板进行三坐标数据测量时应注意几个基本原则：1）顺着产品各曲面的形状特征方向走，沿着曲面法线方向采集数据；2）各复杂曲面的过渡转角处的采点要精确密集，次要部位如平面和圆孔等适当取点；3）复杂部位密集取点，简单部位稀疏取点；4）先采外轮廓数据，后采内部凸凹面数据。

在对前围板进行采集数据时，不仅应考虑其外形特征，还应考虑其形状的变化趋势。对于直线，一般采集3～5个点，可利用多余点进行误差分析与检测；对于圆弧曲线，采集点数一般为5～8个点，以保证采集点的均匀分布；对于未知样条，则要根据其曲率变化进行采集，曲率大的位置采集点相对密集，曲率小的位置采集点应相对稀疏。对于平面和曲面的数据测量，主要采用均匀的网格数据测量，根据面的大小确定采集点的数量，如大面网格数据点间距在5～20 mm之间，小面的网格数据点间距在1～8 mm之间为宜。采集时，各线条数据点和面数据点进行分层和着色处理，以利于后续的逆向建模。

CMM测量的汽车前围板数据经配套的PC-DMIS软件将所采的点导出成IGS格式，如图3所示，以备后续的CAD逆向建模。

图3 汽车前围板点云数据

2UG NX逆向建模

汽车前围板零件是壁厚均匀的钣金件，故只需进行曲面重构即可，曲面数模用于后续的冲压成形模拟及模具设计，实体零件用曲面加厚即可。利用UG或Pro/E等三维CAD软件进行零件重构，是为了实现零件所有特征曲面的参数化，从而对曲线和曲面特征进行分析和优化，获得重构的参数化数字模型。

2.1 CAD逆向建模一般流程

模型重建过程主要包括：点云处理、曲线的创建及修改和曲面处理。

1）点云处理。主要是读入点云数据、通过观察去除杂乱点，将属于不同类型的数据点划分成组。

2）曲线的创建及修改。根据数据点创建曲线，首先要确定曲线的类型，一般可以创建直线、简单二次曲线（如圆和椭圆等）和样条曲线等，创建各类线条时，采集的数据点一般要超过特征造型所需参照点数，多余的点则作为精度检测点，通过检测点对曲线进行检查和精度的修改。对于曲线，通常要检查其精度误差和光顺度是否满足要求，若未达到要求，则应对曲线的阶数和控制顶点进行调整。曲率变化多的线条，应将其分解为多条曲线，并要考虑它们之间的相对位置关系，以保证其位置的连续性或相切等。

3）曲面创建及修改。基于CMM数据采集点的UG逆向曲面造型主要通过曲线来创建曲面。如平面、球面、圆柱面和圆锥面等规则曲面一般通过拉伸、旋转、扫掠等方法创建，而复杂的不规则曲面可通过网格曲面创建。通过曲线来创建曲面比直接用点拟合生成曲面更容易控制和调整曲面的精度和光顺性要求。

2.2 UG逆向曲面造型过程

本文中采用NX8.0版对前围板进行逆向设计。

1）点云导入。新建UG零件模型后，直接利用【文件】【导入】【IGES】命令，选中含有点数据的所有图层，将点云数据导入，仔细观察，去除板上附件产生的干扰数据点。

2）方案确定。一般简单零件的模型重建是先逐一建好零件的各个曲面，且使曲面范围大于相应的点云区域，然后再利用各种手段把曲面修剪到合适的范围，即可得到整个零件。汽车前围板零件尺寸大，曲面特征繁多，要重建的曲面很多且面与面之间的关系复杂，为理清设计思路，采用分区设计、整体拼接的方法进行曲面重构。即首先根据产品形状和功能特点将其分成形状相对简单的多个部分，然后分别造型，最后进行拼接缝合、过渡连接。根据地前围板产品分析，可将其点云划分为9个区域，如图4所示。各部分之间的连接多为圆角过渡面。

图4 前围板点云分区

3）确定对称平面。前围板零件是个半对称零件，经测量左凹面部分与右凹面部分左右对称，故建模前确定好中间对称面，以便曲面编辑和测量。对称平面位置通过测量左右对称点的距离来确定，并通过多个对称点来检测其准确性，保证误差在0.2 mm之内。

4）各部分曲面重构。曲面重构遵循由点到线，由线到面。线的拟合精度决定了面的精度，故在拟合线的时候也需反复检测各点到线的误差，在创建面之后，检测点到面的误差，以此判断面的创建方法是否正确。平面一般通过直线拉伸创建，曲面通过网格曲面创建。做面的次序一般来讲，先做大面，后做过渡面与圆角面。

各部分重建的结果如图5所示。

5）各部分重建模型的整合。将完成重构曲面的各部分导入UG同一模型，首先通过曲面延伸、曲面剪裁和曲面缝合等方法将各曲面连接成片，再通过区域补面和倒圆角操作把各个部分重建的曲面连接起来，保证各连接的过渡部分的平顺和精度要求。完成后的前围板曲面如图6所示。

3结语

在整个汽车前围板逆向工程工作流程中，零件的三坐标数据测量是基础，也是逆向工程整个过程的首要前提，测量数据点云的好坏直接影响到CAD模型重建的效率和质量，所以在进行数据采集时，CAD重构建模人员应参与和指导，从而使得数据采集既省时又符合曲面重构精度要求。曲面重构逆向造型是当中最繁琐、最困难的一步，要求对产品的结构工艺和成型工艺具备分析经验，从而准确地理解和把握产品原型的构造和功能，采用科学合理的方案进行造型设计，同时设计者必须对CAD逆向设计的功能及操作技巧相当熟练。

图5 各部分曲面重构

图6 前围板UG逆向设计结果

［1］ 彭广威.基于逆向工程技术的鼠标壳造型设计［J］.塑料制造，2011（3）：92-94.

［2］ 陈雪芳.逆向工程与快速成型技术应用［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［3］ 郑晓宇.Pro/ENGINEER逆向工程设计完全解析［M］.北京：中国铁道出版社，2010.

［4］ 贾海波.某轿车前围板点云特征点自动提取与逆向建模研究［D］.秦皇岛：燕山大学，2013.

［5］ 徐勤雁.UG NX逆向造型技术及应用实例［M］.北京：清华大学出版社，2008.