基于Geomagic Studio的汽车车身逆向建模技术的研究

曾林林 ，周利平，刘小莹

(西华大学 机械工程与自动化学院，成都 610039)

基于GeomagicStudio的汽车车身逆向建模技术的研究

曾林林*，周利平，刘小莹

(西华大学 机械工程与自动化学院，成都 610039)

运用三维软件和逆向建模技术相结合的方法，进行车身设计与优化，大大缩短了汽车设计制造周期。研究了汽车车身的逆向建模技术，通过光学扫描仪测量获取某国产汽车表面的云状数据,利用Geomagic软件对测量数据进行处理,并基于NURBS曲面造型对车身表面优化重构,最后在UG中完成了车身的曲面建模和分析。

车身；逆向设计；Geomagic；曲面建模

车身作为汽车上四大总成(底盘、车身、发动机、电器设备)之一，在整车的设计与制造过程中占据着相当重要的地位，其结构主要包括：车身壳体、车门、车窗、车前钣金制件、车身附件等。由于车身是一个形状复杂的空间薄壁壳体，同时其设计过程中要综合运用空气动力学、人机工程学和材料工程学等知识，常规的设计方法已经难以满足现代汽车车身的设计要求[1-2]。逆向(反求)工程(Reverse Engineering)是近年来迅速发展的快速设计制造技术[3]，它根据现有实物模型的测量数据演绎出零件的设计概念和CAD模型，在已有产品基础上设计新产品，为产品设计和旧产品的改进提供了方便的途径，大大缩短产品生产制造周期，因而在现代产品设计中得到越来越广泛的应用。林有娣[4]利用CATIA软件研究了汽车车身的逆向工程设计中的关键技术，并提出了相应的处理理论与方法；张鹏、程永奇等[5]采用基于液体测量的逆向设计方法，研究了玩具汽车外壳逆向设计过程；赵毅、王明辉[6]运用全逆向技术并借助Geomagic Studio软件，研究了汽车连杆锻件的NURBS曲面造型。本文运用逆向造型技术，对某型号国产汽车车身进行光学扫描获取其表面点云数据,并利用Geomagic Studio软件对测量数据进行优化和外壳表面曲面重构，最后在三维软件UG NX中实现了汽车车身的曲面造型设计。

1 逆向设计基础

1.1 软硬件设备

逆向设计的原理就是一个“从有到无”的过程，根据已经存在的产品模型或实物，通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物转化为计算机上的三维数字模型，反向推出产品的设计数据。本次设计所涉及到的软硬件设备主要有：扫描设备、点云处理软件、曲面处理软件、曲面建模软件。由于此次扫描的汽车车身件比较大，同时扫描数据作为原始数据应具有较高的精度，因此综合考虑选择：非接触式三维光学扫描仪，型号为JRXB(其扫描精度可达到±0.015 mm)；选择JR三维数据处理系统软件，能够很好地进行点云拼接(拼接精度达到±0.04 mm/m)；借助强大的逆向三维造型设计软件Geomagic Studio对得到的点云数据进行精简和曲面重构及优化；最后利用三维CAD/CAM软件UG NX完成汽车车身模型建立及分析。

1.2 测量死区

测量死区即无法测量的区域。任何测量设备的工作方式会不同程度地受到原理或者是测量环境的干扰。有的干扰是微小的，可以通过改变测量方法、测量角度、光照或测量参数等来避免；但有的干扰是无法避免的。

图1 测量死区示意图

图2 某型号国产汽车

如图1所示，当结构光发生器从竖直方向投射光线时，理论上能够测量到B面，但是受摄像机与光发生器位置关系的影响，实际测量到的可能只是B面的一部分。如果从左右两侧以某个角度a投射，理论上可以测得A、B面和B、C面，但是受A面和C面的遮挡影响，实际得到的可能只是A面或C面的一部分。由于被测样件本身的几何形状或拓扑结构导致某些部分的测量数据不易获取，我们把这种区域或者类似的区域称为“测量死区”[7]。

