汽車車身曲面重構技術應用

劉 博

（長沙職業技術學院 汽車工程系，湖南 長沙 410111）

逆向工程在汽車新產品的模型設計、現有產品的修改、破碎零件的重構和工業檢測方面具有廣泛的應用，繼而出現了多種曲面重構的方法，具體方法如：第一種，基于遞歸分割理論的曲面重構方案；第二種，以B樣條或NURBS曲面為基礎的曲面構造方案；第三種，以三角B e z i e r曲面為基礎的曲面構造方案；第四種，以多面體方式來描述曲面物體方法。

由于3D的B樣條曲線構成的NURBS曲面，這類曲面可進行邊界切矢及曲率的修改，以保證曲面的光順。同時NURBS是ISO在STEP標準中制定的自由曲線和曲面的唯一表示標準，并且為C A G D提供了統一的數學描述方法，是曲面造型技術發展趨勢中最重要的基礎。

在此本文采基于以B樣條或NURBS曲面為基礎的曲面構造方案為主，其它方案為輔的方法為本次實驗對象進行局部修改及嚴重變形部分的曲面重構。

1 汽車車身曲面的特點和重構的難點

在汽車整車產品中，汽車的覆蓋件，特別是構成整車車身的外部覆蓋件，產品變化頻繁，市場生命周期較短。而且一般都有產品結構尺寸較大、形狀構成比較復雜、所采用材料厚度相對較小、成型質量高等特點，所以它的設計和生產就成了整車產品開發中的一個關鍵環節。

當今的車身外部造型設計，在國外被專業人員中稱作“流線型設計”。按照造型師的理念汽車外形的連續完整性應有各種曲面光滑的連接以及微妙的光學效果顯示出來，其顯著的特點是可獲得0.20甚至更低的風阻系數。這在油價飛漲的今天具有相當重要的現實意義。

從上述車身的特點可以看出，它要求汽車覆蓋件曲面造型設計中產品的外表面的曲線和曲面要非常光順，這也就成了汽車車身產品生產中的難點。

2 CATIA為曲面重構提供功能模塊

CATIAV 5提供了兩個逆向工程模塊，即數字曲面編輯模塊DSE和快速曲面重構模塊Q S R。它涵蓋逆向軟件的基本點云輸入和數據輸出功能及點云數據處理功能，并綜合應用創成式曲面設計模塊G S D和自由曲面造型模塊FSS及汽車A級曲面模塊發揮其強大的曲面、曲線擬合功能。并且，由于它將逆向工程模塊融于一體，實現逆向工程與正向的曲面功能的交互應用，其使用變得更為簡便、靈活。文章綜合地使用了CATIA軟件的DSE、QSR、GSD、FSS和 ACA五個模塊，從而有效地滿足汽車車身曲面重構要求。

3 汽車車身重構過程

（1）數據采集和數據預處理。汽車車身是由很多復雜曲面拼合而成的，如果用接觸式測量，則有可能在點云擬合時數據量不夠,而且測量效率低,不能滿足曲面構建所需的高速建模。所以對于汽車外表面曲面的重構,最好使用非接觸測量的方法,從而保證重構的CAD模型能比較準確地與實物模型吻合,而且縮短開發周期。本次實驗采用的是由天遠三維科技有限公司生產的OKIO-I I-400光柵測量儀。本次掃描的對象是一輛吉普車，從測試中可以看出，本次數據量非常大（78萬點），由于車體變形嚴重，車身體積大不能采集完整的車身，由測試中可以看出，我們只采集了車身左半部分的點云，在車頂部分只采集了邊緣的一些特征點，為本次曲面重構增加了難度。

在CATIA軟件環境中,切換到數字化外形編輯器(Digitized Shape Editor,簡稱DSE)模塊下,對壞點進行數據處理，精簡云點,減少數據處理量，以便實物的模型更容易分辨,為曲面重構做好準備。

（2）CAD模型重建。①點云數據的分割。由于汽車車身是左右對稱的，所以在我們只采集車身的左半部分作為重構的對象。曲面分割的合理于否直接影響到曲面重構的難宜和精度。在點云分割的時候不要分割的太細，因為有些細節并不重要，反而會影響整體車身的結構和精度，盡量用最少的B樣條線來表示。因為曲線的好壞直接影響曲面的生成，所以我們采用投影的方法成生交線，由交線生成樣條線，以保證所生成的曲面的光順性。②曲面重構。在這個過程中我們用的是DSE、QSR、GSD、FSS和ACA五個模塊，由于車頂部分沒有點云，而且不能用修改Mesh命令中的Neighborhood的值來修補。所以在車頂部分的重構，我們需要通過草圖畫出車頂曲面，實現車頂部分曲線制作。由此曲線生成3D樣條曲線，并分析、調整曲線使其光順，分析結果如圖2所示。

圖1 車頂曲線分析

完成所有曲面重構后，通過鏡像得到完整的汽車車身的曲面模型,如圖2所示。

圖2 重構后的車身外殼

4 結語

由于我國的制造型企業(特別是汽車方面)在創新、設計能力等方面與國外的先進企業還存在著很大的差距。因此通過逆向工程的方式快速的學習、消化和吸收國外先進的技術和經驗有著重要的意義和價值。本文在原有數據的基礎上進行了局部修改，從而使車身更具有流線感，增加了其美觀性，能有效降低風阻系數。

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