汽車車身逆向工程設計關鍵技術及應用

1、汽車車身逆向工程設計關鍵技術及應用逆向工程設計方法是汽車車身設計過程中的一個重要環(huán)節(jié)，也是一種快速設計的工程方法。逆向工程設計主要包括如下過程：三維測量獲得點云數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、特征的提取、曲面重構和曲面評價等。逆向設計并不是簡單地復制，而是要在逆向過程中增加一些特征要素，設計出工藝性更好，質量更高的產(chǎn)品的過程。該文主要探討汽車車身逆向設計的關鍵技術和技術特點。在汽車的整體設計中，車身占整車總成本的40%以上。汽車更新的速度主要體現(xiàn)在車身方面，人們對汽車的關注首先就是汽車的外觀質量。因此車身設計是轎車開發(fā)的關鍵技術之一。日益成熟的CAD/CAE/CAM一體化產(chǎn)品開發(fā)技術在汽車車身設計領域得到廣泛

2、應用。隨著三維測量技術逐漸成熟，逆向工程設計技術能夠快速將車身油泥模型或其他實物模型，快速地轉變?yōu)槿S曲面等數(shù)模，從而可以快速地進行模具設計，快速地生產(chǎn)車身，極大地縮短了車身的設計周期。同時該方法也可以快速地吸收國內外汽車車身設計的先進技術，然后經(jīng)過我們的再設計，快速響應市場，達到事半功倍的效果。逆向設計的核心思想是將實物模型轉化為計算機能夠表達的三維數(shù)模的一種過程。簡單地說就是從實物到圖樣的過程。逆向工程設計的核心思想是以實物模型為參考，增加我們自己的創(chuàng)新知識，設計出符合要求，又要高于原來實物的設計過程。這就相當于我們過去常講的類比設計。其實任何設計都是在一定的參考基礎之上，逐步發(fā)展完善的過

3、程。在從事逆向工程設計的過程中，人們可能會發(fā)現(xiàn)，雖然同是一個模型，但是不同的人，設計的效率和質量可能有比較大的差別。本文就是基于這樣的目的，探討逆向工程設計的關鍵技術。一、車身模型的測量車身的測量根據(jù)測頭與車身模型是否接觸分為接觸式測量與非接觸式測量。接觸式測量主要采用三坐標測量機，非接觸式測量又包括激光測量和結構光測量。接觸式測量優(yōu)點是精度高，缺點是效率比較低。測頭的大小與接觸力的大小對測量的精度都有影響。非接觸式測量優(yōu)點是效率高，缺點是精度低一些。比如對于圖1所示的吉普車車身，采用非接觸測量的方法只需要一兩天的時間即可。為了提高測量的效果和精度，一般要在車身上噴上顯影增強劑，如圖2所示。圖

4、1 吉普車圖2 噴顯影劑的車身1.車身模型坐標系的確定為了方便測量及測量后的數(shù)據(jù)處理，首先要確定車身坐標系。對于轎車車身，一般以汽車前軸的中心為坐標原點，向后為X軸，向右為Y軸，向上為Z軸。具體的做法是將車身支撐固定在單臂或雙臂的劃線機(三坐標測量機)，如圖3所示。根據(jù)測量的結果，調整車身的前、后、左、右等位置，最后確定車身沒有發(fā)生大的扭曲變形，直到正確為止。圖3 車身定坐標系2.貼車身Mark點對于汽車車身，現(xiàn)在通常的做法是采用非接觸測量方法，比較常用的是采用結構光的照相法。照相法的測量的核心就是點云片的拼接技術。首先在車身的表面噴灑乳白色顯像劑，然后在上面貼Mark標記點。Mark標記點實

5、際上是后序測量的點云片的拼接所用的定位點，如圖4所示。圖5 車身Mark點標志點不要貼成直線，貼標記點的原則是三維掃描的每幅幅面的范圍內應該擁有四個標記點，四個標記點盡量能夠分散，盡量不要在孤立位置和曲率變化較大處。分散的目的就是將將來依據(jù)標記點拼接的時候，可以將拼接誤差盡量地減小。標記點貼的質量直接影響測量的精度。隨著計算機技術和圖像處理技術的提高，單幅點云的精度一般都比較高，但是不同的掃描系統(tǒng)之所以出現(xiàn)比較大的質量差別就是因為點云片的拼接技術存在差別。同樣的掃描系統(tǒng)，標記點的貼的技巧如果沒有充分掌握，測量出來的結果可能也有比較大的差別。3.測量車身Mark點標記點是用于點云片的定位的。因此

6、，標記點測量的準確與否對整個車身的測量精度至關重要。測量的方法一般是采用高精度的相機，在車身上一般還要放置一些測量基準桿件，作為圖像處理時標定。對車身上的所有標記點從不同角度進行大量的拍攝。然后進行圖像處理，獲得標記點的三維數(shù)據(jù)，如圖6所指示。圖6 三維Mark點4.車身曲面片測量采用三維掃描儀測量，當標記點測量之后，一般在進行這部分測量的時候，測量的順序就沒有過高的要求，因為測量的每一片點云是靠上面的標記點進行拼接的。也就是點云片之間沒有誤差累積的問題。測量的時候，要注意的是測量的每一片點云至少要包含三到四個標記點，包含的越多，拼接的精度越高。因為拼接時是點云片上標記點要與已經(jīng)測量的標記點框

