逆向工程在汽车覆盖件产品开发中的应用

逆向工程在汽车覆盖件产品开发中的应用
迅利科技有限公司
刘文龙、卢金火

摘要：本文介绍了汽车覆盖件产品逆向建模的开发流程，并对汽车覆盖件产品逆向建模的关键技术进行了讨论，最后以某车型的发动机罩外板为实例介绍逆向工程的应用方法。

关键词：   覆盖件 逆向工程 曲面重构 曲面品质评价
   

目前，我国的汽车工业正以前所未有的速度发展，各汽车公司为了迅速占领汽车市场，不断地推出性能良好、**适中、乘座舒适的汽车产品，以满足汽车用户的要求。车身是汽车产品的外衣，它不仅影响着汽车的外观质量，而且也影响到汽车的乘座舒适性能。因此，它是汽车产品的换型重点总成之一。
逆向建模是指利用测量设备测取实物模型的表面数据，在汽车车身产品开发过程中，许多时候汽车覆盖件并非由CAD模型描述，设计者面对的是实物样件。为了适应先进技术的发展，需要通过一定的途径，将这些实物转化为CAD模型，使得能利用CAD/CAM、PDM等先进技术对其进行处理或管理。这种从实物样件获取产品CAD模型的技术就是逆向工程(Reverse Engineering)。广义的产品逆向工程包括形状 (几何 )反求、工艺反求和材料反求等诸多方面，是一个复杂的系统工程
汽车覆盖件逆向建模开发流程
当前，我国汽车覆盖件常用开发流程如下图所示 本贴包含图片附件:

首先，利用测量设备采集汽车覆盖件物理模型外表面的数据，生成三维点云数据；然后对点云进行处理，例如过滤处理，特征提取，三角化等；最后根据获得的点云，通过分析原模型的设计思想和曲面组成，利用CAD软件进行曲面重构，生成汽车覆盖件的CAD模型。在生成CAD模型之后，就可以用现代先进的技术和管理方法对其进行各种处理和管理，例如，利用CAE技术对其进行各种分析；利用CAE技术对其进行虚拟制造或生成加工代码等，利用PDM技术对其进行数据管理及配置管理等。
汽车覆盖件，尤其是外覆盖件要求曲面质量高，建模误差小。这就对测量点云的质量和重构曲面的品质和误差提出了很高的要求。测量点云的质量主要取决于测量设备的精度，而重构曲面的品质客观上取决于所选用的造型软件的功能。
针对汽车覆盖件逆向开发的需求，我们提出了一种解决方法，并在我们进行工程服务过程中得到了应用和检验。该解决方案选用德国Steinbichler公司的COMET光学测量系统作为测量设备，选用CATIA中的Digital Shape Editor和FreeStyle模块作为CAD软件。下面将详细介绍在该解决方案中所采用的关键技术，并以发动机罩外板为例说明了利用该解决方案进行汽车覆盖件逆向开发的方法和流程
二　关键技术
在汽车覆盖件的逆向开发过程中，采用了以下关键技术。
1.        测量
利用测量方法从汽车覆盖件的外表面上提取数据是逆向工程的一个重要环节，其提取点云数据的精度和噪声直接影响后续的曲面重构。
当前有两种测量方法，一种是接触式测量，即用三坐标测量机在物理模型上打点，从而提取所打点的三维坐标信息。利用这种方法提取的点云数据精度高，但效率低，所提取的点云点数少，不能反应自由曲面的特征，还有伤害物理模型外表面的危险，所以在汽车覆盖件逆向开发过程中很少取用。
第二种方法是非接触式测量，即用光学测量机或激光测量机从物理模型上提取表面数据。利用这种方法提取的点数多，密度大，效率高，而且精度可以得到保证，所以在汽车覆盖件逆向开发过程中得到了越来越广泛地应用。
我们选用的是德国Steinbichler公司的COMET光学测量机。它的测量原理是基于局部三角形测量法。通过白光源将一束光栅投影到被测物体表面上，由一CCD镜头从所拍照片中获取投影光栅的信息，通过机械地连续改变光栅的形状，从而将被测物体表面划分成一个个很小的像素点，进而可以从目标镜头K1与K2之间的距离b及角α和β通过三角形法求得每个像素点的三维坐标值。（如图2所示）。本贴包含图片附件:

