張宏遠(yuǎn)，徐萬洪，張新然

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.浙江萬里揚(yáng)變速器股份有限公司，浙江 金華 321000；3.長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北 保定 071000)

曲面重構(gòu)技術(shù)在汽車座椅橫梁逆向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張宏遠(yuǎn)1，徐萬洪2，張新然3

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.浙江萬里揚(yáng)變速器股份有限公司，浙江 金華 321000；3.長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北 保定 071000)

以逆向工程為基礎(chǔ)，以汽車座椅橫梁為研究對(duì)象，采用非接觸照相式三維掃描儀獲取座椅橫梁的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用CATIA軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣和降噪等前處理后，進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)并進(jìn)行曲面外形分析。結(jié)果表明：通過NURBS曲面重構(gòu)技術(shù)可快速改進(jìn)產(chǎn)品原型，為汽車覆蓋件開發(fā)提供了重要途徑。

座椅橫梁；逆向工程；NURBS；曲面重構(gòu)

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代加速，對(duì)汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期和質(zhì)量提出了更高的要求，按照傳統(tǒng)的正向工程開發(fā)汽車產(chǎn)品，增加產(chǎn)品的開發(fā)周期；逆向工程技術(shù)可在保證產(chǎn)品質(zhì)量前提下縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，適應(yīng)產(chǎn)品的快速更新。在逆向設(shè)計(jì)中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理并根據(jù)其特征生成曲面的技術(shù)尤為重要。

曲面重構(gòu)技術(shù)是對(duì)已有的產(chǎn)品或零件，利用三維數(shù)字化測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確快速地獲得實(shí)物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后，通過三維幾何建模方法重建或改進(jìn)零件的三維數(shù)字化模型。常用的曲面重構(gòu)方法有B-Spline法、Bezier法[1]和NURBS曲面法[2-3]等，其中NURBS曲面法可精確描述復(fù)雜曲面的外觀結(jié)構(gòu)，更好的控制曲面曲線度，常被作為曲面重構(gòu)的理論方法。

以往的研究中經(jīng)常采用接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)[4-6]來獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再選取插值方法構(gòu)造曲面；由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)復(fù)雜曲面點(diǎn)云的獲取較為困難，且點(diǎn)云較散亂，所以這種方法受零件尺寸、場(chǎng)地和精度等方面的影響。本文以汽車座椅橫梁為研究對(duì)象，以NURBS曲面重構(gòu)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用非接觸式三維掃描儀獲取復(fù)雜零件的高質(zhì)量點(diǎn)云，利用CATIA軟件對(duì)汽車覆蓋件進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。實(shí)踐結(jié)果表明，該方法可快速準(zhǔn)確的重構(gòu)汽車產(chǎn)品的原型，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品表面具有較高的精度和良好的光順性。

1 NURBS曲面重構(gòu)理論

1.1 NURBS曲線

樣條曲線是通過一系列離散點(diǎn)連接成的光滑曲線。NURBS(非均勻有理B樣條曲線)的形狀除了受控制點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)向量及曲線次數(shù)的影響，還受每處控制點(diǎn)上權(quán)因子的影響,其數(shù)學(xué)定義如下[7-9]:

(1)

式中：Pk為控制頂點(diǎn)的位置向量；B(k,i)(u)為點(diǎn)k處的i次B樣條基函數(shù)；wk為點(diǎn)k的權(quán)因子，通常為正值?；瘮?shù)由遞推公式定義如下：

(2)

式中，i為冪次,uk(k=0,1,…,m)構(gòu)成節(jié)點(diǎn)質(zhì)量U，U=[u0,u1,…,um]。

1.2 NURBS曲面

NURBS曲面由B 樣條曲線推廣而來，雙三次B 樣條曲面由給定的4×4個(gè)空間網(wǎng)格點(diǎn)控制，如圖1所示。這16個(gè)控制點(diǎn)決定了B 樣條曲面的形狀，由這16個(gè)控制點(diǎn)組成的空間網(wǎng)格為特征網(wǎng)格[10]。

圖1 NURBS曲面的特征網(wǎng)格

同樣，可把這16 個(gè)控制點(diǎn)寫成如下矩陣形式

(3)

與三次B樣條曲線相似，雙三次B樣條曲面很好地解決了曲面片之間的連接問題。只要其特征網(wǎng)格沿某一方向延伸一排，即可決定另一個(gè)曲面片，且兩曲面片之間可達(dá)到C2連續(xù)。

