基于UG的汽車車門外板曲面重構

宋濤，張芳芳

（武漢理工大學，湖北武漢 430070）

0 引言

當今飛速發展的汽車工業對生產周期縮短的強烈需求以及三維測量技術和CAD技術的進一步發展，以測量技術為基礎，基于逆向工程技術的曲面重構技術在新品開發中得到了越來越廣泛的應用。當今主流的CAD軟件如UG、CATIA等都為汽車車身的設計提供了很好的平臺，它們的應用也使得企業可以縮短設計周期、提高效率，同時又能保證產品的質量、減少設計成本。

逆向工程 （Reverse Engineering，RE），也稱反求工程、反向工程等，起源于精密測量和質量檢驗，應用在車身設計中對于快速造型有很高價值［1］。

1 車門外板反求流程

（1）前期準備:確定產品結構的主要特征、合理的建模順序和設計的整體思路。

（2）數據獲取:利用三坐標測量儀對轎車車門外板進行單點接觸式測量獲取車門外板點云數據。將掃描的三維數據輸入到三維CAD軟件中，進行曲面重構［2］。

（3）數據預處理:由于獲得的點云在邊緣、曲率大的過渡處存在壞點;曲率小的平滑表面不需要過多數據。因此，要對測得的數據點進行壞點剔除、去除噪聲點、點云精簡［3］。

（4）曲面重構 （在UG軟件中采用由點云生成曲面的方法）:在UG中利用點云進行曲面重構主要進行點云的分塊、基礎面的構建、過渡面的建立、曲面的拼接、曲面質量分析等步驟。

2 實體建模

2.1 外板建模

在車身逆向工程中，首先進行曲面分塊擬合，進而拼接，在完成車身曲面表面基本模型的建立后，最后對車身曲面進行評價，對曲面不合理處進行調整、光順。利用UG軟件對車門外板點云重構曲面基本過程如下:

（1）將已經三角化的車門外板文件導入UG軟件中，如圖1所示。

（2）對點云利用剖面分析進行剖分，劃分網格，以便于后續的曲面擬合工作。然后根據網格建立四點曲面，建立的曲面（外板曲面）應比點云中的稍大 （圖2）。但不要過大，否則會給以后的曲面擬合帶來麻煩，同樣過小，有可能與其他的曲面不能形成交線，則不利于之后曲面的拼接和光順。一般要遵循以下原則:①盡可能減少曲面分塊數量。在曲率變化較小處，曲面塊盡可能少一些;曲率變化較大處，可根據需要增加曲面塊數，然后將其拼接。②在保證曲面精度的前提下，盡量減少曲面塊的階數，一般最高不能超過7階。

（3）建立四點曲面后，對其剖分以便進行曲面擬合，由于車門外板曲面是A級曲面，所以要用測量命令保證剖面線誤差保持在0.5 mm以內，對曲面的不同位置進行幾次測量，確定誤差較大的位置后再進行進一步的曲面調整，以保證滿足曲面光順性，減小誤差的要求，如圖3所示。

（4）利用X成型命令不斷反復地進行極點的調整，包括調整片體的寬度大小、法向上調整曲面、改變曲面的階次以得到更準確的貼合，最終得到剖面線誤差合格的曲面。再需要調整的幅度非常小時，可以勾選微調項，確定微調速度進行微調。

（5）在車門點云上重構的基本曲面符合誤差要求后，此時要對大面之間的過渡面進行匹配進而得到光順的車門外板基本面。進而與車門內板以及側圍進行配合確定車門外板的邊界曲線，確定車門玻璃窗的外輪廓線后，應用修剪，得到符合實際情況的車門外板曲面，如圖4所示。

（6）外板面質量分析。A級曲面是指車身模型中對曲面質量有較高要求或特殊要求的一類曲面，A級曲面不僅要滿足空氣動力學、幾何連續性要求，又滿足汽車造型的需求。

文中主要針對曲面質量進行初步評價，選擇斑馬線法進行評價曲面質量。在工程實際中，也常選用斑馬線來評價車身A級曲面的品質［4］。一般要求曲面的斑馬線粗細均勻，斑馬線之間的間隔也要均勻。如圖5所示，曲面的斑馬線在拼接處光滑過渡，車身A級曲面必須達到這樣的要求;圖6為文中得到的車門外板曲面的斑馬線評價情況。由圖可看出，該車門外板曲面斑馬線及其間隔均勻，在過渡曲面處的斑馬線及其間隔是逐漸變化的。連接處的斑馬線是S形的，這說明曲面間連續至少在G2連續以上，顯示該曲面具有很好的品質。

2.2 外板與內板的包邊建模

車門包邊通常是先將內、外板扣合，通過車門外板邊緣的塑性變形將內板總成一部分邊緣包住的過程，包邊量大約在5～15 mm左右。有的車門包邊完成后可能還需要弧焊或點焊補焊。考慮車門鋼板厚度及所用鋼板的數量，選擇內外板厚0.8 mm，包邊面與車門外板面偏置距離2.4 mm，包邊寬度10 mm。

將獲得的外板片體向里方向偏置面，應用修剪片體命令得到包邊曲面。使用網格曲面功能插入2×0網格曲面的方式得到外板與包邊的過渡曲面。待所有曲面符合誤差要求后，進行圓角過渡。

2.3 門鎖摳手的建模

需要保證開門者手部有足夠的活動空間。將已經在內板上確定位置的門鎖結構導入，抽取門把手安裝板的面，預留出外板加厚的距離。以此為基礎面進行處理便得到門鎖摳手。

2.4 車窗建模

很多的小型車中有普遍應用的是內外板同體式窗框，窗框由于與車門內外板一體，所以剛性較好，結構簡單，工藝性也比較容易控制。

由點云可作草圖，獲得窗框的輪廓線，按照此輪廓線在外板裁剪獲得窗框片體，應用抽取命令后偏置可得內包邊曲面，然后在外板獲得窗框邊緣，插入網格曲面，檢查誤差，縫合，邊倒圓獲得過渡圓角。

將已經獲得的車門外板最終片體進行片體加厚處理即可以得到最終的車門外板實體模型，如圖7所示。

3 工藝性檢查

文中應用了UG軟件中的拔模指令，初步檢查了車門外板的拔模情況。限定最小拔模角為5°;綠色部分說明拔模角均大于5°，不會出現倒扣現象，如果顯示紅色則說明工藝性不符合要求，可能出現倒扣現象。工藝性檢查應伴隨設計過程進行，以便于及時修改。圖8所示的車門外板檢查結果符合工藝性的要求。

4 結論

文中以逆向工程為背景，依據汽車車門的設計要求，在UG軟件中完成了車門外板的三維建模并對車門曲面的品質進行了必要的分析。通過具體實例的進行為工程實踐中逆向工程的應用提供了參考。

本次設計僅對車門外板進行反求設計，將CAD技術與正向設計相結合，應用先進的車門設計方法對已有車型進行優化設計是需要繼續努力的地方。

【1】烏秀春，胡麗娟，趙洪波.基于逆向工程的車門外板曲面重構［J］.拖拉機與農用運輸車，2009（2）:24 －25.

【2】鄭勇新.基于逆向工程的車門開發［J］.裝備制造技術，2009（10）:72－73.

【3】羅大兵，高明，王培俊.逆向工程中數字化測量與點云數據處理［D］.成都:西南交通大學，2005.

【4】徐家川，高尚鵬，高永光，高相森.基于曲率梳的車身A級曲面評價方法［J］.農業裝備與車輛工程，2009（10）:11－14.