1.3 汽车车身分析

本次扫描的某型号国产汽车如图2所示。通过对其车身外壳的观察与分析，头部和尾翼部分较为复杂有可能形成测量死区，需要多次扫描；车身部分较为简单，一次扫描即可完成；同时此型号汽车车身关于中间平面对称，所以可以只扫描其中一半，建模后镜像即可；而油箱盖部分则可以在UG中通过曲面建模修补补全。

1.4 扫描及前处理

在进行逆向设计中，三维扫描是最基本的一步，是获得原始点云数据最直接和最理想的方法。原始点云数据是后续逆向处理的根本依据，因此三维扫描得到点云数据的好坏直接影响到逆向建模的成功与否。在进行扫描之前需要对扫描仪进行前处理，如确定标定数据、调整拍摄距离、调整相机亮度和标定系统等。其中调整距离和亮度分别使一次性拍摄范围更广和拍摄效果更清晰；而标定系统则使得拍摄效果更好同时具有好的一致性，标定系统过程如图3所示。本次扫描分为3个部分(头部、车身中部、尾翼)，分3次扫描完成。扫描完后将3部分点云数据在JR三维数据处理系统软件中进行拼接，得到如图4所示点云数据，最后把所得数据输出为.asc或.ply格式文件。

图3 标定系统过程

图4 车身点云数据

2 车身表面数据处理

在Geomagic Studio软件中对汽车车身数据处理主要包括：简化数据、清除噪点和补洞、面片光顺、生成曲面等。

2.1 清除噪点和补洞

图5 补洞效果图

图6 光顺处理效果图

2.2 多边形处理

在修复完孔洞后，模型的表面还是有许多不平整的多边形曲面片。其中有一部分是车身外壳具有的特征，另外一些则是扫描时光线的反射因素和数据点精简时所造成的，属于模型表面质量不平顺问题。后者可以利用Geomagic中的去除特征、砂纸、边界编辑、边界松弛等命令对模型的表面进行面片光顺处理。处理后可以发现车身模型面部的波纹明显减弱，如图6所示。

2.3 生成曲面

在Geomagic Studio软件中初步生成车身曲面模型，为后续车身在UG中建模做好准备，是很关键的一步，最终形成的曲面精度与此时生成的曲面有很大的关系，所以选择合理的曲面造型技术进行曲面拟合很关键。NURBS曲面构造技术，利用函数方法建立曲面的数学模型，然后在曲面上构造拓扑矩形网格，交互定义特征线，利用矩形数据网格构造出曲面。本文基于NURBS曲面造型法，充分利用其局部形状控制和几何不变性等优势，将汽车车身分成若干个封闭、光滑的曲面，再将各分块曲面通过延伸、裁剪、过渡连接、光顺等处理，生成车身初步曲面模型过程如图7和8所示。最后将车身曲面和点云数据分别另存为.igs格式(曲面保存时注意删除原有点云，以便UG中处理更快捷)。

图7 曲面阶段

图9 导入后UG曲面

3 车身曲面逆向建模

3.1 UG曲面处理

在三维建模软件UG中导入之前保存的.igs格式车身曲面模型文件，并进入曲面设计模块，如图9所示。

可以看到曲面仍有许多破面，这是由于采用标准格式在不同软件间进行数据转换时，会有一部分数据丢失。在UG中利用曲面工具对曲面进行修补缝合，裁剪掉不光顺和重复多余的曲面，并建立曲面修补破面和油箱盖表面，保证每一个曲面均边界连续、无空洞，同时曲面之间的连接关系均相切。最后将所有的面缝合成一个整体，便于以后对曲面进行编辑和处理。由汽车车身的两侧对称性，将缝合后的曲面镜像生成另一半并合并曲面。处理后的车身曲面如图10和11所示。

