曲面重构技术在汽车座椅横梁逆向设计中的应用

张宏远，徐万洪，张新然

(1.沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159；2.浙江万里扬变速器股份有限公司，浙江 金华 321000；3.长城汽车股份有限公司，河北 保定 071000)

曲面重构技术在汽车座椅横梁逆向设计中的应用

张宏远1，徐万洪2，张新然3

(1.沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159；2.浙江万里扬变速器股份有限公司，浙江 金华 321000；3.长城汽车股份有限公司，河北 保定 071000)

以逆向工程为基础，以汽车座椅横梁为研究对象，采用非接触照相式三维扫描仪获取座椅横梁的点云数据，利用CATIA软件对点云数据进行取样和降噪等前处理后，进行逆向设计并进行曲面外形分析。结果表明：通过NURBS曲面重构技术可快速改进产品原型，为汽车覆盖件开发提供了重要途径。

座椅横梁；逆向工程；NURBS；曲面重构

随着汽车工业的快速发展，产品的更新换代加速，对汽车产品的设计周期和质量提出了更高的要求，按照传统的正向工程开发汽车产品，增加产品的开发周期；逆向工程技术可在保证产品质量前提下缩短产品的开发周期，适应产品的快速更新。在逆向设计中，对点云数据的处理并根据其特征生成曲面的技术尤为重要。

曲面重构技术是对已有的产品或零件，利用三维数字化测量设备准确快速地获得实物表面的点云数据，对点云数据处理后，通过三维几何建模方法重建或改进零件的三维数字化模型。常用的曲面重构方法有B-Spline法、Bezier法[1]和NURBS曲面法[2-3]等，其中NURBS曲面法可精确描述复杂曲面的外观结构，更好的控制曲面曲线度，常被作为曲面重构的理论方法。

以往的研究中经常采用接触式三坐标测量机[4-6]来获取点云数据，再选取插值方法构造曲面；由于三坐标测量机对复杂曲面点云的获取较为困难，且点云较散乱，所以这种方法受零件尺寸、场地和精度等方面的影响。本文以汽车座椅横梁为研究对象，以NURBS曲面重构技术为基础，采用非接触式三维扫描仪获取复杂零件的高质量点云，利用CATIA软件对汽车覆盖件进行逆向设计。实践结果表明，该方法可快速准确的重构汽车产品的原型，使设计的产品表面具有较高的精度和良好的光顺性。

1 NURBS曲面重构理论

1.1 NURBS曲线

样条曲线是通过一系列离散点连接成的光滑曲线。NURBS(非均匀有理B样条曲线)的形状除了受控制点、节点向量及曲线次数的影响，还受每处控制点上权因子的影响,其数学定义如下[7-9]:

(1)

式中：Pk为控制顶点的位置向量；B(k,i)(u)为点k处的i次B样条基函数；wk为点k的权因子，通常为正值。基函数由递推公式定义如下：

(2)

式中，i为幂次,uk(k=0,1,…,m)构成节点质量U，U=[u0,u1,…,um]。

1.2 NURBS曲面

NURBS曲面由B 样条曲线推广而来，双三次B 样条曲面由给定的4×4个空间网格点控制，如图1所示。这16个控制点决定了B 样条曲面的形状，由这16个控制点组成的空间网格为特征网格[10]。

图1 NURBS曲面的特征网格

同样，可把这16 个控制点写成如下矩阵形式

(3)

与三次B样条曲线相似，双三次B样条曲面很好地解决了曲面片之间的连接问题。只要其特征网格沿某一方向延伸一排，即可决定另一个曲面片，且两曲面片之间可达到C2连续。

B样条曲面的表达式为

近几年，报业广告经营大幅下滑，新媒体赢利模式不成熟，付费模式举步维艰，为了破除转型痛点，数字报业不断改变自己的盈利模式。

S(u,v)=U·N·B·NT·VT

(0 ≤u≤1,0≤v≤1)

(4)

式中

(5)

式(4)写成x、y、z三个方向分量的形式，则B样条曲面可表示为

x(u,v)=U·N·Bx·NT·VT

y(u,v)=U·N·By·NT·VT

z(u,v)=U·N·Bz·NT·VT

(6)

(0 ≤u≤1,0≤v≤1)

