基于UG的汽车车门外板曲面重构

宋涛，张芳芳

（武汉理工大学，湖北武汉 430070）

0 引言

当今飞速发展的汽车工业对生产周期缩短的强烈需求以及三维测量技术和CAD技术的进一步发展，以测量技术为基础，基于逆向工程技术的曲面重构技术在新品开发中得到了越来越广泛的应用。当今主流的CAD软件如UG、CATIA等都为汽车车身的设计提供了很好的平台，它们的应用也使得企业可以缩短设计周期、提高效率，同时又能保证产品的质量、减少设计成本。

逆向工程 （Reverse Engineering，RE），也称反求工程、反向工程等，起源于精密测量和质量检验，应用在车身设计中对于快速造型有很高价值［1］。

1 车门外板反求流程

（1）前期准备:确定产品结构的主要特征、合理的建模顺序和设计的整体思路。

（2）数据获取:利用三坐标测量仪对轿车车门外板进行单点接触式测量获取车门外板点云数据。将扫描的三维数据输入到三维CAD软件中，进行曲面重构［2］。

（3）数据预处理:由于获得的点云在边缘、曲率大的过渡处存在坏点;曲率小的平滑表面不需要过多数据。因此，要对测得的数据点进行坏点剔除、去除噪声点、点云精简［3］。

（4）曲面重构 （在UG软件中采用由点云生成曲面的方法）:在UG中利用点云进行曲面重构主要进行点云的分块、基础面的构建、过渡面的建立、曲面的拼接、曲面质量分析等步骤。

2 实体建模

2.1 外板建模

在车身逆向工程中，首先进行曲面分块拟合，进而拼接，在完成车身曲面表面基本模型的建立后，最后对车身曲面进行评价，对曲面不合理处进行调整、光顺。利用UG软件对车门外板点云重构曲面基本过程如下:

（1）将已经三角化的车门外板文件导入UG软件中，如图1所示。

（2）对点云利用剖面分析进行剖分，划分网格，以便于后续的曲面拟合工作。然后根据网格建立四点曲面，建立的曲面（外板曲面）应比点云中的稍大 （图2）。但不要过大，否则会给以后的曲面拟合带来麻烦，同样过小，有可能与其他的曲面不能形成交线，则不利于之后曲面的拼接和光顺。一般要遵循以下原则:①尽可能减少曲面分块数量。在曲率变化较小处，曲面块尽可能少一些;曲率变化较大处，可根据需要增加曲面块数，然后将其拼接。②在保证曲面精度的前提下，尽量减少曲面块的阶数，一般最高不能超过7阶。

（3）建立四点曲面后，对其剖分以便进行曲面拟合，由于车门外板曲面是A级曲面，所以要用测量命令保证剖面线误差保持在0.5 mm以内，对曲面的不同位置进行几次测量，确定误差较大的位置后再进行进一步的曲面调整，以保证满足曲面光顺性，减小误差的要求，如图3所示。

（4）利用X成型命令不断反复地进行极点的调整，包括调整片体的宽度大小、法向上调整曲面、改变曲面的阶次以得到更准确的贴合，最终得到剖面线误差合格的曲面。再需要调整的幅度非常小时，可以勾选微调项，确定微调速度进行微调。

（5）在车门点云上重构的基本曲面符合误差要求后，此时要对大面之间的过渡面进行匹配进而得到光顺的车门外板基本面。进而与车门内板以及侧围进行配合确定车门外板的边界曲线，确定车门玻璃窗的外轮廓线后，应用修剪，得到符合实际情况的车门外板曲面，如图4所示。

（6）外板面质量分析。A级曲面是指车身模型中对曲面质量有较高要求或特殊要求的一类曲面，A级曲面不仅要满足空气动力学、几何连续性要求，又满足汽车造型的需求。

文中主要针对曲面质量进行初步评价，选择斑马线法进行评价曲面质量。在工程实际中，也常选用斑马线来评价车身A级曲面的品质［4］。一般要求曲面的斑马线粗细均匀，斑马线之间的间隔也要均匀。如图5所示，曲面的斑马线在拼接处光滑过渡，车身A级曲面必须达到这样的要求;图6为文中得到的车门外板曲面的斑马线评价情况。由图可看出，该车门外板曲面斑马线及其间隔均匀，在过渡曲面处的斑马线及其间隔是逐渐变化的。连接处的斑马线是S形的，这说明曲面间连续至少在G2连续以上，显示该曲面具有很好的品质。

2.2 外板与内板的包边建模

车门包边通常是先将内、外板扣合，通过车门外板边缘的塑性变形将内板总成一部分边缘包住的过程，包边量大约在5～15 mm左右。有的车门包边完成后可能还需要弧焊或点焊补焊。考虑车门钢板厚度及所用钢板的数量，选择内外板厚0.8 mm，包边面与车门外板面偏置距离2.4 mm，包边宽度10 mm。

将获得的外板片体向里方向偏置面，应用修剪片体命令得到包边曲面。使用网格曲面功能插入2×0网格曲面的方式得到外板与包边的过渡曲面。待所有曲面符合误差要求后，进行圆角过渡。

2.3 门锁抠手的建模

需要保证开门者手部有足够的活动空间。将已经在内板上确定位置的门锁结构导入，抽取门把手安装板的面，预留出外板加厚的距离。以此为基础面进行处理便得到门锁抠手。

2.4 车窗建模

很多的小型车中有普遍应用的是内外板同体式窗框，窗框由于与车门内外板一体，所以刚性较好，结构简单，工艺性也比较容易控制。

由点云可作草图，获得窗框的轮廓线，按照此轮廓线在外板裁剪获得窗框片体，应用抽取命令后偏置可得内包边曲面，然后在外板获得窗框边缘，插入网格曲面，检查误差，缝合，边倒圆获得过渡圆角。

将已经获得的车门外板最终片体进行片体加厚处理即可以得到最终的车门外板实体模型，如图7所示。

3 工艺性检查

文中应用了UG软件中的拔模指令，初步检查了车门外板的拔模情况。限定最小拔模角为5°;绿色部分说明拔模角均大于5°，不会出现倒扣现象，如果显示红色则说明工艺性不符合要求，可能出现倒扣现象。工艺性检查应伴随设计过程进行，以便于及时修改。图8所示的车门外板检查结果符合工艺性的要求。

4 结论

文中以逆向工程为背景，依据汽车车门的设计要求，在UG软件中完成了车门外板的三维建模并对车门曲面的品质进行了必要的分析。通过具体实例的进行为工程实践中逆向工程的应用提供了参考。

本次设计仅对车门外板进行反求设计，将CAD技术与正向设计相结合，应用先进的车门设计方法对已有车型进行优化设计是需要继续努力的地方。

【1】乌秀春，胡丽娟，赵洪波.基于逆向工程的车门外板曲面重构［J］.拖拉机与农用运输车，2009（2）:24 －25.

【2】郑勇新.基于逆向工程的车门开发［J］.装备制造技术，2009（10）:72－73.

【3】罗大兵，高明，王培俊.逆向工程中数字化测量与点云数据处理［D］.成都:西南交通大学，2005.

【4】徐家川，高尚鹏，高永光，高相森.基于曲率梳的车身A级曲面评价方法［J］.农业装备与车辆工程，2009（10）:11－14.