基于點云逆向汽車數字建模技術應用探究

周峰　姜成山

摘 要：計算機輔助設計數字化的發展應用，逆向數字建模技術縮短了汽車產品開發時間周期，提升了開發效率，應對幾何外形快速修改，為準確決策提供不可替代的依據。滿足多樣化、個性化、系列化等方面的需求。本文基于行業現狀，闡述了汽車造型研發流程中的A級曲面設計環節應用方法，分析了設計與質量評價的關鍵內容。

關鍵詞：點云逆向汽車;數字建模

1 正向CAS設計與逆向Class_A設計的區別

CAS是英文Concept A Surface的縮寫。CAS數據是汽車設計數字化工作流程中交付初步造型曲面，屬于A面前一階段任務。制作CAS前提要求：效果圖、工程可行性分析、造型策略等支持文件。CAS面主要是用于造型研究階段進行法規要求、造型、工程、生產制造的校核，造型開發過程評審以及大小比例、全尺寸油泥模型的制作。

A級曲面逆向設計是在點云基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創造的過程。Class_A是由CATIA軟件開發Dassault System公司提出的概念，主要是指車身零部件中對外觀和形狀要求極高的可見曲面。如車身外部覆蓋件、儀表板和門護板等零件的表面。

點云是通過3D掃描儀得到的產品外觀表面的點數據集合并經計算機處理后形成的點狀數據。數據采集是數據處理、模型重建的基礎。沒有高精度的數據采集技術和設備就不會逆向出高水平的模型。點云數據的測量方式主要有接觸式和非接觸式兩種。點云輸出的主要格式有：*.stl、 *.pts、*.asc、*.dat、*.imw、*.xyz

汽車行業逆向建模應用的三維軟件有ALIAS、CATIA、ICEM-Surf等，本文介紹使用Alias軟件進行乘用車整車外飾點云逆向設計建模和檢查。

2 Class_A逆向設計與開發方法解析

2.1 外飾點云逆向設計前，需關聯設計任務輸入清單：

2.1.1 點云數據，根據實物模型掃描采集，體現造型設計意圖。

2.1.2 細節效果圖或照片，對點云數據的補充和細化。

2.1.3 工程截面輸入與輪胎限制

含整車長寬高、地面線、前＼后懸、軸距、接近＼離去角、前＼后視野線、頭部空間要求。輪胎限制包含輪護板法規限制，輪胎包絡。

2.2 逆向設計基本原則

2.2.1 符合法規

數據設計前需輸入產品投放市場國家、區域，保障設計數據符合當地法律法規要求。

2.2.2 符合企業級A級曲面質量要求

一般汽車生產廠家會有適應于自己體系的生產、制造工藝水平的數據輸出精度要求。不同廠家在公差設定上會有些許差異，而公差設定會帶來數據設計工作量的差別。

2.2.3 連續性要求

連續性要求是指相鄰曲線或曲面之間的搭接關系，汽車A面常用的有G0、G1、G2、G3連續。

2.3 符合一般行業通用數字質量要求

在汽車行業數字化發展過程中，逐漸形成了汽車Class_A設計的一些通用原則：

2.3.1 所有特征都必須具有可擴展性和可編輯性

2.3.2 所有特征都必須分解成單凸或單凹特征

2.3.3 所有特征面的光順保證2階導數以上連續

2.3.4 所有特征線（面）函數必須小于6階

2.3.5 所有特征間的連接要2階導數以上連續（曲率連續）

2.3.6 零件邊界線必須光順

2.3.7 不可以用多個特征斷面，用掃面（sweep）的方法，但可用單特征面（曲率變化不超過2倍）多個斷面掃面

2.3.8 不可用多個邊界約束的小面拼接零件

2.4 點云輸入整理與質量評估

點云輸入后根據需要進行稀釋、整理。通過環境分析和斑馬線檢查點云質量，對點云數據中的質量缺陷，確定修正方案以方便數據設計工作有效開展。根據掃描硬點與設計坐標進行坐標修正，達成設計目標。

2.5 設計步驟與方法

2.5.1 輪廓特征提取

2.5.1.1 對點云數據做X、Y、Z方向截面，用于判定建模中曲線和曲面離點云數據的偏差距離。

2.5.1.2 使用曲線工具構建整車外飾三維輪廓線和內部特征線。

2.5.1.3 使用曲面工具構建側窗玻璃大面，對比玻璃曲面和點云數據的截面線、斑馬線。調節曲面控制參數，使玻璃曲面和點云數據貼合誤差在±0.5mm以內，高光走勢和寬窄變化和點云一致。

2.5.1.4 擬合Y0曲線構建車頂對稱大面，使頂蓋曲面貼合點云數據，保證Y0特征G3連續，曲面構成結構合理，控制點規律整齊，多個角度查看斑馬線走勢是否和點云數據一致并光順。

2.5.1.5 根據輪廓線和特征線進行其他區域零部件曲面構建，結合截面線和斑馬線，批量使用移動CV點工具使A柱面貼合點云數據，斑馬線和點云數據一致并且光順。

2.5.1.6 根據零部件分件定義進行分件設計，構建翻邊倒角，并調整DTS定義值。

2.6 設計質量檢查

2.6.1 檢查標準：

檢查標準涵蓋曲面質量標準，一般在參考行業標準前提下執行主體企業的設計標準。其中典型公差標準為曲面之間的連接至少滿足切向連續，連續性要滿足相鄰曲面間之間隙在 0.005mm 以下（有些汽車廠甚至要求到0.001mm），切率改變 在0.16度以下，曲率在0.005度以下，曲率變化率在0.01度以下。

2.6.2 法規標準：

必須滿足車型上市所在的國家或地區法規要求，含外凸、行人保護等。

2.6.3 工程檢查（截面、DTS）：

2.6.4 曲面質量檢查：

2.6.4.1 數據完整度檢查

各零部件總成曲面數據完整。在交付前必須做完整性檢查，不能出現重復、缺面、短邊、未剪切等狀態。

2.6.4.2 貼合度檢查

2.6.4.3 整車主特征線線性檢查

整車造型風格主要由主造型特征線來體現，如腰線、水切線、發動機蓋流水線和汽車各部件之間的分縫線等，這些特征線構成了整車造型風格的主基調，其它小的造型特征如組合燈、手柄、裝飾亮條、防擦條、門檻護板等也與這些造型特征相呼應，達到渾然一體的效果。因此，主造型特征線條的品質是評價整車造型優劣的決定性因素，而評價主造型特征線條品質的主要指標就是它的光順性，且其投影在3個標準視圖上的控制點必須規律有序。

3 總結

汽車A級曲面逆向設計是一項復雜的工作，要根據車身的特征對點云進行細致的分解，找出合適的光順方法：首先光順基本曲面，在基本曲面的基礎上光順過渡曲面，并將復雜特征部位曲面補上;然后用邊界裁剪出需要的曲面。對曲面的評價應在構造曲面的過程中進行，這樣可以及時發現曲面的造型問題、光順問題和工藝問題，以便減少設計缺陷和制造成本。

參考文獻：

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