基于反求工程的某MPV车身A面建模与分析

龚运息，覃敏

（1.重型车辆零部件先进设计制造教育部工程研究中心（广西科技大学），广西柳州545006；2.柳州五菱汽车工业有限公司技术中心，广西柳州545007）

基于反求工程的某MPV车身A面建模与分析

龚运息1，覃敏2

（1.重型车辆零部件先进设计制造教育部工程研究中心（广西科技大学），广西柳州545006；2.柳州五菱汽车工业有限公司技术中心，广西柳州545007）

以某MPV车型车身A面建模为研究对象，简述了反求工程以及A级曲面的基本概念、A级曲面的建模要求和重构流程.提出了按特征划分点云，按特征分块构造曲面，曲面拼接的方法，并以MPV车身扫描点云数据为依据，运用反求设计软件，完成MPV车型车身A面的重构设计.通过对曲面光顺性、连续性检查，验证分析了重构曲面与A级曲面标准的符合性.A级曲面的反求设计证明反求工程可以作为产品设计开发的一种特别的技术手段，为解决车身A面建模提供了一条有效的途径.

反求工程；MPV车身；A面建模；曲面分析

0　引言

随着计算机辅助设计和图形学技术的发展，大数据的计算和处理、图形的重构能力大大提高.以测量技术为基础、曲面重构技术为核心的反求工程技术，在汽车新产品设计中得到了有效应用.这些应用研究一般集中于车身模型造型和零部件结构造型［1］，鲜有以高质量车身A面标准为研究对象开展的反求工程技术应用的研究.车身A面建模是汽车新车型设计开发的一个重要环节，A面定义和约束了车身外表面轮廓，是车身结构设计的前期工作.在MPV（Multi Purpose Vehicle，多用途车）车身A面建模中，导入反求工程技术，将开辟A面建模的一种特别的途径，其核心是将现有模型或样车外表面轮廓数字化，通过再设计获得一个新的车身数字化模型.因为有了现有模型（样车）做继承性的参考，对车型改款及形成系列化更为便利，可以降低产品设计开发的风险.

1　A级曲面的定义及建模要求

1.1A级曲面的定义

A面（Surface A）全称A级曲面（Class-A-Surface）.在学术界以及汽车厂家对车身A级曲面的定义，略有不同，但取得了比较广泛的共识.所谓车身A级曲面，是指必须满足相邻曲面间的间隙在0.005mm以下，切率改变在0.16°以下，曲率改变在0.005°以下数值标准的一组整体车身曲面.A级曲面确保了车身外表面钣金在环境反射下流畅光顺.以美学的观点来判定，就是模拟光照射到曲面上，光线表现出平顺、光滑、流畅的视觉感受，不会出现凸起或凹陷的情形［2］.A级曲面是曲面品质最高的曲面，用于定义车身外蒙皮或车身外覆盖件零件表面质量要求.依次，用B级曲面、C级曲面定义车身内覆盖件以及外表面质量不高的内部结构件.

通常用曲面连续性来判定相互连接的曲面之间过渡的光滑（光顺）程度.曲面的连续性通常分为5个等级，用符号表示为：G0——位置连续，G1——切线连续，G2——曲率连续，G3——曲率变化率连续，G4——曲率变化率的变化率连续［3］.一般认为满足G2曲率连续即达到A面建模要求.更高的A面质量是达到G3或G4要求，表面更加光滑流畅.但在车身反求设计实践中，考虑到点云拟合精度、曲面重构的难度，以及制造成本的增加，一般无需达到G3或G4要求.

1.2A级曲面建模的评价指标

多年来，在汽车设计开发领域，车身CAD设计的实践为A级曲面的建模积累了丰富的经验，归纳、总结行业认可的A级曲面建模一般评价指标如表1所述.

表1　A级曲面建模评价指标Tab.1 E valuating indicator of surface Amodeling

2　MPV车身A级曲面的重构设计

2.1曲面构建的数学基础

常用的曲面重构方法主要有2种：1）以构造三角曲面为特点的Beizer曲面造型方法；2）以构造矩形参数曲面为特点的NURBS（非均匀有理B样条）曲面拟合.以Beizer和B－spline方法为基础建立的非均匀有理B样条NURBS曲面重构算法，能较好地实现解析几何与自由曲线、自由曲面的统一，成为CAD／CAM软件曲面数学算法和建模的主流.NURBS曲面的数学模型［4］如下：

式（1）中：Pij（i＝0，1，2，…，n；j＝＝0，1，2，…，m）为给定的网格控制顶点；Ni，p（u），Nj，q（v）分别为p次和q次B样条基函数；wij为与控制顶点相关的权因子.

在反求设计软件中，曲面经过优化、整理后自动创建网格线，在每一块曲面内自动生成U，V控制线.

2.2基于反求工程的A级曲面建模流程

在反求工程设计导入之前，我们的产品设计一般是正向设计.车身正向设计的过程，是设计人员首先在大脑中构思产品的外形，然后通过绘制车身草图、车身效果图，设计构建产品的三维数字化模型的过程.