7、架要匹配。因為兩次測量，就是對與同一個標記點也會存在測量誤差。所以在拼接的時候，點云片上的標記點都要參與標記點框架的匹配，這樣測量誤差就會減小。這部分的技術關鍵主要有：(1)測量的角度與距離要嚴格按照掃描儀器上所要求的操作規(guī)范;(2)測量環(huán)境，如環(huán)境光線的強弱要滿足測量要求;(3)測量的每一片點云范圍要包含盡量多的標記點;(4)相臨的點云片的重疊部分以30mm為基準即可。一般的三維掃描系統(tǒng)，在測量的過程，點云就可以自動拼接到標記點框架子上了。也有測量系統(tǒng)要其他的軟件進行拼接。不管采用何種辦法拼接，關鍵是能否保證測量的精度和效率，這是關鍵。車身測量完成之后，可以獲得asc碼、stl碼等格式的數(shù)據(jù)

8、文件，里面包含的就是車身的三維點數(shù)據(jù)(x,y,z)。如圖7所示圖7 車身點云數(shù)據(jù)二、車身點云的數(shù)據(jù)處理1.數(shù)據(jù)預處理在車身測量的過程中，由于光線的明暗、輔助工具的的介入、測量儀器的偶然因素、操作者的操作水平等因素，如果采用接觸式測量，測量時的震動等都會對測量出來的數(shù)據(jù)點都可能產(chǎn)生一定的影響，測到的點是錯誤的，我們可以認為是測量噪聲或壞點。不論采用什么方法測量都會產(chǎn)生壞點，一般是不可能全部避免的，關鍵是要掌握如何剔除的方法。(1)首先要反復觀察被測量的物體與已經(jīng)測量的點云數(shù)據(jù)，壞點非常容易判斷，比如測量車身，有些數(shù)據(jù)點跑到車身的外面或內部，這就是壞點，必須手工刪除或采用軟件刪除，如圖8所示。圖8

9、 壞點剔除(2)軟件剔除，比如剔除遠離的分散點等，但是有時效果不太好。(3)有時直接觀察離散點，因為沒有消隱，分辨起來有一定的困難，這時可以將點云進行鋪面(做成三角面)渲染，使點云看起來比較像實體，就非常方便消除壞點了。數(shù)據(jù)點過濾，在測量的過程中，特別是采用非接觸法測量車輛，數(shù)據(jù)點數(shù)量非常龐大。在做逆向過程中，點云是做參考使用的，因此，有些位置的數(shù)據(jù)點沒有必要太多，比如平面、平坦的曲面等。在不影響逆向設計的情況下，要將測量的數(shù)據(jù)點過濾掉一部分?？梢源蠓鹊販p少占用計算機的內存，處理的速度和效率都可以大幅度地提高。過濾主要采用等半徑區(qū)域過濾和定弦高方法兩種方法。等半徑區(qū)域過濾過濾方法主要適合，曲

10、面比較平坦的場合。定弦高方法主要適合曲面變化比較大的場合，該方法處理的效果是曲面比較平坦的地方，點比較稀疏，曲面變化劇烈的地方，點的數(shù)量比較多一些。通常采用這種方法的時候，仍然要限制相臨點之間的距離，以方便以后的操作，過濾之后結果如圖9所示。圖9 點云數(shù)據(jù)精簡2.點云的渲染對點云鋪面渲染，點云看起來比較像實體，如圖10所示。這樣操作的目的是便于后續(xù)在做曲面的時候，容易分析曲面的大小，方便曲面規(guī)劃設計等。圖10 渲染效果三、車身曲面逆向工程設計1.設計的基本流程(1)車身坐標系的確定根據(jù)車身在測量前的的固定位置和汽車車身坐標系的規(guī)范等，要采用坐標轉換的方法，確定汽車車身坐標系。以汽車的前軸中心為

11、坐標原點、向后為X軸、向右為Y軸、向上為Z軸。(2)分析被測量車身的部位與功用這點非常關鍵。比如如果車身是外覆蓋件，那么，一般要求車身的表面是A級面，曲面要求光順。對于車身的內板件，一般要求不要求A級面，但是要求在滿足功能的前提下，要滿足沖壓、焊接等工藝性的要求。這時做出的面可能與點云有比較大的誤差。(3)分析是否變形這個車身是否變形，變形量大概有多少要了解。因為車身零件是薄壁件，變形是非常正常的情況，那么在設計的時候必須分析出來。如果按點云來做，可能會將原來件上的毛病也制造出來了，這種情況一般會出現(xiàn)在制造和設計經(jīng)驗不足的設計人員身上。(4)要從全局來分析曲面的大小在車身上有時經(jīng)常出現(xiàn)，不同部

