基于点云逆向汽车数字建模技术应用探究

周峰　姜成山

摘 要：计算机辅助设计数字化的发展应用，逆向数字建模技术缩短了汽车产品开发时间周期，提升了开发效率，应对几何外形快速修改，为准确决策提供不可替代的依据。满足多样化、个性化、系列化等方面的需求。本文基于行业现状，阐述了汽车造型研发流程中的A级曲面设计环节应用方法，分析了设计与质量评价的关键内容。

关键词：点云逆向汽车;数字建模

1 正向CAS设计与逆向Class_A设计的区别

CAS是英文Concept A Surface的缩写。CAS数据是汽车设计数字化工作流程中交付初步造型曲面，属于A面前一阶段任务。制作CAS前提要求：效果图、工程可行性分析、造型策略等支持文件。CAS面主要是用于造型研究阶段进行法规要求、造型、工程、生产制造的校核，造型开发过程评审以及大小比例、全尺寸油泥模型的制作。

A级曲面逆向设计是在点云基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。Class_A是由CATIA软件开发Dassault System公司提出的概念，主要是指车身零部件中对外观和形状要求极高的可见曲面。如车身外部覆盖件、仪表板和门护板等零件的表面。

点云是通过3D扫描仪得到的产品外观表面的点数据集合并经计算机处理后形成的点状数据。数据采集是数据处理、模型重建的基础。没有高精度的数据采集技术和设备就不会逆向出高水平的模型。点云数据的测量方式主要有接触式和非接触式两种。点云输出的主要格式有：*.stl、 *.pts、*.asc、*.dat、*.imw、*.xyz

汽车行业逆向建模应用的三维软件有ALIAS、CATIA、ICEM-Surf等，本文介绍使用Alias软件进行乘用车整车外饰点云逆向设计建模和检查。

2 Class_A逆向设计与开发方法解析

2.1 外饰点云逆向设计前，需关联设计任务输入清单：

2.1.1 点云数据，根据实物模型扫描采集，体现造型设计意图。

2.1.2 细节效果图或照片，对点云数据的补充和细化。

2.1.3 工程截面输入与轮胎限制

含整车长宽高、地面线、前＼后悬、轴距、接近＼离去角、前＼后视野线、头部空间要求。轮胎限制包含轮护板法规限制，轮胎包络。

2.2 逆向设计基本原则

2.2.1 符合法规

数据设计前需输入产品投放市场国家、区域，保障设计数据符合当地法律法规要求。

2.2.2 符合企业级A级曲面质量要求

一般汽车生产厂家会有适应于自己体系的生产、制造工艺水平的数据输出精度要求。不同厂家在公差设定上会有些许差异，而公差設定会带来数据设计工作量的差别。

2.2.3 连续性要求

连续性要求是指相邻曲线或曲面之间的搭接关系，汽车A面常用的有G0、G1、G2、G3连续。

2.3 符合一般行业通用数字质量要求

在汽车行业数字化发展过程中，逐渐形成了汽车Class_A设计的一些通用原则：

2.3.1 所有特征都必须具有可扩展性和可编辑性

2.3.2 所有特征都必须分解成单凸或单凹特征

2.3.3 所有特征面的光顺保证2阶导数以上连续

2.3.4 所有特征线（面）函数必须小于6阶

2.3.5 所有特征间的连接要2阶导数以上连续（曲率连续）

2.3.6 零件边界线必须光顺

2.3.7 不可以用多个特征断面，用扫面（sweep）的方法，但可用单特征面（曲率变化不超过2倍）多个断面扫面

2.3.8 不可用多个边界约束的小面拼接零件

2.4 点云输入整理与质量评估

点云输入后根据需要进行稀释、整理。通过环境分析和斑马线检查点云质量，对点云数据中的质量缺陷，确定修正方案以方便数据设计工作有效开展。根据扫描硬点与设计坐标进行坐标修正，达成设计目标。

2.5 设计步骤与方法

2.5.1 轮廓特征提取

2.5.1.1 对点云数据做X、Y、Z方向截面，用于判定建模中曲线和曲面离点云数据的偏差距离。

2.5.1.2 使用曲线工具构建整车外饰三维轮廓线和内部特征线。

2.5.1.3 使用曲面工具构建侧窗玻璃大面，对比玻璃曲面和点云数据的截面线、斑马线。调节曲面控制参数，使玻璃曲面和点云数据贴合误差在±0.5mm以内，高光走势和宽窄变化和点云一致。

2.5.1.4 拟合Y0曲线构建车顶对称大面，使顶盖曲面贴合点云数据，保证Y0特征G3连续，曲面构成结构合理，控制点规律整齐，多个角度查看斑马线走势是否和点云数据一致并光顺。

2.5.1.5 根据轮廓线和特征线进行其他区域零部件曲面构建，结合截面线和斑马线，批量使用移动CV点工具使A柱面贴合点云数据，斑马线和点云数据一致并且光顺。

2.5.1.6 根据零部件分件定义进行分件设计，构建翻边倒角，并调整DTS定义值。

2.6 设计质量检查

2.6.1 检查标准：

检查标准涵盖曲面质量标准，一般在参考行业标准前提下执行主体企业的设计标准。其中典型公差标准为曲面之间的连接至少满足切向连续，连续性要满足相邻曲面间之间隙在 0.005mm 以下（有些汽车厂甚至要求到0.001mm），切率改变 在0.16度以下，曲率在0.005度以下，曲率变化率在0.01度以下。

2.6.2 法规标准：

必须满足车型上市所在的国家或地区法规要求，含外凸、行人保护等。

2.6.3 工程检查（截面、DTS）：

2.6.4 曲面质量检查：

2.6.4.1 数据完整度检查

各零部件总成曲面数据完整。在交付前必须做完整性检查，不能出现重复、缺面、短边、未剪切等状态。

2.6.4.2 贴合度检查

2.6.4.3 整车主特征线线性检查

整车造型风格主要由主造型特征线来体现，如腰线、水切线、发动机盖流水线和汽车各部件之间的分缝线等，这些特征线构成了整车造型风格的主基调，其它小的造型特征如组合灯、手柄、装饰亮条、防擦条、门槛护板等也与这些造型特征相呼应，达到浑然一体的效果。因此，主造型特征线条的品质是评价整车造型优劣的决定性因素，而评价主造型特征线条品质的主要指标就是它的光顺性，且其投影在3个标准视图上的控制点必须规律有序。

3 总结

汽车A级曲面逆向设计是一项复杂的工作，要根据车身的特征对点云进行细致的分解，找出合适的光顺方法：首先光顺基本曲面，在基本曲面的基础上光顺过渡曲面，并将复杂特征部位曲面补上;然后用边界裁剪出需要的曲面。对曲面的评价应在构造曲面的过程中进行，这样可以及时发现曲面的造型问题、光顺问题和工艺问题，以便减少设计缺陷和制造成本。

参考文献：

[1]工程装备逆向建模中的点云配准技术研究[J].机械管理开发. 2019.06.

[2]杨晨.基于逆向工程的汽车车身数字化曲面质量提高方法研究.2019.05.

[3]基于CATIA逆向模块的点云合成方法研究[J].长春工程学院学报（自然科学版）.2018.04.

[4]曾月鹏.基于三维图像的逆向工程重构系统[J]现代电子技术.2018.20.