汽车覆盖件参数化逆向工程设计研究＊

陈建洲 吴婷

（嘉兴学院，嘉兴 314001）

主题词：汽车覆盖件 参数化 逆向工程 区域划分 特征提取

1 前言

随着计算机技术和汽车工业的蓬勃发展，以测量技术为基础、曲面重构技术为支撑的逆向工程(Reverse Engineering，RE)技术在汽车产品的设计开发中得到了广泛应用[1]。逆向工程[2]能够快速而准确地建立零件原型的数字化模型，缩短产品开发周期，是实现新产品快速开发的重要技术手段[3]。汽车覆盖件传统的逆向设计流程是首先将通过扫描获得的零件表面点云进行数据分块，再通过对分块数据进行曲线或曲面的拟合，将拟合得到的若干小曲面片通过拼接得到物体的各个面，从而重建出产品的数字化CAD模型[4-5]。然而，这种传统的非参数化的逆向建模方法不利于进一步的编辑修改和再设计，无法将逆向设计的结果直接应用到新产品开发中[6]，因而将正向设计和逆向设计有机结合起来的参数化设计方法已成为设计研发领域的必然趋势[7]。

本文针对汽车覆盖件的结构特点，采用一种基于区域划分和特征识别的正逆向相结合的设计方法，从测量数据中提取出可以重新进行参数化设计的特征及设计意图，从而获取完整的参数化CAD模型，方便后续的有限元分析和优化设计。

2 参数化正逆向设计流程

根据汽车覆盖件表面几何形态特征，采用如图1所示的设计建模流程。

图1 参数化正逆向设计流程

如图1所示，首先对实物样件的扫描数据进行数据预处理，然后进行基于曲率的特征区域划分，根据正向建模思想对规则区域（如平面、拉伸面、回转面等）提取其区域特征（如回转截面和回转轴）以构建规则特征实体或曲面，对非规则自由曲面区域提取边界特征线和截面特征线，以利用扫描或放样等操作构建非规则特征实体或曲面等，最后运用布尔运算得到实物的CAD模型。将设计好的CAD模型与原始扫描数据进行质量分析，如果精度和光顺性较差则再次进行正向设计，并重新调整参数和特征曲线，直到贴合为止。这种方法可以充分发挥正向设计和逆向设计各自的优势，使其尽可能符合产品原来的设计意图和造型方法，实现参数化设计。

3 汽车覆盖件参数化逆向设计

以某品牌汽车后保险杠外壳板为例，在正逆向软件Geomagic Design X平台下，通过对其进行基于区域划分和特征识别正逆向相结合的参数化建模与分析，以体现该方法的特点与优势。

3.1 数据采集与预处理

利用激光扫描仪对保险杠外表面进行扫描，以获取零件表面的几何坐标数据即点云数据，由于保险杠为结构对称的薄壳零件，因此只需扫描约1/2的外表面即可。扫描完成后，通过删除体外孤点、统一采样、降噪、网格封装、网格医生、填充孔、裁剪、简化等功能对数据进行优化处理，最后得到精简的保险杠点云模型，如图2所示。

3.2 特征区域划分

保险杠的网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，为方便后续建模，首先利用Geomagic Design X的“领域组”功能对网格模型进行曲率分析，并根据曲率信息将模型表面划分为若干不同区域，如图3a所示。受点云误差所限，区域划分范围可能远离理想结果，因此根据保险杠表面形态特征，将相同类型的特征区域利用“合并”邻域功能进行合并组合，对不同类型的特征区域利用“分割”或“插入”功能进行手动重新分割，得到最终的特征区域划分结果如图3b所示。

图2 精简后的部分保险杠点云模型

图3 保险杠特征区域识别与划分

3.3 坐标系建立

坐标系作为整个逆向工程的基准，其精确建立对建模精度具有重要影响[8]。由于该保险杠为平面对称结构，为方便后续操作，将模型坐标系原点位置设在对称平面上，且其中一个坐标轴垂直于对称面。从特征区域划分结果可知，特征区域1（图4a）为一平面，中间的安装孔区域2（图4b）为圆柱面且位于保险杠模型中部。因此，首先对区域1进行平面拟合，并提取区域2的圆柱面回转轴线；然后利用坐标系对齐功能，使区域1与世界坐标系的XY坐标面对齐，回转轴线与Z坐标轴对齐，结果如图4c所示。这样，坐标系原点就正确地位于安装孔中心，模型的对称面即为YZ坐标面。

