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车身逆向过程应用中的曲面光顺
[摘　要]汽车车身逆向工程中的各个环节都会从很大程度上影响到汽车车身曲面质量, 所以要对汽车车身曲面质量进行有效控制, 就要充分了解车身逆向过程及其相关关键点。针对以上问题, 文章介绍了逆向工程在汽车车身曲面创建过程中的应用及其需要注意的问题, 并且以ICEM Surf 作为软件基础分析了获得高品质曲线曲面的方法。
[关键词]车身曲面　逆向工程　曲面光顺　　
0 、引言在汽车车身曲面造型设计过程中, 获得高品质曲面极为重要, 它不但是汽车造型的美学要求, 同时也是保证汽车具有良好空气动力学性能的基本条件, 并且还会直接影响到覆盖件冲压性能和模具的数控加工质量。而车身逆向过程的每个环节都会影响到车身曲面的质量, 所以控制车身逆向过程的每一个环节都是十分重要的。逆向工程在车身造型中的应用过程如图1 所示:　　
1、油泥模型的制作油泥模型作为车身曲面制作的最主要实物模型, 其表面质量越高, 就越有利于提高曲面光顺的效率和质量。所以, 油泥模型在基本符合总布置曲线图及效果图后, 要花大量的时间进行精修, 精修过程要依据个人主观感受、审美和视觉差进行, 力求使整个车身曲面平稳过渡, 表面光滑, 尤其要注意特征线条要粗细均匀、凸凹适度。油泥制作完后要对模型表面进行检测, 检查方法大致有: 目视法、触摸法等。(1) 目视法: 在平行灯光下, 从不同角度观察模型表面, 通过照在上面的灯光来判断模型质量。(2) 触摸法: 直接用手触摸来进一步判断油泥模型表面的制作质量。
2、数据点的采集零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据, 在这个基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因而, 高效、高精度的实现样件表面的数据采集, 是逆向工程实现的基础和关键技术之一。[1 ]现在使用的测量方法多为接触式测量和非接触式测量, 而一种好的测量方法应与逆向工程后面的快速造型技术完全匹配, 它应具有以下特点: 测量速度快、精度高; 能测量内外轮廓, 最好不破坏样件;能把测量数据转换成CAD 系统能接受的数据格式; 能自动化测量, 且成本低。[2 ]接触式测量法以三坐标测量机(CMM ) 为主, 三坐标测量适用于一般形状几何形体, 测量精度高, 但数据密度较低, 逐点测量速度较慢, 需进行侧头半径补偿, 无法测量软质物体。非接触式方法可以测量硬质和软质材料, 不需补偿, 且测量速度较快,数据密度高, 表面特征取得较完全, 适用于复杂轮廓的高速测量, 但测量精度较差, 且只适用于外轮廓表面。[3 ]对于两种方法,虽然三坐标测量精度较高, 但数据密度较低, 采集点数少, 对于车模这种较复杂模型有可能在点云拟合时数据量不够, 而且测量效率低, 不能满足曲面构建所需的高速建模。所以对于汽车外表面曲面的重构, 最好使用非接触测量的方法, 从而保证重构的CAD 模型能比较准确的与实物模型吻合, 而且缩短开发周期。非接触测量方法如图2 所示。
3、数据点的预处理在对油泥模型进行扫描的过程中, 会不可避免的引入数据误差。这些误差点会影响到后续曲面造型的精确性和光顺性。所以, 在对数据采集完以后, 一定要对所采集的数据进行预处理。点云作为采集数据的一种特殊形式, 一般在预处理时要进行数据平滑、数据精简、数据补缺、特征提取、三角化处理和数据分割。在进行以上预处理过程中所要注意的问题如表1 所示。表1 点云预处理技术特征技术特征技术特征要求数据平滑要求有效去除坏点, 并保持原始设计特征数据精简要求以最少的数据点表现最完全的特征数据补缺要求保持原始设计特征特征提取要求所提取的特征在形状上和位置上都要准确表达设计意图三角化处理要求处理后的点云可以有效表现物体的外观形状; 曲面较平坦处减少三角平面数量; 在曲面曲率比较大的范围内合理增加三角平面片密度数据分割要求分割的点云区域合理, 凹凸性一致, 曲面重构时态性较好, 方便后续建模　　
4、车身曲面CAD 重构曲面重建的数学模型多为Bezier 曲面、B 样条曲面和NU RBS 曲面, 它们都是由一些基本函数和控制点来定义的。Bezier 曲面概念简单、操作灵活、边界适用性好, 适用于各种复杂的高质量自由曲面的建立。ICEM Surf 正是以Bezier 曲面作为数学基础, 用于复杂曲面建模和分析, 是所有不规则自由曲面处理的理想工具。与其他逆向软件相比, 它的最大特点就是无需先构造曲线, 而是直接构造曲面。另外, ICEM Surf 可以把点云数据自动转化为三角形面片模型, 通过此模型来分析结构、初步划分建模区域、获得任意截面线、边界线和特征线。[1 ]用ICEM Surf 进行曲面重构, 一般有以下三个过程1) 子区域划分: 通常, 车身外表面非常复杂, 为了获得精确、高质量的车身曲面, 对车身进行立体分析, 划分出子区域是__非常重要的。ICEM Surf 中可以将点云数据转化为三角形面片模型, 通过分析此模型, 就可以合理划分区域。在区域的划分中要注意: 在有明显特征处和曲率变化较大处进行划分; 所划分区域数量在可以表现特征的前提下不宜过多。