而基于反求工程的车身设计建模，是根据已经存在的产品模型或标杆样车，反向设计给出产品数据（包括设计图纸或数字模型）的过程.随着计算机技术和数字化测量技术的迅速发展，基于测量数据的车身造型技术成为反求工程技术的主要应用方向.通过数字化测量设备（如三坐标测量机、光学测量设备等）获取已有的产品模型或样车表面的空间数据，再利用反求工程技术和软件建立产品的三维模型.一般的基于反求工程的A级曲面建模流程如图1所示.

图1　A面的反求建模流程图Fig.1 Reverse engineering flow－process of surface A

2.3MPV车身A级曲面的重构方法

基于上述A面流程，点云的获取，是来自ATOSII光学扫描测量系统.测量对象为某MPV标杆样车车身，通过ATOSII光学扫描测量系统对标杆样车车身外表面进行扫描测量，获得车身外表面的点云数据［5］.把车身点云数据变成车身三维CAD模型，需要一系列的曲面重构、曲面分析和检查、设计评审和修改等过程.曲面重构、曲面分析和检查的工具，即反求工程软件的应用，是A级曲面反求工程设计的核心.在此使用的是著名的反求工程软件Imageware，Imageware软件具有强大的点云数据处理、曲面造型、误差检测等功能，可以处理几万至几百万的超大点云数据［6］.根据这些点云数据构造的A级曲面具有良好的品质和曲面连续性.

Imageware现已经集成于UGNX软件模块系统.Imageware软件中的曲面主要用NURBS表示，其次也用B-spline表示.定义曲面的参数包括正负法矢、UV方向、节点、跨距、控制点、阶次及剪裁恢复性质等. Imageware的模型检测功能比较强大，可以直观、方便地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差，以及测定平面度、圆度等几何误差［7］.

1）点云的输入与处理

将ATOS光学扫描测量获取的车身外表面点云数据，以STL文件格式输入到Imageware.由于数据庞大，必须对点云数据简化处理.数据的简化（Data reduction），通常的做法就是使用Modify||Data Reduction|| Space Sampling命令，设定distance tolerance为0.10mm，在指定的邻域空间中简化点云，以及去除重叠点.处理之后，点云被均匀精简了40％，可以使得最终做出的曲面精度达到0.10mm要求.

数据简化完成后，接着进行坐标对齐.因输入的数据是基于测量设备的局部坐标系，该坐标系不是车身坐标系.输入的点云数据坐标系要与在Imageware中建立的车身坐标系对齐，确保一个完整的车身外表面三维数据处于同一车身坐标系下.点云数据的坐标对齐，可以采取的方法有3-2-1法、最佳拟合法、交叉法、混合法等，根据实际情况合理使用.点云坐标对齐的误差要求≤0.05mm.

图2　全车身外表面点云Fig.2 Car body surface point clouds

经过数据简化和坐标对齐后的全车身外表面点云如图2所示.

2）车身外表面三维数据的分割

车身外表面三维数据量大，不能简单地做一次性处理和一次性重构车身曲面.需要对车身点云数据做分块处理.分块处理的方法，一是根据车身的外表面特征形状进行分割；二是采用计算曲率进行分割，即通过计算点云数据的曲率找到尖边区域及边线，以此作为边界进行区域划分［8］.大面的分块可以划分为顶棚、左右侧围、前围、后围等大区域，各大区域点云要求在同一坐标系中分别做曲面重构，以便最后拼接各大区域所有分块数据，做整体车身光顺处理.以左侧围为例，如图3所示为被划分出来的左侧围点云.

3）构建曲面

车身曲面是复杂的空间自由曲面，为减少车身风阻，车身设计建模呈流线与光顺，是车身曲面的显著特点.车身曲面的设计建模依据参数化造型方法，结合车身的外形特征，车身曲面需采用分块建模的方法.即，在同一坐标系下，把车身曲面划分为若干个容易处理的曲面块，对各部分特征表面采取分块造型，最后再总装配到一起.

Imageware曲面构建的方式主要有4种：直接构建基本曲面、基于曲线的曲面构建、基于测量点直接拟合的曲面构建、基于测量点和曲线的曲面构建.基于车身外表面的特点，曲面构建的方式主要用后面3种.在此以左侧围的曲面构建为例，对左侧围点云某区域等距截取断面线，获得一族断面点云，据根断面点云进行曲线和曲面构建.车身工程师提取截面线与点云作比较，指导曲面编辑，使曲面能够拟和点云.这是一个交互式的无限逼近的过程，需要通过软件的Molding Option功能来实现动态观察.在调整控制点时，依次调整一个方向的控制点，使其与点云贴近，之后再调整其他方向.做曲面调整时，结合使用曲面诊断工具，用等距截面线的曲率梳进行检测，直至达到各截面线的曲率梳呈均匀变化趋势，对曲面品质进行实时动态控制.如图4所示.