图4 坐标系建立

3.4 参数化设计

3.4.1 保险杠主体结构重建

保险杠主体曲面为自由曲面，是整个逆向设计中的关键。传统方法是利用拟合工具将其拟合为NURBS自由曲面，这种方法虽然拟合速度快，但如需进一步编辑则要手动调整NURBS曲面的控制顶点，不仅效率低而且无法实现参数化再设计。

为方便后续编辑，结合正向建模思想，提取主体曲面的特征线，利用放样功能进行构建。首先，沿主体曲面延伸方向建立若干辅助基准平面（图5a），然后利用“面片草图”功能截取出这些位置的二维截面轮廓，并进行轮廓曲线拟合和参数化修改以及添加准确的约束关系（图5b）；同时，为使放样曲面更好地贴合网格数据，在与截面轮廓垂直方向上提取几条引导曲线，并利用截面轮廓和引导曲线构建放样实体（图5c）；最后，利用镜像功能通过对称面镜像出另一侧，从而重建出完整的保险杠主体结构，如图5d所示。

图5 保险杠主体结构重建

3.4.2 其它结构重建

保险杠中部的踏板凹槽为规则特征，可以通过拉伸切除命令来实现凹槽结构的创建。由于该结构带有一定的拔模斜度，首先在凹槽中部建立一个平行于踏板底部的辅助平面，以提取该位置的截面轮廓，并利用镜像和参数修改获取完整的封闭截面草图（图6a），然后通过添加两侧拔模角度获得凹槽结构（图6b），最后利用圆角测量功能估算圆角区域的曲率半径，进行参数化倒圆角，结果如图6c所示。

图6 踏板凹槽重建

由于保险杠为薄壳零件，需通过测量其不同位置的几组数据确定薄壳厚度，以对保险杠进行抽壳处理来获得内部的空腔结构。保险杠中的安装板及安装孔和长条孔等可利用拉伸切除功能重建，保险杠顶部的栅格条通过放样、镜像命令获得。最终重构出的保险杠参数化实体模型如图7所示。

图7 重构出的保险杠模型

3.5 重构质量分析和优化

汽车覆盖件重构质量的评价包括曲面的精度（即重构曲面与扫描数据点的位置偏差）和曲面的光顺性[2]两方面，其中曲面的光顺性是汽车覆盖件逆向设计中的关键，通常可以牺牲点云与曲面的重合度来追求曲面的光顺。

利用Geomagic Design X软件中“环境写像”工具进行光顺性分析，“环境写像”工具类似传统的斑马线功能，即在曲面上生成黑白相间的条纹（斑马线）来检查曲面质量，该保险杠的光顺性分析效果如图8所示。由图8可看出，该保险杠斑马线分布规则均匀，说明重构的保险杠模型表面曲率变化平滑、无突变，满足重构曲面光顺要求，曲面质量良好。

图8 保险杠光顺性分析效果图

利用Geomagic Design X软件中的“体偏差”功能进行曲面精度分析，即检测重构模型与点云数据之间的偏差，该保险杠重构精度分析效果如图9a所示。由图9a可看出，保险杠模型表面有较大部分区域与原始点云之间的偏差超出设定的±0.1 mm公差范围，出现差值较大的原因可能是在拟合平面及手动草绘过程中存在一定误差。为此，需返回到设计界面对所构建的特征进行参数化局部修改，以及通过增加截面轮廓和边界曲线的数量来改善，直到满足要求为止。优化调整后的效果如图9b所示，可看出大部分区域在±0.1 mm公差范围内。

图9 保险杠重构精度分析效果图

4 模型输出和参数化修改

将优化后的保险杠模型通过参数转换功能导入到正向CAD软件Creo中，结果如图10所示。由图10左侧的特征树可看出，逆向建模中的关键特征（如平面、截面轮廓、引导曲线等）都完全导入，实现了逆向建模与正向建模的无缝连接。该方法无需转换成中间格式（如iges、step格式等），能够完全保留模型的参数化特征，方便后续的优化设计和创新设计。

5 结束语

本文针对传统汽车覆盖件逆向建模中存在的问题，提出一种基于区域划分和特征识别正逆向相结合的参数化设计方法。通过分析产品表面形态特征，结合正向建模思路，对汽车保险杠各部分结构进行区域划分、特征提取以及参数化再设计，重构出较准确的产品参数化实体模型。与传统方法相比，该方法能有效提高建模效率和反求参数化的修改能力，提高产品的开发速度，而且无需中间格式转换即能无缝输出到正向CAD软件中，从而为汽车覆盖件等复杂零件的逆向设计提供一种新思路和解决方案。

图10 输出到Creo中的参数化模型及其特征树