(2) 在子区域构建曲面: 由于车身曲面构成的复杂性, 在构造子区域曲面时通常不会只用一张曲面, 而是由多个曲面块组成。生成曲面块的方法很多: 可以先生成线, 再由线生成面; 也可以直接生成曲面, 通过调整生成曲面的控制点来控制曲面的形状和光顺性。建立曲面一般要遵循以下原则: ①正确划分曲面块会提高曲面块创建的效率和质量。一般要尽量减少曲面分块数量。在曲率变化较小处, 曲面块可划分少一些; 曲率变化较大处,可以分几个曲面块分别造型, 然后将其拼接。拼接方法有将曲面块直接匹配拼接或建立中间面。②在保证曲面精度的前提下, 尽量减少曲面块的阶数、减少曲面编辑和拼接工作, 从而最大限度的获得光顺曲面, 减少后续曲面光顺调节的工作量。③曲面要有一定的扩展, 以保证在后续进行区域间曲面拼接时可以获得交线。对于需要扩展的曲面, 其延伸部分没有可对照的数据点, 但是可以按照曲面的曲率变化规律扩展。创建时要慎重处理, 因为它决定了曲面间交线的变化规律。(3) 进行区域间曲面的拼接: 区域间曲面拼接通常有两种方法: ①导角法: 以拼接特征线作为引导线进行等半径或变半径倒角, 通过控制导角半径来调整曲面形状的变化。拼接特征线作为导角的引导线会直接影响到导角的光顺性和趋势, 并且其光顺性也会影响到曲面的光顺性, 所以获得准确和光顺的拼接特征线是至关重要的。建立拼接特征线可以通过直接求交线的方法获得, 也可以在点云模型上直接拟合特征线。在建立特征线模型是要注意: 首先要确保特征线位置和形状的准确性, 以保持原始的设计理念; 在保证精度的前提下, 尽量减少曲线的段数和阶数以最大限度的获得光顺曲线; 生成曲线后要对其进行光顺调整, 即在数学上保证曲线上没有多余拐点, 曲率变化均匀。②直接生成中间面: 即在两个曲面间直接生成与两曲面曲率连续的中间曲面。在找不到特征线时可以使用这种方法, 但由于这种方法很难保证中间曲面质量, 并且成面效率低, 所以不提倡使用。完成以上几个过程车身曲面建模的工作基本完成, 要对生成的车身曲面进行品质分析并且进一步调整。
5、车身曲面品质分析对车身曲面进行品质分析主要有两个方面, 一为车身曲面的精度, 二是车身曲面的光顺性。(1) 车身曲面精度分析: 车身曲面的精度是车身曲面造型的基础, 是重现设计师设计理念的最基本要求。保证车身曲面的精度要做到以下两点: ①所创建车身曲面与测量数据的距离公差要在允许的范围之内。这一范围根据不同的用户、不同的用途和不同质量的点云数据要求不同。一般对于A 级曲面其距离公差要求在0. 3mm 以内。在ICEM Surf 当中会通过点云生成一系列的原始数据截面线, 通过比较原始数据截面线与生成曲面的截面线之间的距离来分析距离公差。对于车身的不同位置所选取的截面线不同, 如车的顶盖要选取X、Y 截面线, 车的测围使用X、Z 截面线, 车的转弯处要使用X、Y、Z 三个方向的截面线。②所创建车身曲面要能够正确反应出点云形状。在ICEM Surf 中可以通过比较原始数据截面线与生成曲面的截面线的相似程度看出曲面正确反应点云形状的程度。如图3 所示2) 车身曲面光顺性分析: 光顺是工程上的术语, 包括光滑和顺眼两层含义。光滑是客观评价, 是指空间曲面的连续阶; 顺眼是主观评价, 是指人对空间曲面的鼓瘪凹凸的感觉。[4 ]曲面光顺准则的具体内容为: 曲面的u、v 等参数线达到光顺; 构造曲面时的网格线无多余拐点; 曲面等间隔且平行的截面线达到光顺;曲面的高斯曲率变化均匀; 曲面曲率(低次曲面) 在节点处的左、右曲率差小且变化均匀。[5 ]在ICEM Surf 中检查曲面的光顺性大体可分为两种方法:①进行曲率分析。曲面可以看成由无数条曲线组成, 当所有的曲线都达到光顺, 就可以认为曲面是光顺的。所以可以通过分析曲面上的关键曲线的曲率梳来分析曲面的光顺性。所选择的关键曲线多为U、V 方向参考线和平行于坐标平面的一系列截面线,如X、Y、Z 截面线。一个曲面上关键曲线的曲率梳要光滑, 并且曲面间的曲率梳要光滑过渡, 如图4 所示。另外, 某一簇同方向的曲率梳不应变化过于强烈。通过曲率分析可以找出曲面波动或凹凸的区域, 以及检查相邻曲面的连续性。②进行高光线的检查。高光线, 即不同形式及方向的光源照射在车身曲面的反射线, 它可以直观反应出生成曲面在真实环境中的光照效果。对于所构建曲面的高光线要求其走向应与原始点云的高光线走势大致一致, 高光线的分布要求均匀、美观, 面与面间的高光线要光滑过渡, 并且在压缩时不应有明显缺陷。如图5 所示。曲面测量数据偏差与曲面的光顺性互为反比, 不能为了获得极小的距离公差而使曲面的光顺品质很差, 也不能一味追求曲面的光顺性而不考虑设计者的设计理念, 所以要从用户角度出发来综合两个因素, 从而获得用户最满意的曲面。
6、结论随着现代计算机技术和测试技术的不断发展, 逆向工程技术在车身上的应用得到了迅速的发展。提高了汽车车身开发的效率和质量。本文介绍了逆向工程在车身上的应用过程及其要获得高品质车身曲面所要注意的方面。但是, 由于构建高质量曲面仍然非常困难, 需要大量时间和人力。所以, 进一步将曲面制作理论化并将其反映在逆向工程软__

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