我们之所以选择COMET作为该解决方案的测量设备，是因为它具有以下优点：
   它采用一个镜头，消除了由于一般光学测量机采用两个镜头所造成的阴影效应，从而提高了测量质量。
   标定简单。该测量系统一次标定，可长期使用，只有在更换镜头或长途运输之后，才需要重新标定。
   它提供了特征拼合功能。对于特征多的小尺寸对象，可以利用该功能提高测量效率，另外对于小尺寸对象，如果特征少，可以通过人为制造一些特征来利用该功能，从而减少测量过程中获取整体测量坐标这一环节，提高了测量效率。
    测量精度高。因为该测量机采用了光栅转换的专利技术，使像素点的分布即不同于平行网格，也不同于旋转网格，而是两者优点的综合，所以提高了测量精度。采用C50 / C100 VZ，测量精度可以达到＋/-20纳米。
   具有变焦功能。COMET测量系统提供了三种测量模式：高分辨模式、标准分辨模式和Zoom模式。所谓Zoom模式就是指在焦点附近区域采用高分辨模式同，焦点区域之外的区域采用标准分辨模式。对于被测量表面上重要的局部细节用高分辨模式进行测量,对于被测表面上大部分同类曲面可以采用标准分辨模式进行测量。用户可以方便地在这三种测量模式间进行切换。
    点云密度大。在高分辨率模式下，一次可以测量130万个点。
   测量方便。利用该公司提供的专业支架可以自由地改变镜头的角度和位置。从而保证测量的最佳位置。
在用COMET测量机进行测量之前，要先根据被测对象表面特征，确定整体测量方案，包括以下内容：
    确定拼合方法。
COMET测量系统提供了三种拼合方法：参考点拼合、联系点拼合和特征点拼合。如果被测量对象表面特征多，可以直接采用特征拼合以提高测量效率，如果表面光滑，可以在表面贴标记点，采用参考点拼合或联系点拼合。如果被测量对象尺寸很大，可以在整体采用参考点或联系点拼合，局部采用特征点拼合。
    确定测量步聚。
因为光学测量机在提取点云数据时，最佳测量角度和位置是确保测量点云品质的关键，所以在测量前确定测量的步聚是减少测量重复区域，提高测量效率的保证。
点云处理技术
直接由COMET测量的点云是个海量数据（几十甚至上百兆个点），而且还存在重复测量数据，系统测量误差和随机误差等，必须对点云进行处理。
点云处理技术包括以下内容：
    点云过滤
点云过滤在点云处理中有两方面的作用，一是降低点云密度，一是过滤点云中的噪声点。
常用的点云过滤方法有以下几种：
     曲率过滤法。也叫自适应过滤法，即根据曲面曲率变化确定点的取舍，在曲率变化平缓区域保留较少的点来描述曲面形状，在曲率变化急剧的区域保留较多的点。常用的算法是根据弦偏差（Chordal Deviation）过滤点云。用这种方法过滤点云能很好地保持曲面的形状。
   高斯过滤法。即按照高斯算法进行点云过滤，这种方法的过滤功能很强，但其缺点是较难保持曲面特征。
   球过滤法，是指过点云上一点生成一个指定半径的球，过滤掉球内的所有点，再通过下一个保留点生成指定半径球，过滤掉球内所有点，如此循环至到最后。
    点云三角化
点云三角化就是指将杂乱无序的点云转化成一组有序的三角化面片。在生成三角化面片的过程中，COMET Plus软件提供了三角化面片的过滤功能，即过滤掉形状不合理的三角化面片，例如夹角过小的三角化面片，从而保证了所生成三角化面片的质量。
三角化后的点云可直接用于生成加工代码或快速成型。
    特征提取
即从点云中提取规则曲面，如平面、球面、柱面、锥面等，以及提取曲面之间的理论交线等。这样就可以提高后续曲面重构的速度。
     点云分块
在后续的曲面重构中，经常要用到曲面拟合功能，而一个点云一般情况下不可能只由一个曲面来拟合，这就需要根据曲面的构成，将点云进行分块。利用CATIA的DSE（Digital Shape Editor）模块可以方便地将点云进行分块
       曲面重构技术
曲面重构是逆向工程中的一个关键环节。它不仅是要再现造型人员或原有产品的设计思想，还要修复或克服原有模型上存在的缺陷。因此在进行曲面重构之前，应该对零件进行仔细分析，主要考虑以下要点：
    确定设计的整体思路。面对点云数据，首先要周全地考虑好先做什么，后做什么，用什么方法做，主要是将模型划分为几个特征区，得出设计的整体思路。
    确定模型的基本构成形状的曲面类型，这关系到在曲面重构中所采用曲面重构方法和工具的选用 。
我们在汽车覆盖件逆向设计的曲面重构中，选用的是CATIA软件中的FreeStyle模块。之所以选择该模块，是因为它具有以下方面的优势：
     采用了NURBS方法描述曲面。从而解决了自由曲线曲面与初等解析曲线曲面描述的不相容问题。另外，由于采用了NURBS方法，在该模块中，曲面由一组控制点来控制形状，这样就可以通过编辑控制点灵活地改变曲面形状，实现任意复杂形状的曲面，提高了造型能力。
    提供了曲面到点云的拟合功能。这样就可以先利用此功能根据点云拟合出一个基础曲面，再利用曲面编辑功能对该基础曲面进行局部编辑和光顺，从而提高了曲面重构的效率。
    提供了曲面间的匹配功能。在FreeStyle中，不仅可以实现一个曲面到另一曲面之间的匹配，还能实现一个曲面到多个曲面之间的匹配。并能达到匹配后的曲面之间实现曲率连续，从而保证了A级曲面的要求。
    提供了多曲面的整体编辑功能，即一次编辑多个曲面，在编辑过程中保持曲面之间的连续条件。
   它提供了网格面及风格扫描面的构造方法。这样就可以按曲面形状或原有产品的设计思想快速实现曲面重构。
4.        曲面评价方法
曲面评价在车身覆盖件逆向设计中包括两方面的含义，一是评价曲面的品质，即曲面是否达到A级曲面的要求，另一个含义是所重构的曲面与点云之间的误差是否满足要求。
常用的曲面品质评价方法有以下几种：
    反射线法（Reflection Lines）本贴包含图片附件:


反射线的构成原理如上图3所示，在光源Lc和视点Ep确定的条件下，反射线由曲面上的一组点P组成，点P在曲面上的法线方向N分别与点P到光源的矢量a和与视点Ep所成角度相等。
反射线的连续次数比曲面连续次数小1次。如果两相邻曲面上的反射线断开，则该两曲面最多点连续；如反射线有尖点，则曲面切矢连续；如反射线光滑过渡，则两曲面曲率连续。
等照度线法（Isophote）
等照度线的构成原理如上图4所示，在光照方向一定的条件下，等照度线由这样一组点构成，这些点在曲面上的法向N与光照方向L所成角度一致，即L•N＝c，c为常量。常量c的取值从-1过渡到1，就生成一组等照度线。
等照度线的连续次数比曲面连续次数小1次，即如果相邻曲面上的等照度线是光滑过渡的，则这些曲面之间满足曲率连续。另外，等照度线的形状也反映了曲面形状的变化，如在球面上，等照度线为圆形。本贴包含图片附件:


高光线法（Highlight Lines）
高光线法是在反射线法的基础上发展出来的。它的构建原理与反射线基本相同，不同之处是在高光线构建过程中光源与视点重合。在数学描述中，高光线由这样一组点Xi组成，光线L0与点Xi在曲面上的法线N相交（如图5所示）。
在CATIA的FreeStyle模块中，除提供了以上三种曲面品质评价方法外，还提供了截面线法来分析曲面品质。所谓截面线法，就是生成一组平面与被分析曲面的截面线，通过分析这些截面线的曲率变化和截面线之间的形状变化来分析曲面品质。作为A级曲面，截面线的曲率变化应均匀，没有多余拐点，截面线之间的形状变化也应均匀。
针对逆向工程中误差控制的需求，CATIA提供了距离分析工具（Distance Analysis），用不同的颜色表示重构曲面与点云之间的距离。利用该工具，在进行曲面编辑时，可以使设计人员精确控制建模误差。本贴包含图片附件:

