基于ICEM Surf的汽车引擎盖逆向设计*

肖建忠，苗 盈，邹子为，李宇东，晏子翔

（无锡职业技术学院机械技术学院，江苏无锡 214121）

0 引言

逆向工程是通过现代测量手段获取产品点云数据并进行数字模型重构的过程，是消化吸收先进技术和缩短产品设计开发周期的重要手段，在汽车产品的设计开发中得到了广泛的应用[1]。王超等[2]利用逆向设计技术对汽车前大灯反射镜产品的设计开发和质量检验进行了研究。陈堰芳[3]基于Geomagic Studio软件研究了汽车引擎盖的曲面逆向造型设计。武振锋等[4]介绍了CATIA软件在引擎盖逆向设计中的具体应用方法与技术要点。王春香等[5]利用Geomagic Design X软件实现了汽车悬架下弯臂的实体模型重构并用Geomagic Control X 软件进行了精度分析验证。黄育飞等[6]基于Alias 实现了汽车自由曲面的逆向造型设计。本文运用逆向工程技术在ICEM Surf软件中完成了汽车引擎盖的曲面造型设计。

1 ICEM Surf软件

ICEM Surf在自由曲面设计领域是公认的主流设计软件之一。ICEM Surf软件被很多著名汽车制造商作为产品开发中的高质量自由曲面（A级曲面）制作工具[7]。ICEM Surf软件具有的特点：（1）曲面生成方式灵活自由，容易获得简洁流畅的高质量曲面模型；（2）提供严格的数据检查方法，有助于获得高品质曲面数据；（3）具有显示效果接近真实模型的展示功能；（4）数据兼容性好，通过数据接口可以方便地与其他常用CAD系统交换数据。

在ICEM Surf软件中构建曲面需要遵循基本原则：（1）曲线是制作曲面的基础，很大程度上影响曲面品质，曲线应具有良好的形状，没有过于平坦、尖凸区域或多余的曲率拐点；（2）为确切描述物体外形，曲面片需足够大，对其进行裁剪后得到所需的区域；（3）在足以描述形状的前提下，曲面片阶数尽可能低；（4）曲面片应是接近矩形、扇形等规则形状；（5）曲面片控制点分布应尽可能规则，尽量避免控制点突出或波动；（6）相邻曲面间应达到足够的位置连续和相切连续精度，确保能生成实体模型。

在ICEM Surf软件中构建曲面的基本流程：（1）根据原始数据（点云数据）生成主要曲面片；（2）检查曲面边界和控制点在各视图方向上形态是否良好；（3）对曲面进行曲率检查；（4）对邻近曲面重复以上步骤；（5）延长2个邻近曲面直至相交，并确保不发生不规则变形；（6）用交线裁剪曲面片；（7）分析曲面片边界曲率，确保曲率分布良好；（8）对邻近曲面重复以上步骤；（9）检查邻近曲面之间的位置、相切、曲率连续性；（10）生成和调整主要曲面之间的过渡曲面。

2 引擎盖点云数据采集及处理

2.1 点云数据采集

数据采集是从已有产品原型表面获取点云数据的过程[8]。这里采用手持激光扫描仪采集汽车引擎盖的点云数据。在开始扫描之前，需要在引擎盖上黏贴标记点，标记点可以使扫描系统在空间中完成自定位。标记点应尽量贴在工件上平整以及无细节特征的表面；不宜贴在工件边缘，须离开边缘2 mm 以上；标记点的距离与表面曲率变化有关，一般在30～100 mm。由于引擎盖表面曲率变化较小，所以标记点之间的距离约为100 mm，随机均匀地黏贴在引擎盖表面，如图1所示。扫描汽车引擎盖时要从中间向两边扫描，因为移动时有误差，从中间向两边扫描可以减少误差。

图1 黏贴标记点并扫描引擎盖

图2 点云数据处理流程

2.2 点云数据处理

在逆向重构之前需要进行数据处理，以获得完整、准确的测量数据[9]。这里使用Geomagic Design X软件进行点云数据处理，具体操作步骤如图2所示。其中，修补精灵用来检索面片模型上的缺陷，如重叠单元面、悬挂的单元面、非流形单元面、交差单元面等，并自动修复各种缺陷；加强形状用于锐化面片上的尖锐区域（棱角），同时平滑平面或圆柱面区域，从而提高面片的质量；面片的优化是根据面片的曲率大小，改善单元面的分布疏密程度；通过平滑操作可以消除面片上的杂点，降低面片的粗糙度。

3 引擎盖曲面逆向重构

3.1 曲面特征分析

处理后的汽车引擎盖点云数据如图3 所示，从图中可以看出引擎盖有3条特征线，这3条特征将引擎盖分成了3块大的区域。由于特征线2前端的消失点等原因，引擎盖模型还可以进一步细分，最终分解成如图4所示的7组曲面。由于汽车引擎盖是对称件，因此在模型重构时只要做其中1/2，然后再镜像。7组曲面制作完成之后，在3条特征线所在的位置进行倒圆角，最后裁剪边界曲线。

图3 处理后的引擎盖点云数据

图4 引擎盖模型曲面分解

3.2 曲面重构流程

使用ICEM Surf软件对汽车引擎盖进行模型重构的基本流程如图5所示。在制作曲面的过程中，需要调整曲面控制点，使其排布规则、变化均匀有规律，从而提高曲面光顺度、降低形状复杂度，最终获得高质量曲面。由于引擎盖曲面由若干个曲面拼接而成，为满足外观和结构设计要求，应根据具体实际情况，使曲面之间达到位置连续、相切连续、曲率连续等连续性要求。

图5 引擎盖逆向重构的基本流程

3.3 曲面质量评价

高光线的分布反映了曲面形体特征和曲面之间的连续性关系。如图6所示，上方曲面为点云曲面，下方曲面为制作曲面，通过对比可以评价曲面质量。图6（a）所示为X方向的高光线，在方框区域内，点云曲面的高光线比重构曲面更密，原因是原始曲面在该区域处有一道翻边；图6（b）所示为Y方向的高光线，在方框区域内，点云曲面的高光线与重构曲面不同的原因是，重构曲面将最中间的圆角贯穿了整个曲面，如果能够在引擎盖前侧使这道圆角逐渐消失，可能就不会有此处的差异；图6（c）所示为Z方向的高光线，点云曲面的高光线与重构曲面基本一致，重构曲面的质量比点云曲面更优。

图6 用高光线评价曲面质量

4 结束语

本文从点云数据采集、点云数据处理、曲面特征分析、曲面逆向重构和曲面质量评价5个方面，系统介绍了汽车引擎盖逆向设计的方法流程和技术要点。结果表明，采用逆向设计方法，以专业级曲面设计软件ICEM Surf为工具，能够快速准确地还原引擎盖曲面的形状特征，为其后续的分析优化和创新设计提供了高质量的曲面模型。将逆向工程技术应用到具有复杂自由曲面外形的汽车零部件产品，能够缩短产品开发周期，提高产品质量，对实际车型的数字化设计和改型升级具有重要应用价值。