汽车零部件逆向设计中的参数化建模方法研究

於旭

摘 要：由于受工作任务繁重以及CATIA软件逆向设计功能有限等现实因素的限制，致使新车研发阶段的竞争车型分析环节无法依据现实条件建立相应的参数化模型。同样，在对其他汽车零部件的逆向设计中也受到此方面限制。为此，汽车行业专门研究出了一套能够支持曲面拟合的自动化操作模式，能够通过对汽车零件的逆向设计来获取高精度的汽车零件参数，从而为三维模型的制作提供必要条件。这种方式便是联合了Geomagic Studio与CATIA V5软件所实现，具体采用了EXAScan激光扫描仪对零件进行了扫描。由此便可获取到建立参数化模型所需的相关数据，就以国内某汽车轻型发动机的汽缸盖罩逆向三维设计为例。结合上文所述，利用激光扫描仪EXAScan对零件进行扫描，将获取到的三维数据传输至Geomagic Studio之中，经过Geomagic Studio对点云的前处理与曲面拟合，将处理结果导入到CATIA V5之中，由此便可完整整个曲面加工过程。最后，依据前期获取到了高精度数据，结合经验提出优化建设。此方式被广泛运用到了汽车零部件的设计之中，且大量的实践还表明了该方式能够为新产品的研发提供巨大便利。因此也备受汽车研发领域的高度关注。

关键词：汽车零部件 逆向设计 参数化建模

随着我国计算机与汽车行业的蓬勃发展，逆向工鞥技术也被广泛运用到了汽车产品开发领域中。而所谓的逆向工程，即一种依据已经存在的产品实物模型，利用三维扫描对数据模型的形成过程予以重构，如此既能让产品的设计周期得以大幅缩短，又能对工艺产品进行改良，从而让开发设计过程变得更加高效且便捷。

基于上文所述，目前，逆向工程被广泛运用到了汽车产品的设计领域之中，且该技术对汽车新产品的研发有着极为突出的作用，尤其是在设计外车身与内饰等具有自由曲面特征的汽车零部件时，如今的解决方案已然是以遵循A级曲面标准的逆向设计为标准。除此之外，在新车研发的竞争车型分析阶段，大多数厂商大多是基于逆向设计来建立有关车身钣金件、发动机以及底盘结构件等重要汽车零部件的参数化模型，以此为车型分析提供参考。

相较于早期以尺卡、皮尺直接测量尺寸的方式，汽车零件产品的逆向设计不仅过程简单，且能将测量的误差控制在合理的范围。如图1所示，左侧所呈现的Geomagic Studio处理点云与参数化曲面拟合的过程，右侧所示则是将前期处理好的数据导入CATIA V5后的处理步骤。

1 汽车零部件逆向参数化设计方法

1.1 逆向扫描

本研究的逆向扫描过程使用的EXAscan手持式自定位三维激光扫描儀设备是由Creaform公司所研发。正式扫描前，需要对扫描对象作一系列的预处理工作，具体包括清理零件表面以及将参考点无规律的贴在被扫描对象的曲面平缓处。以上处理工作，前者是为了确保零件表面所反射的激光能够被激光扫描仪充分接收；后者则是要为扫描仪定位扫描位置提供参考，以此来为扫描的精准度提供保障。除此之外，考虑到黑色或过于光洁的表面还会影响到激光的反射，故针对此类扫描面还需预先在其表面喷涂一层可以产生漫反射的白色粉剂。如图2所示便是已经完成喷粉与贴点工作的汽缸盖罩事务，从图中可知，该实物表面同时具有平面、圆柱与诸多孔特征，因此需要诸如喷涂喷粉一类的白色粉剂，而白色圆点所示便是后续贴上的Marker点。

1.2 三维激光扫描

三维激光扫描是一种全自动、高精度的立体扫描技术，而因该技术是基于面的数据采集，故也被称作实景复制技术。该技术主要运用了三维激光扫描仪，该扫描仪最核心的部分则有动作捕捉仪、手持激光头与数据处理系统，每秒可扫描36000个测量点，精度则能达到0.05mm。当然，为了确保数据扫描的精准度，扫描前也要对扫描仪进行校准。校准的过程需要在扫描对象上张贴3个以上的特征点，贴放的标志点不能影响到被扫描物的主要特征且相互之间至少要间隔5mm，以此来保证扫描数据的真实可靠。此外，扫描时的动作捕捉仪需与被扫描对象保持2m以上的距离，同时还要对现场环节的光照度予以适当调整。过高的量度必定会影响到激光的反射。因此，选择环境的光照度应越低越好。必要时可用篷布遮挡光源，以此减少其他光纤对扫描仪的干扰。功率方面也要合理调整。通常情况下，扫描仪的极光设置功率应保持在额定功率的80%，而与被测物体之间的距离也要保持在300mm左右，这样才能保证扫描图像的清晰，以此保证高质量的扫描结果。

1.3 点云的前期处理

利用激光扫描仪扫描所得的点云难免会存在诸多噪音点，又或是受其他干扰因素而出现漏扫的情况，致使扫描结果出现诸多空洞，这便需要相应的裁剪与修理来对点云进行前期处理。

将点云数据文件上传至Geomagic Studio，利用软件的自动生成功能，便可获取到相应的多边形对象，之后便可利用多边形操作来处理点云数据。首先，基于Geomagic Studio软件的“多边形”Ribbon页面，此页面囊括了诸如“删除”、“简化”“流形创建”、“剪裁”等多项处理工作，利用处理工作便可进行“单个孔填充”与“丁状物”等修补操作。除此之外，软件还自带一项便捷性的修补功能，即“网格医生”，该功能可让同一界面集成各项修补功能，以便大批量的完成自动修补工作，从而减轻人工操作的负担。