应用实例
下面以某车型的发动机罩外板（如图6所示）为实例说明用该解决方案进行逆向设计的步聚和方法。 本贴包含图片附件:
  

   用COMET系统测量
1)        确定测量时所用的拼合方法和测量的次序。
发动机罩外板表面特征较少，不能采用特征拼合，所以选用参考点拼合方法。采用先中间后两边的测量顺序以减少测量的累积误差。
2)        获得发动机罩外板的整体测量坐标。
首先在发动机罩外板上放置标记点，比例尺和十字尺；再用数码相机按一定的角度依次拍照；然后将所拍照片导入处理软件AICON 3D Studio中进行处理；最后生成位于车身坐标系下的参考点列表文件
3)        开始用COMET测量系统进行测量。
在每次测量时，测量区域内应包含三个以上的参考点，这样系统会自动完成拼合。按先中间后两边的测量次序依次测量，至到测得所有的表面信息。
2.        进行点云处理
1)        整体匹配（Global Matching）
整体匹配的目的是进一步减少匹配误差。
2)        后处理（Post Processing）
在点云的后处理过程中，可以过滤点云，优化点云，添补标记点区域，三角化点云等操作。
3)        特征提取
提取三角化点云的边界线和中间的倒角曲面之间的理论交线。
4)        输出三角化点云的STL文件和所提取特征的Scan线的ASCII文件
3.        进入CATIA软件，进行曲面重构
1)        进入DSE模块，生成X、Y、Z方向上的截平面Scan线，如下图7所示。 本贴包含图片附件:

进入FreeStyle模块，按曲面分块进行曲面重构。
先重构中间大面，再重构侧面，最后重构中间过渡面，按发动机罩外板在X方向上曲率的变化程度的不同，在X方向上将其分成两部分曲面。
在曲面重构过程中，利用曲面到点云的距离分析工具，通过编辑曲面控制点，使曲面与点云之间的最大距离不超过指定的建模误差。
3)        分析曲面品质。
利用CATIA的FreeStyle模块提供的分析工具分析所重构曲面的品质，要求曲面之间曲率连续，曲率变化均匀，没有多余拐点。分析结果如下图8所示本贴包含图片附件:

结束语
逆向工程应用于车身产品尤其是车身覆盖件产品的开发过程中，可以大大缩短开发周期，保证产品质量。逆向工程不仅仅是仿形设计和制造技术，而是在原型产品的基础上进行二次设计和加工，是更高层次的设计技术。这一技术使产品模型得到精确的表达和再现，为产品的进一步分析、优化和制造确立了统一的对象，在产品快速设计开发和复杂型面数控加工方面都具有重大的意义。

CATIA是由法国Dassault公司开发的大型CAD/CAM应用软件，后被美国的IBM公司收购。该软件运行于IBM的工作站上，驱动系统为VM/CMS。与UG、EUCLID相比，该软件在曲面造型方面具有独特的优势，因而广泛应用于航天、汽车等行业的复杂曲面造型设计中。
　　汽车产品设计中很大部分零部件是由一系列复杂的空间曲面构成的，这些曲面是由不同曲率的空间曲面相互连接而成，这种连接既要满足零件功能、结构的要求，又要光滑过渡，达到平顺、和谐的效果。CATIA软件的曲面造型技术为这类零部件的设计提供了先进、方便、快捷的手段，使汽车的设计更趋完美，设计周期越来越短，极大地提高了汽车开发效率。

2　CATIA曲面造型原理与方法
2.1　曲面造型原理

　　任意空间曲面可以看作是无数点的集合。如图1所示，在V方向任意截面上选择M+1个点为特征顶点，用最小二乘积逼近方法可生成一条曲线，该曲线即为B样条曲线。同样，在V方向的不同截面上可生成一组(N+1)条B样条曲线。用同样的方法在U方向的不同截面也生成一组(M+1)条B样条曲线。两组B样条曲线的直积可求得B样条曲面。该曲面即为我们要描述的任意复杂空间曲面。其数学表达式为：

