基于Catia的汽车车身逆向设计方法研究

收稿日期： 2010 － 11 － 19 作者简介： 于哲峰（ 1973 － ） ， 男， 辽宁鞍山人， 鞍山师范学院物理系副教授．
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鞍山师范学院学报
第 13 卷
适宜采用非接触式三维数字化测量系统来进行数据采集 ， 采集的大量的点云数据能够描述完整的车身 外形． 非接触测量具有能够排除接触测量对柔性物体测量的人为等受力干扰 ， 可以测量一些不可接触的 物体， 如辐射体、 高温物体等以及因为是数字图像处理和计算机识别 ， 而采集速度较快等优点［3］． 作为 全球三维光学测量领域的领导者， 德国 GOM 公司的 ATOS 系列三维扫描仪为工业测量提供一种非接触 式的三维光学测量和质量评估的解决方案 ． ATOSII 采用立体相机测量技术和先进的电外差相位测量光 栅， 可在 1 ～ 2 s 内获得多达 4 百万的高精度点云数据， 并可满足在任何环境对不同尺寸的复杂零件进 行三维测量， 更提供完整的误差分析和评估功能 ， 是产品开发和质量检测的必备工具． 其独特的流动式 使扫描不需要借助于机床的驱动 ， 扫描范围可达 20 m， 可广泛应 设计和不同视角点云的自动拼合技术 ， 用于汽车、 模具、 航空航天、 涡轮叶片、 精密注塑和压铸、 玩具、 文物、 消费品等行业． ATOSII 扫描头由左右两个高分辨率的工业 CCD 相机和 光栅投影单元组成， 采用结构光测量的方式， 利用光栅投影单 元将一组具有相位信息的光栅条纹投影到测量工件表面 ， 左 右两个高分辨率数码相机进行同步的测量 ， 利用立体相机测 可以在极短的时间内获得物体表面高密度的三维 量的原理， 数据． 利用参考点拼接技术， 将不同位置和角度的测量数据自 ， 动对齐 从而获得完整的扫描结果． ATOSII 三维测量仪系统 显著的优点是测量范围广、 速度快、 成本低、 测量地点不受限 制． 采用某轿车的 1∶ 1 车身油泥模型， 利用 CCD 数码相机测 量法结合 ATOS standard 光栅扫描仪作为测量系统， 测得的整 车车身点云数据数据如图 2 所示．
标测量仪得到的点云数据并整合得到三围模型． 本文对汽车车门的点云数据进行处理， 应用 Catia 软件进行 逆向设计， 体现出较强的可行性和有效性， 并对在车身设计的逆向工程中存在的问题进行了有益的探讨． 关键词： 汽车； 逆向工程； 车身设计； Catia 中图分类号： TP391． 7 文献标识码： A 2441 （ 2011 ） 02001504 文章篇号： 1008-
4］． 数据优化、 多视拼合、 噪声滤波、 拓扑建立、 特征边界提取等［ 点云数据处理流程如图 3 所示． 化、 应用 Catia 软件数字曲面设计功能模块读入点云数据 ， 对点云数据进行识别、 删除、 过滤、 局部激活、
点云合并等操作， 进一步进行网格化、 平顺修补网格面、 分割网格面等步骤， 最终获得理想的点云数据． 4 ． 如图 所示是从整车车身中提取的车门部分点云数据
在 21 世纪， 汽车更新的速度非常快， 汽车更新很大程度体现在车身设计的更新方面 ， 而在车辆更新 的整体设计中， 汽车车身设计占总设计成本的 40% 以上． 汽车的使用者对汽车的投入的眼光更多的是 在汽车设计的各种相关技术中， 车身设计是关键技术之一． 现在 CAD / CAE / 汽车的车身外观． 因此， CAM 这一集成化、 一体化的产品设计与加工技术日益成熟 ， 并在汽车车身设计领域的应用不断深入 ． 逆 向工程设计技术的迅猛发展是以三维测量技术的日渐成熟为前提的 ． 在车身设计领域， 首先通过三维测 量技术从车身油泥模型或其它实物模型获得大量点云数据 ． 