2 点云数据的获取和处理

快速、准确地获取点云是逆向工程设计的重要环节。根据测量方式的不同，数据获取方法可分为接触式测量和非接触式测量两大类。接触式测量的典型代表是三坐标测量机，其测量具有较高的准确性和可靠性，但其测量效率较低。近年来以光学测量为代表的非接触测量得到了广泛应用[11]。本文采用天远三维照相式三维扫描仪获取点云，该扫描仪在400mm×300mm范围内，单幅扫描绝对精度高于0.04mm；整体拼合精度高于0.1mm。首先在要测量的汽车覆盖件表面贴上标志点，通过标志点建立框架，在建立好的框架上利用三维照相式扫描仪进行扫描获得成片的点云,然后在CATIA软件中将点云导入，图2所示为未经任何处理的原始点云。

图2 座椅横梁原始点云

2.2 点云数据的预处理

对于非接触测量，在测量中由于被测环境光线状况、测量软件内部算法等原因都可能造成少量的点云数据产生误差，这部分点云称为噪声点，一般出现在模型的尖角和边界区域，如图3所示。由于多次扫描拼接，在拼接部位产生多余重叠点云。这些都会极大的影响曲面重构的速度和曲面精度，所以在点云生成曲面前必须对点云文件进行降噪和过滤等处理。通过降噪处理可剔除尖角和边界附近多余的噪声点，在保留曲面特征和曲率等前提下对点云进行过滤，使点云数据的总量控制在合理的范围内，提高计算速度和生成曲面的表面质量。图4为经过处理后的点云，从图上可以看出，在边线和棱角等曲率变化较大的部位，点云数量明显多于曲率变化较小的部位。

3 NURBS曲面重构

曲面重构是整个逆向设计中复杂和重要的环节，曲面重构是将预处理后的点云通过网格化和特征提取等命令最终生成NURBS曲面。将经过处理后的点云数据进行封装，选择要编辑的曲面的边界，通过输入控制点的数量光滑边界，并最终使边界拟合成一条样条曲线。

图3 多余的噪声点

图4 处理后的点云

3.1 点云网格化

为更好的辨认和提取特征，需对点云网格化。网格化既在相邻的点云之间形成三角片。使用网格化工具使点云网格化，网格化可使点云形状更接近实体，便于后续处理。点云网格化后可对其进行平滑处理，选取合适的平滑度，使平滑效果达到最佳。注意：不能使平滑值过大，否则会造成曲面上一些细微的特征丢失。网格化等一系列处理后的模型如图5所示。

图5 网格面效果图

3.2 特征的提取

特征线的提取是曲面重构技术的关键，重构前首先对零件的曲面进行规划，按照相邻曲面的交线、棱线和曲面的曲率等因素将零件划分成若干个曲面，然后根据每一个曲面的特点采用适合的方式来构建特征线。

对较光整的网格面可采用创成式曲面设计中的扫掠命令进行设计，在此之前先要在网格面上做出扫掠轮廓及相应的引导线。如图6所示。

图6 特征的提取

3.3 曲面的后处理

综合运用以上命令，得到未修剪的曲面，对未修剪的曲面进行分割、桥接、倒角和加厚等，生成的最终曲面如图7所示。

图7 加厚生成的实体

图8 斑马线分析效果图

3.4 曲面外形分析

为保证重构后的曲面外形品质，需进行曲率分析和斑马线分析。质量较好的曲面曲率连续、曲率变化均匀、斑马纹均匀连续。图8为座椅横梁的斑马线分析效果图，通过观察条纹在曲面上的反射情况，分析曲面的状态及品质，根据分析结果反复修改曲面模型，直到达到产品的设计要求。

4 结论

采用非接触照相式三维扫描仪可快速、准确的获取汽车座椅横梁等汽车覆盖件点云数据；通过CATIA软件的逆向设计模块实现对汽车覆盖件的快速逆向设计，经过曲面外形分析，可更好的检查所生成曲面的曲率及曲面的品质，对汽车覆盖件的逆向设计具有重要意义。

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ApplicationofSurfaceReconstructionTechniqueinAutomobileSeatBeamReverseEngineeringDesign

ZHANG Hongyuan1,XU Wanhong2,ZHANG Xinran3

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Zhejiang wanliyang transmission co.,ltd,Jinhua 321000,China;3.Great Wall Motor Company Limited,Baoding 071000,China)

This paper takes automobile seat beam as the study object,and adopts non-contact 3D scanner to obtain the point cloud data of the automobile seat beam.Point cloud data sampling and noise reduction are processed by CATIA,and reverse design and surface shape are analyzed.Results show that,NURBS surface reconstruction technique can improve the product prototype in a fast speed and provide an important way of automobile panel development.

seat beam；reverse engineering；NURBS；surface reconstruction

2013-02-27

张宏远(1980—)，男，讲师，研究方向：汽车车身逆向工程技术.

1003-1251(2014)01-0091-04

TP391

A

赵丽琴)