图1　B样条曲面

　　P(U,V)=PijNik(u)Nj1(V)［1］
　　B样条曲线特征顶点越多、样条曲线数量越多，B样条曲面与实际曲面越接近，但同时计算量也越大［2］。CATIA曲面造型的原理就是基于上述曲面数学模型来描述任意空间曲面。在汽车产品设计中，一般采用B样条曲面为双三次B样条曲面。
2.2　CATIA主要曲面造型方法
　　CATIA曲面造型技术主要有规则曲面造型和复杂曲面造型两种。规则曲面造型，如柱面、球面、管面由旋转、拉伸等方式生成，相对简单，此处不作介绍；复杂曲面的造型设计是产品设计中的难点和重点。CATIA软件中复杂曲面造型即SURF2、FREE FORM DESIGN、PATCH、NET等功能提供了十几种曲面造型方法，根据其曲面构造的方式，分为以下几类：
　　1)扫描曲面：发生线沿“脊线”运动扫过形成的曲面；
　　2)截面驱动曲面：控制各截面形状/面积，按“脊线”运动形成的曲面；
　　3)连接曲面：以确定的控制线对两个曲面倒圆形成的曲面；
　　4)填充曲面：在已有的曲面围成的区域的空白处填充形成的曲面；
　　5)网格曲面：由一系列纵横交错的曲线逼近形成的曲面；
　　6)规律描述曲面：对构成曲面的某一特征量如角度、半径、面积等按定义的规律变化形成的曲面；
　　7)布尔运算曲面：对几个曲面的布尔运算形成的曲面。
　　复杂曲面造型是以不同曲线、曲面及各种边界为约束条件，由一组曲线按一定的规律运动和变化产生的［3］。曲面的质量即曲面的光顺性取决于曲线的光顺性，因此构造高质量的曲面，必须先构造高质量的曲线。CATIA提供了REFLECT、COMBINE，PROP等生成光顺曲线的强大功能。通过光顺处理的曲线构造出的光顺曲面还可进一步借助于曲面上光着色等方法进行检验、修正，使之达到更满意的效果。

3　曲面造型设计流程
　　CATIA曲面造型设计流程框图：

　　下面结合汽车排气歧管的设计，讨论CATIA复杂曲面造型的过程和各步骤要点。

　　图2为要求完成的排气歧管。具体设计时，应结合排气歧管的功能和结构要求进行，步骤如下：

图2　排气歧管外型图

　　(1)零件分析、曲面分解
　　按零部件的功能和结构要求对零件进行分析，将构成零部件整体的曲面分解为基本曲面和过渡曲面。基本曲面为形成零部件主要轮廓的曲面，过渡曲面为配合面或结合面。排气歧管整体曲面划分为4个基本曲面1～4和一个过渡曲面5，如图2所示。在曲面分解时，应使分解的曲面数量尽可能少。
　　(2)曲面的设计

　　首先，根据功能的要求及结构的特点，选择正确的曲面设计方法。其次，按曲面造型方法的要求，构造“脊线”和其他约束曲线。“脊线”为曲面造型的方向约束线，其他约束线指形状约束线和边界条件。确定约束条件时应注意：①“脊线”应比要生成的曲面长些，以保证生成的曲面足够大；②“脊线”尽量与其他约束线平行，生成曲面的质量较好；③通过“脊线”上任何位置的法线与其他约束曲线的交点不应多于2个。对这类封闭型管状零件，可选其分模面与断面的交点来生成约束线。对生成的各种约束曲线进行评价，满意后，用SURF2、NURBS等功能即可构建曲面。曲面2的“脊线”和约束曲线如图3所示。

图3　曲面约束曲线

　　(3)曲面质量评价
　　对生成的单个曲面进行简单的上光着色检查，确认生成的曲面平滑、无扭曲变形。
　　(4)曲面组合，构造零部件整体曲面
　　将前述生成的曲面两两连接为一个整体。曲面连接时利用生成的曲面的边界，用SURF2+FILLET功能作变半径倒圆，实现曲面3与曲面4的光滑连接，见图4所示。

图4　曲面连接
　　(5)曲面整体的评价
　　光顺的独立曲面连接并不能保证一定能生成光顺的整体曲面，因而对整体曲面的评价是保证设计零件光顺的重要一步。
　　CATIA曲面造型技术应用于汽车零件复杂曲面造型设计中，使设计过程简化、快捷、精确，缩短了产品开发周期。