而逆向工程设计技术的任务是快速地将点 云数据转变为三维曲线曲面模型 ， 从而可以利用逆向求得的三维模型高起点、 快速地进行车身模具设 计， 再利用快速原型技术快速地进行车身生产 ， 可以极大地缩短车身的设计和生产周期 ． 同时， 逆向设计 进而快速地吸收国内外汽车车身设计的先进技术和设计理 技术可以快速重现国外先进车身模型设计 ， ， ， 念 并经过车身设计师的二次开发 达到快速响应市场的目的［1］． 逆向工程， 也叫反求工程（ Reverse Engineering， 简称 RE ） ． 反求技术包括影像反求、 软件反求及实物 ［ 2］． 目前研究领域集中在实物反求技术 ， 它是研究实物 CAD 模型的重建和最终产品的制 反求等三方面 逆向设计技术是将实物模型数据化成设计 、 概念模型， 并在此基础上对产品进行分析、 修 造． 狭义地说， 改及优化等技术． 其核心思想是以实物模型为参考 ， 反求出三维数据模型， 借鉴他人先进设计思想， 快速 丰富自己的创新知识， 既快又好地完成符合设计要求又高于原有实物的设计过程 ． 其实这就是一种类比 设计， 任何产品设计都是在一定的原有设计基础之上 ， 融入新的设计思想， 逐步发展完善的过程． 本文探 讨的逆向工程设计就是这样一种能够快速实现车身模型设计的关键技术 ．
1］ 赵宇明． 曲线曲面拟合在逆向造型设计中的应用技术研究［ J］ ． 机械与电子， 2005 ， （ 6 ） ： 11 － 13． ［ ［ 2］ 邓乾旺， J］ ． 机械设计与制造， 2000 ， （ 4 ） ： 59 － 60． 刘小燕． 快速反求工程及其在快速成形制造中的应用［ ［ 3］ 李晓达， J］ ． 机械与电子， 2010 ， （ 21 ） ： 100 － 占向辉， 徐杭． 基于逆向工程的某汽车车身部件的三维 CAD 数模的建立［ 101． ［ 4］ 杨志红． 基于反求工程的复杂曲面数控加工关键技术的研究［ J］ ． 机械制造与研究， 2008 ， （ 8 ） ： 98 － 100．
第2 期
于哲峰： 基于 Catia 的汽车车身逆向设计方法研究
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图3数据
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车身曲面重构
曲面重构是车身逆向设计中关键的一步 ， 决定着最终产品设计质量． 在 Catia 软件中， 曲面重构是将 以便于对复杂的车身曲面采用 采集并经过预处理后得到的点云数据移植到曲面数字化编辑功能模块 ， 曲线曲面拟合技术以形成光滑完整的各部分车身曲面的过程 ． 曲面重构不但是逆向设计中最重要的步 Coons 提 而且是工作量最大的步骤． 进行曲线拟合建立数学模型有 Ferguson 提出的矢量函数方法、 骤， Bezier 提出的控制多边形定义曲线方法 ， Versprille 博士提出的非均匀有理 B 样条 出的 Coons 曲面、 （ NonUniform Rational BSpline， NURBS） 等多种方法． 其中 NURBS 方法是目前应用最广的建模方法． 本 文应用 NURBS 曲线和递推函数拟合出特征网格线 ， 进而完成曲面重构． 曲面重构的任务是通过采集并 预处理得到的数据点云应用一定的算法生成车身表面的 3D 曲面模型， 逆向生成的车身曲面应具有较 以便于二次设计开发， 并使 CAD 模型与计算机辅助分析 （ CAE ） 和加工 高的精度和良好的光顺性， （ CAM） 之间具有良好的接口． 由于车身设计对于拟合生成的曲面光滑度要求较高， 最终曲面质量取决 于拟合曲线、 拟合曲面的光顺性以及曲面连接是否光滑 ， 所以曲线、 曲面的光顺显得尤其重要． 在设计阶 段曲线光顺应满足曲线二阶连续 、 曲线没有奇点和多余拐点、 曲率变化均匀等几何特性， 并且应变应尽 否则影响产品加工质量． 