B樣條曲面的表達(dá)式為

近幾年，報(bào)業(yè)廣告經(jīng)營(yíng)大幅下滑，新媒體贏利模式不成熟，付費(fèi)模式舉步維艱，為了破除轉(zhuǎn)型痛點(diǎn)，數(shù)字報(bào)業(yè)不斷改變自己的盈利模式。

S(u,v)=U·N·B·NT·VT

(0 ≤u≤1,0≤v≤1)

(4)

式中

(5)

式(4)寫成x、y、z三個(gè)方向分量的形式，則B樣條曲面可表示為

x(u,v)=U·N·Bx·NT·VT

y(u,v)=U·N·By·NT·VT

z(u,v)=U·N·Bz·NT·VT

(6)

(0 ≤u≤1,0≤v≤1)

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取和處理

快速、準(zhǔn)確地獲取點(diǎn)云是逆向工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)測(cè)量方式的不同，數(shù)據(jù)獲取方法可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢?。接觸式測(cè)量的典型代表是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其測(cè)量具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，但其測(cè)量效率較低。近年來以光學(xué)測(cè)量為代表的非接觸測(cè)量得到了廣泛應(yīng)用[11]。本文采用天遠(yuǎn)三維照相式三維掃描儀獲取點(diǎn)云，該掃描儀在400mm×300mm范圍內(nèi)，單幅掃描絕對(duì)精度高于0.04mm；整體拼合精度高于0.1mm。首先在要測(cè)量的汽車覆蓋件表面貼上標(biāo)志點(diǎn)，通過標(biāo)志點(diǎn)建立框架，在建立好的框架上利用三維照相式掃描儀進(jìn)行掃描獲得成片的點(diǎn)云,然后在CATIA軟件中將點(diǎn)云導(dǎo)入，圖2所示為未經(jīng)任何處理的原始點(diǎn)云。

圖2 座椅橫梁原始點(diǎn)云

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

對(duì)于非接觸測(cè)量，在測(cè)量中由于被測(cè)環(huán)境光線狀況、測(cè)量軟件內(nèi)部算法等原因都可能造成少量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，這部分點(diǎn)云稱為噪聲點(diǎn)，一般出現(xiàn)在模型的尖角和邊界區(qū)域，如圖3所示。由于多次掃描拼接，在拼接部位產(chǎn)生多余重疊點(diǎn)云。這些都會(huì)極大的影響曲面重構(gòu)的速度和曲面精度，所以在點(diǎn)云生成曲面前必須對(duì)點(diǎn)云文件進(jìn)行降噪和過濾等處理。通過降噪處理可剔除尖角和邊界附近多余的噪聲點(diǎn)，在保留曲面特征和曲率等前提下對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行過濾，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)的總量控制在合理的范圍內(nèi)，提高計(jì)算速度和生成曲面的表面質(zhì)量。圖4為經(jīng)過處理后的點(diǎn)云，從圖上可以看出，在邊線和棱角等曲率變化較大的部位，點(diǎn)云數(shù)量明顯多于曲率變化較小的部位。

3 NURBS曲面重構(gòu)

曲面重構(gòu)是整個(gè)逆向設(shè)計(jì)中復(fù)雜和重要的環(huán)節(jié)，曲面重構(gòu)是將預(yù)處理后的點(diǎn)云通過網(wǎng)格化和特征提取等命令最終生成NURBS曲面。將經(jīng)過處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，選擇要編輯的曲面的邊界，通過輸入控制點(diǎn)的數(shù)量光滑邊界，并最終使邊界擬合成一條樣條曲線。

圖3 多余的噪聲點(diǎn)

圖4 處理后的點(diǎn)云

3.1 點(diǎn)云網(wǎng)格化

為更好的辨認(rèn)和提取特征，需對(duì)點(diǎn)云網(wǎng)格化。網(wǎng)格化既在相鄰的點(diǎn)云之間形成三角片。使用網(wǎng)格化工具使點(diǎn)云網(wǎng)格化，網(wǎng)格化可使點(diǎn)云形狀更接近實(shí)體，便于后續(xù)處理。點(diǎn)云網(wǎng)格化后可對(duì)其進(jìn)行平滑處理，選取合適的平滑度，使平滑效果達(dá)到最佳。注意：不能使平滑值過大，否則會(huì)造成曲面上一些細(xì)微的特征丟失。網(wǎng)格化等一系列處理后的模型如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格面效果圖