图3　分解出来的左侧围点云Fig.3 Left side panel point clouds

图4　构建曲面Fig.4 Constructing surface

4）曲面连接和连续性分析

在车身A级曲面重构过程中，如前所述，首先是对车身外表面点云数据按形状特征做分割处理.分割的每一块大面的区域还需分成几块面来构建，这是因为用一块曲面构建，获得的曲面不能满足A级曲面所要求阶数控制，以及曲率变化等要求.如图5所示，把这一区域分成3块面，借助Imageware软件的Match功能约束相邻曲面间的连续性，即对话框勾选选项：√Position、√Tangent、√Curvature.并用Multisurface Continuity功能实时检测它们的连续性指标.在Imageware软件中，分别用Position，Tangent和Curvature代表G0，G1和G2.连续性检测的结果为Position＝0.001mm，Tangent＝0.050°，Curvature＝0.001°，分别达到A级曲面连接所要求的公差范围，即G0≤0.005 mm，G1≤0.16°，G2≤0.005°的要求，如图6所示.表2列举了几块大面的连续性指标检测结果，数模图示省略.其他面的续性指标检查和分析方法相同，在此也不一一列举.

图5　约束相邻曲面间的连续性Fig.5 Restrict the continuous of adjacent surfaces

图6　检查曲面的连续性Fig.6 Inspecting the surfaces continuous

表2　几大面的连续性指标检测结果Tab.2 Continuous detection result of several large surfaces

5）曲面光顺性检查

曲面重构完成后，要检查和分析曲面的光顺性.

曲面的光顺性分析主要内容和顺序为：①检查各曲面之间以及倒圆角连接的连续性，连续性数值满足A级曲面所要求的数值范围内；②上光检查（Shade）.通过旋转数模或变换光源角度来检查数模的光影效果，观察表面是否存在局部凸起或凹陷，以及层叠或扭曲等质量缺陷.③斑马线检查（亦称等照度线，Isophote）.模拟一组平行的光源，以此产生的光影反射线照射到被检查曲面，曲面呈现流畅造形.执行检测的结果显示，该车身曲面斑马线的走向及宽窄变化均匀，斑马线相连，且在连接处呈现一个光顺过渡，没有产生尖锐的拐角，也没有错位，最终达到A级曲面的要求，如图7所示.

6）车身A面的总装配

按照车身曲面重构的方法和步骤，在完成顶棚、左／右侧围、前围、后围等大区域的曲面重构后，调取各大区域的曲面，进行总装缝合，总体检查，最终获得整体车身A面数模.通过旋转模型或变换光源角度来检查车身数模的光影效果，整体车身表面没有局部凸起或凹陷，以及层叠或扭曲等质量缺陷，车身数模光顺流畅，如图8所示.

3　结论

通过研究，可得出如下结论：1）基于反求工程的MPV车身A面建模，满足了A级曲面建模一般评价指标要求；2）A级曲面的反求设计，证明反求工程可以作为产品设计开发的一种特别的技术手段，为解决车身A面建模提供了一条有效途径；3）反求工程因省略了正向设计过程中的车身外形构思、车身图草绘、车身效果图设计等环节，可以缩短开发周期.随着产品的外观设计越来越复杂化、多元化、个性化，由此展望反求工程技术的发展，车身A级曲面的建模，将不仅仅依赖反求工程技术，更多的是正向设计与反求设计综合应用，甚至对软件进行二次开发，导入参数化设计建模方法［9－10］，以此强化反求功能，更好地开发出原创性与实用性兼备的客户满意的汽车产品.

图7　检查曲面的光顺性Fig.7 Inspecting the surfaces smoothness

图8　整体车身A面数模Fig.8 Surface A date－model of whole car body

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（学科编辑：黎娅）

A MPV car body surface A modeling and analysis based on reverse engineering

GONG Yun-xi1,QIN Min2
（1.Engineering Research Center of Advanced Design and Manufacturing Technology of Heavy Vehicle Components(Guangxi University of Science and Technology),Ministry of Education，Liuzhou 545006,China；2.Technology Center，Liuzhou Wuling Automobile Industry Co.,Ltd.，Liuzhou 545007,China）

Taking surface A design of a MPV car body as an example,the basic concepts of reverse engineering and class-A-surface,the design requirements and reconstruction process of class-A-surface were sketched.The methods that dividing point cloud,blocking surface construction and surface merging according to the characteristics were proposed,after that,the MPV car body surface A reconstruction was completed by using reverse design software.The compliance between reconstruction surface and class-A-surface standard was verified through surface smoothness and consistency check.The reverse design of class-A-surface proved that reverse engineering can be used as a special technology of product design and development,it can provide an effective way for the design of car body surface A.

reverse engineering；MPV car body；surface A modeling；surface analysis

U463.82

A

2095-7335（2016）03-0033-06

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.03.006

2016-01-07

广西科学研究与技术开发计划项目（桂科能0907013）资助.

龚运息，硕士，高级工程师，研究方向：汽车和机械产品数字化设计制造，E-mail：gyx863＠163.com.