12、位的車身，理論上應該是一個大面，而不是幾個小面。如果幾個小面單獨做，這樣制造出來后，在曲面分析的時候會發(fā)現(xiàn)車身曲面的光順性和美觀程度有毛病，因為理論上應該是一個大面的情況下，先做的幾個小面不可能共面。因此會出現(xiàn)問題?？傊姹M量要做大面，要揣摩正向設計的設計思路，從根上來從事設計，更能抓住本質，抓住設計的靈魂。(5)整體考慮對于車身的外覆蓋件，在逆向設計的時候不要考慮車身的分片等因素，要把車身作為一個整體考慮，等車身全部設計完成之后，然后再考慮車身的分界問題，例如車門與側圍等部分。(6)車身曲面的評價與修改對于車身的外覆蓋件一般要求A級曲面。對于一個曲面的光順性不是靠評價獲得的，而是靠曲面的

13、設計技巧來獲得，曲面的關順性要貫穿在設計的過程之中。曲面的評價只是一種驗證工作。如果曲面的關順性靠驗證，然后修改，那么曲面設計的效率就會大打折扣。曲面的光順性思想要體現(xiàn)在曲面設計的具體步驟上，比如構造曲面的曲線必須是光順的。(7)車身曲面的細節(jié)處理曲面的倒角處理是車身曲面構造的一個重要環(huán)節(jié)，同樣的幾個曲面，不同的倒角順序和方法獲得的效果是不一樣的。設計人員一定要根據(jù)曲面的成形性和美觀等方面的要求去考慮，采用不同的方法和步驟。對于車身的內板件，也就是結構件，倒角的半徑一般要圓整，比如如果測量點云獲得的半徑數(shù)值比如是3.3，我們一定要將倒角半徑修改為3.5或4。其原因也是為了制造的工藝性。因為在加

14、工沖壓模具的時候，圓整后的刀具我們容易買到，如果圓角半徑不是標準的數(shù)據(jù)，制造的時候就必須采用比較小的刀具來處理，這樣會造成加工效率的低下。另外車身曲面，特別是結構件，能夠是平面的，盡量采用平面設計，只要滿足剛度和強度的設計即可。也就是盡量結構簡化。車身的外覆蓋件也并不是各處都要求A級曲面，有的局部故意要求棱角分明，這要根據(jù)設計者的理念去分析，確定相應的方法。車身曲面上的孔和洞的處理，一般要在車身曲面構造完成之后，再根據(jù)功能的要求去處理。對于曲面上的孔，盡量將孔開在平坦的曲面上，這樣車身零件的工藝性比較好。需要注意的是，盡量采用一種軟件進行逆向設計工作，如果采用兩種或兩種以上的軟件來處理的話，可

15、能會出現(xiàn)因為格式的轉化，帶來曲面邊界的誤差，給曲面設計帶來不必要的麻煩。四、車身逆向實例根據(jù)圖1中的吉普車車身我們進行了測量和構造曲面的工作，如圖11所指示。關于設計細節(jié)，在這里就不一一探討了。下面就設計的思路和里面用到的技巧問題在這里簡單探討一下。在構造曲面的過程中，根據(jù)車身的各部分的功能分析，如果是部分曲面可以是簡單曲面，比如平面、圓柱面、圓錐面和球面等。那么我們就可以采用快速構造曲面的方法快速構面，并且根據(jù)需要盡量擴大曲面，便于曲面的裁剪。構造曲面不一定非要提取特征線。對于車身的自由曲面，雖然有些文獻介紹各種提取特征線的方法，但是在實際使用的過程中，應該還有很大的局限性，有的獲得曲線我們

16、使用起來對我們的設計反而造成困難。比如有的文獻可以提取兩個曲面的交線。但是實際上，在正向設計的過程中，一般的情況下，曲面的交線是兩個曲面互相裁剪而得到。如果我們采用提取的邊界進行構造曲面，這時可能造成構造的曲面的參數(shù)線是扭曲的。要將這樣的曲面調整成光順或光滑地與其他曲面連接，或者倒角可能造成比較大的困難。有的時候特征線可能還不好確定。在這樣的情況下，我們要采用正向設計的思維形式來解決這種問題。如果正向設計，這個位置的曲面的構造方法應該是什么樣的，我們應該清楚。否則的話，這個曲面你構造起來可能就非常浪費時間，并且做出來的車身曲面還不一定就滿足主機廠的需要。通常解決辦法，根據(jù)正向的構造曲面的方法，我們人為的去從車身點云上用有限的幾個平面去截取點云，獲得幾條點云平面掃描線。這條線實際上就是線性的點云。這時如果直接根據(jù)掃描線構造曲線，可能出現(xiàn)曲線的斷續(xù)問題，也可能出現(xiàn)曲線不光順的問題，需要較多的時間去調整。一種比較高效的問題就是采用用一條樣條曲線逼近的方法。如果設置恰當，對于結構件，基本上不用調整曲線即