使用EXAscan扫描仪还将面临无法设定基准坐标的问题。对此，通常的解决方式为手工拟合3个相互垂直的平面，利用Geomagic Studio软件“对齐页面”嵌入的“Global registery”功能，让三个平面组成的坐标系与所有点云及多边形对齐。当然，期间不要要对3个基准普平面的精度予以省慎考量外，也要考虑零件整体性变与其他特征对拟合精度的影响。

1.4 参数化曲面的建立

在Geomagic Studio软件的早期版本中，参数化曲面是被嵌入到了Fashion功能之中。当页面的所有功能均被激活，接下来便要执行“探索区域”的命令，该命令所囊括的区域具体如图3所示，从图中可知，不同区域经过拟合转换都将被转换为一块独立的参数化曲面，这便意味着在转换前期便要合理划分转换区域，否则将影响到点云的获取质量。除此之外，在执行“编辑轮廓线”命令时也要提前调整好区域的边界形状，这样才能降低参数化曲面的建立误差，继而为逆向设计的高质量提供保障。

在执行“拟合曲面”功能之前，所有的区域都要用鼠标滑过，目的便是要让软件通过识别鼠标的运行轨迹来生成参数化曲面，再经由“拟合连接”与“分类连接”功能，两个参数曲面的过渡面也由此生成。图4所示便可完成初步拟合的曲面，由图可知，轮廓线主要起到分隔不同曲面的作用。

使用Geomagic Studi内置智能程序，不仅可以对创建的CAD曲面予以优化，且能快速提出其设计意图，从而自动拟合出各种机遇草图规则的平面与柱面。当然，这些自由形状的表面也可被随意的提取或挤压，轮廓曲线也能被转化为三维CAD参数化建模。此外，在Geomagic Studi2012中还新增了一项“草图”的功能，该功能不仅能直观展示出点云及多边形模型的横截面曲线，且支持直接编辑，由此也能为参数化曲面的建立提供巨大便利。

在获取点云时难免会因额外因素导致误差出现，对此，为尽可能缩短与期望曲面类型间的差距，可在拟合曲面前进行调整修改，具体则是运用如图5所示“曲面修复”界面的“曲面修复”、“曲面编辑”以及“草图编辑”等功能，对所选的曲面进行修复。除此之外，Geomagic Studio还会控制网络异常并给出提示，用户则根据提示进行修复，以此也能缩短所选取面与预期类型的差距。

相较于Geomagic Studio的“修复曲面”功能，CATIA V5的快速曲面重建（Quick Surface Recognition）工作台所提供的曲面拟合功能便逊色许多。首先从工作点云的选择范围来看，CATIA V5需要手动控制拟合的精度，以此过程也极不方便。但Geomagic Studio也有其缺点，即该软件在对参数面曲面进行拟合时会占用极大的内存资源。因此，应用Geomagic Studio同时对操作系统与系统内存有着较高要求。

1.5 参数化实体模型的生成

基于图6所示的CATIA参数全面，为给后续的参考提供便利，笔者又将点云导入到了CAITA V5的DSE之中，由此重建出了能够凸显实体特征的创成式曲面。基于此，后续的实体模型创建过程只需对封闭的实体进行加厚，再以手动的方式创建少部分特征，这种便可完成实体模型的最终重建，期间的工作量将大幅减轻。

2 技巧与建议

为保证汽车零部件模型拥有较高的精准度，且无法繁琐的操作过程，本研究也将依据前期时间提出如下建议：

（1）基于后续所有的工作效果均是由初始阶段的点云扫描质量所决定。因此，必须经过严密的前处理来保证扫描结果的高质量。

（2）虽然，利用软件的批处理功能能够自动完成划分轮廓曲线以及曲面拟合等流程，但过程却容易受到各种因素的影响而导致处理结果产生较大偏差。因此，最合适的处理方式应是将批处理与交互处理相结合，并以手动的方式来对轮廓线、曲线类型以及参数值等数据进行修改。这样既能避免因零部件变形或扫描过程存在误差而导致了结果偏差，又能不受软件智能化程度有限的限制。对此，以手动的方式修改其尺寸，使之与同类型的柱体及孔特征保持一致，这样便可尽可能减少扫描误差并保证最终结果的精准性。

（3）Geomagic Studio软件应尽量将曲面拟合的所有功能，让软件的点云处理与曲面拟合优势得到充分发挥。至于CATIA V5软件则在曲面的修剪加工与实体生成等环节更加适用。

（4）基于CATIA V5每次只能对部分区域进行处理。因此，参数化曲面的生成与导入也要分批次完成。以此方能提高拟合的精度并與电脑的处理适度相适应。

（5）对于螺钉孔与销控直径、钣金件参数等需要手动设定拟合参数，设计时应结合汽车的结构原理及经验来保证逆向设计结果的准确性。

3 结束语

总之，研究结果表明，运用Geomagic Studio和CATIA V5软件可以为汽车零部件的逆向参数化设计提供巨大便利。因此，汽车零部件制造厂商也应对Geomagic Studio和CATIA V5软件的联合运用给予高度重视，继而切实制造出高质量的汽车零件来为用车人的生命安全提供保障。

参考文献：

[1]黄兵锋.汽车零部件逆向设计中的参数化建模方法研究[J].机电工程，2013，30（11）：5.

[2]刘军.试析汽车零部件逆向设计中的参数化建模方法[J].时代汽车，2018（1）：3.

[3]陈建洲，吴婷.汽车零部件参数化逆向设计研究[J].科技创新与应用，2018（9）：3.