3.2 特征的提取

特征線的提取是曲面重構(gòu)技術(shù)的關(guān)鍵，重構(gòu)前首先對(duì)零件的曲面進(jìn)行規(guī)劃，按照相鄰曲面的交線、棱線和曲面的曲率等因素將零件劃分成若干個(gè)曲面，然后根據(jù)每一個(gè)曲面的特點(diǎn)采用適合的方式來構(gòu)建特征線。

對(duì)較光整的網(wǎng)格面可采用創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)中的掃掠命令進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此之前先要在網(wǎng)格面上做出掃掠輪廓及相應(yīng)的引導(dǎo)線。如圖6所示。

圖6 特征的提取

3.3 曲面的后處理

綜合運(yùn)用以上命令，得到未修剪的曲面，對(duì)未修剪的曲面進(jìn)行分割、橋接、倒角和加厚等，生成的最終曲面如圖7所示。

圖7 加厚生成的實(shí)體

圖8 斑馬線分析效果圖

3.4 曲面外形分析

為保證重構(gòu)后的曲面外形品質(zhì)，需進(jìn)行曲率分析和斑馬線分析。質(zhì)量較好的曲面曲率連續(xù)、曲率變化均勻、斑馬紋均勻連續(xù)。圖8為座椅橫梁的斑馬線分析效果圖，通過觀察條紋在曲面上的反射情況，分析曲面的狀態(tài)及品質(zhì)，根據(jù)分析結(jié)果反復(fù)修改曲面模型，直到達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

采用非接觸照相式三維掃描儀可快速、準(zhǔn)確的獲取汽車座椅橫梁等汽車覆蓋件點(diǎn)云數(shù)據(jù)；通過CATIA軟件的逆向設(shè)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車覆蓋件的快速逆向設(shè)計(jì)，經(jīng)過曲面外形分析，可更好的檢查所生成曲面的曲率及曲面的品質(zhì)，對(duì)汽車覆蓋件的逆向設(shè)計(jì)具有重要意義。

[1]陳志楊，李江雄，柯映林.反求工程中的曲面重構(gòu)技術(shù)[J].汽車工程,2000,22(6)：365-367.

[2]趙斌，張湘?zhèn)?，成思源，?汽車覆蓋件逆向工程設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓,2008,36(5)：272-274.

[3]姚楠,鄧亞東.逆向工程技術(shù)在汽車車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與分析[J].中國水運(yùn),2006,4 (12)：149-150.

[4]張明魁，饒錫新，鐘春華.逆向工程與曲面重構(gòu)技術(shù)[J].現(xiàn)代制造工程，2006(4)：53-59.

[5]張麗艷，周來水，周儒榮.逆向工程中的曲面重構(gòu)算法研究與實(shí)現(xiàn)[J].航空學(xué)報(bào)，1999,20(3):242-244.

[6]慈瑞梅，李東波.逆向工程中NURBS曲面重構(gòu)技術(shù)研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,28(4):390-394.

[7]潘松欽,王小平，宋明軒.NURBS曲面建模在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2007,7 (6):1052-1056.

[8]瞿建武，柯映林，李江雄.反求工程中實(shí)物測(cè)量數(shù)據(jù)補(bǔ)缺及重構(gòu)技術(shù)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2002,21(3):491-493.

[9]安曉超,王雷剛，黃瑤，等.基于逆向工程的汽車覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計(jì)[J].工具技術(shù),2008,42 (1):124-126.

[10]張學(xué)昌.逆向建模技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社,2009.

[11]黃曼慧，成思源.基于Geomagic的CAD模型重建技術(shù)研究[J].機(jī)床與液壓,2008,36(9):106-108.

ApplicationofSurfaceReconstructionTechniqueinAutomobileSeatBeamReverseEngineeringDesign

ZHANG Hongyuan1,XU Wanhong2,ZHANG Xinran3

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Zhejiang wanliyang transmission co.,ltd,Jinhua 321000,China;3.Great Wall Motor Company Limited,Baoding 071000,China)

This paper takes automobile seat beam as the study object,and adopts non-contact 3D scanner to obtain the point cloud data of the automobile seat beam.Point cloud data sampling and noise reduction are processed by CATIA,and reverse design and surface shape are analyzed.Results show that,NURBS surface reconstruction technique can improve the product prototype in a fast speed and provide an important way of automobile panel development.

seat beam；reverse engineering；NURBS；surface reconstruction

2013-02-27

張宏遠(yuǎn)(1980—)，男，講師，研究方向：汽車車身逆向工程技術(shù).

1003-1251(2014)01-0091-04

TP391

A

趙麗琴)