图10 处理后的曲面

图11 车身最终曲面模型

图12 车身曲面质量分析

3.2 曲面质量分析

完成车身曲面建模后，在UG中进行曲面分析，得到结果如图12所示。将原始点云数据与所得车身曲面对比分析可知，车身曲面误差最大处达到0.3 mm，其他平缓部位误差在0.05 mm以内，相对于车身整体尺寸来说可以忽略不计。曲面质量最差的地方发生在结构复杂处和曲面过渡结合处。车身表面这些部位的曲率较大，扫描时由于光线、拍摄角度等问题存在一定的变形，得到的数据点过于密集且存在一定误差，所以产生较大的偏差并影响了曲面的质量，可以通过结构优化解决。

4 结语

车身设计在整车的设计与制造过程中占据重要地位，随着逆向造型技术的不断发展，其在现代汽车车身设计中应用越来越广泛。本文运用逆向建模技术实现了某型号国产汽车车身的逆向建模设计，采用三维光学扫描仪采集车身表面数据点云，并利用Geomagic Studio软件对采集的点云数据进行优化处理，最后在UG NX中完成了车身曲面三维模型建立和曲面质量分析，分析结果表明本次模型设计合理。可以为后续汽车车身的优化设计做准备，为实际汽车车型设计和型号改造提供参考。

[1] 王宏雁,陈君毅.汽车车身设计基础[M].北京:北京大学出版社,2009.

[2] 许家川,王翠萍.汽车车身计算机辅助设计[M].北京:北京大学出版社,2012.

[3] 徐智钦,孙长库.3D逆向工程技术[M].北京:中国计量出版社,2002.

[4] 林有娣.汽车车身逆向工程关键技术的研究及应用[D].北京:北京信息科技大学,2008:4-63.

[5] 张鹏,程永奇,肖金.基于液面的玩具汽车外壳逆向设计[J].机械设计与制造,2009(5):163-165.

[6] 赵毅,王明辉.基于Geomagic Studio的汽车连杆锻件逆向建模技术[J].CAD/CAM与制造业信息化,2007(10):60-62.

[7] 王宏涛,周儒荣,张丽艳.现代测量方法在逆向工程数据采集技术中的应用[J].航空计测技术,2003,23(4):1-4.

[8] 张文建,张琦.基于CATIA V5的汽车车身逆向设计[J].机械,2010,37(7):48-50.

[9] 刘文祥.基于逆向工程的现代车身设计方法的研究和应用[D].北京:中国农业大学,2005.

[10] 张瑞乾,孙平.汽车车身逆向工程设计关键技术及应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2009(6):83-86.

ResearchonReverseModelingTechnologyforAutoBodybasedonGeomagicStudio

ZENGLinlin*,ZHOULiping,LIUXiaoying

(School of Mechanical Engineering and Automation, Xihua University, Chengdu 610039, China)

Auto body, as one of the four auto assemblies, always is the difficult one in the design and manufacture of a vehicle due to the complexity and particularity of its shape and structure. Using the combination of three-dimensional software and reverse modeling method to design and optimize auto body can greatly reduce the automobile design and manufacturing cycle. Firstly, the reverse modeling technology of a auto body is studied. Secondly, surface cloud data of a car made in China are measured and obtained using an optical scanner. Then, the measured data are processed using Geomagic software, and the auto body surface is reconstructed based on NURBS surface modeling. Finally, the surface modeling and analysis of auto body are conducted in software UG. The research is prepared for the subsequent structure optimization design of the auto body.

auto body ; reverse design ; Geomagic ; surface modeling

2013-10-17

省部共建教育部重点实验室项目“叶轮类零件加工过程的数值仿真技术研究”(SBZDPY-11-22)；四川省教育厅重点科研资助项目(2004A111)

曾林林(1989- )，男(汉族)，四川内江人，在读硕士研究生，研究方向：金属切削原理及刀具应用，通信作者邮箱：zeng_lin_lin@163.com。

周利平(1964- )，男(汉族)，四川达州人，教授，研究方向：制造过程的数值仿真技术、数控加工技术等。

TP391;U270.3

A

2095-5383(2013)04-0048-04