为了达到曲线光顺目的， 可以先进行粗光顺： 通过查找剔除坏点， 必要 可能小， 时人为修改坏点的坐标值， 使各段曲线保持一致的曲率符号 ， 保证曲线单凸或单凹性； 再进行精光顺： 调 整曲线上各段曲率， 使之均匀变化， 满足曲线光顺的需求． 构成曲面光顺的关键是曲线光顺 、 特征提取的 应按顺序多次重新生成横纵网格， 直到 网格线光顺无多余拐点以及高斯曲率变化均匀． 为达到曲面光顺， 横纵网格均达到光顺需求． 在 Catia 软件中， 数字曲面设计模块主要用于逆向设计前期处理 ． 该模块提供数据文件的导入导出 、 去除坏点、 求特征线等功能． 在数字曲面编辑器模块中， 进行点云数据加载和数据精简后 ， 经过建立网格 面、 平整网格面以及对网格面的修补与合并 ， 通过在点云上选取一系列点构成点云交线． 网格面边线功 也可以应用平面曲线和交线曲线功能 ， 在我们选定的设 能可以识别网格面的边线从而建立一系列交线 ， 计方向上自由绘制曲线， 完成 3D 曲线设计后， 利用之前由点云交线修改设计生成的 3D 曲线建立 3D 光 滑曲面． 在建立 3D 曲面的过程中， 导入划分好的曲线网格， 在自由造型功能模块中进行网状曲面功能 和连接曲面功能设计， 各个区域的曲线通过网格拟合生成不同的 3D 曲面． 为了生成一张完整的光滑曲 面， 再利用曲面拼接技术将各个区域已经生成的曲面进行拼接 ． 三维光顺的拟合曲面建模完成后， 可以 对生成的曲线和曲面模型的合理性和精确度进行分析 ， 经过不断改进 利用 Catia 曲面建模的分析模块， 达到满意的设计效果． 我们建立的实例模型为汽车车门内外曲面 3D 模型， 经过曲面重构获得实体模型 如图 5 和图 6 所示．
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车身模型测量获得点云数据
在进行车身原始数据测量之前， 首先要确定车身测量的坐标系． 对于汽车车身， 通常以汽车前轴的 中心为坐标原点， 水平向后方向为 X 轴， 水平向右方向为 Y 轴， 纵向向上为 Z 轴正方向． 将车身支撑固 定在三坐标测量机， 车身定位如图 1 所示． 非接触式测量是指不接触被测物体的前提下进行精准测量． 其测量精度可以达到微米， 非接触式测量仪利用 CCD 采集变焦镜下样品的影像， 再配合 XYZ 轴移动平 台及自动变焦镜， 运用影像分析原理， 通过计算机处理影像信号， 对科研生产的零件进行精密的几何数 据的测量， 并可进行 CPK 数值的分析． 由于汽车车身具有体积大、 所需求测量点云要求精度高的特点，
图1 车身定位
图2
三角网格化的整车车身点云数据
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车身点云的数据处理
ATOSII 三维扫描仪的测量时间为 1 s， 测量点可达 140 万到 400 万， 应用该系统进行测量效率得到 了极大提高． ATOSII 三维测量系统能够同时在整个车身表面快速采集大量的密集点云数据， 而在测量 过程中不区分大曲率区域和平坦区域 ． 由于极大地提高了测量效率， 获得的可用点云数据量非常庞大， 经常达到上百万甚至更多的测量点 ． 系统采用 Catia 软件进行点云数据处理． 原始点云数据拥有庞大的 测量点集， 会严重影响曲面重建算法的效率 ． 另外， 由于测量过程中偶然因素、 人为因素等的作用， 使测 量数据中一般存在干扰性测量点以及冗余性测量点 ． 事实上， 不论采用什么测量方法都会产生坏点， 一 般是不可能完全避免的． 因而在进行曲线曲面拟合之前， 要对测量获得的原始数据进行简化． 如不对这 些数据进行数据处理， 各个冗余点和坏点将使拟合生成的曲面产生尖点和振荡 ， 这就会影响逆向设计中 曲面拟合的品质． 因此， 对 3D 测量所获得的数据点云进行数据预处理， 关键是要掌握剔除坏点的方法． 点 云数据预处理是逆向工程中非常关键的环节， 数据预处理主要包括： 剔除坏点、 数据分块、 数据光顺、 三角