孔祥增

(一汽豐田汽車有限公司技術(shù)研發(fā)分公司 天津 300462)

1 逆向設(shè)計的應(yīng)用背景

隨著國內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，汽車市場的競爭日益加劇，對于汽車產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)也就提出了更加嚴(yán)格的要求，尤其是縮短設(shè)計開發(fā)的時間、滿足產(chǎn)品多樣化和個性化的需求[1]。為了應(yīng)對市場情況、要求多變的現(xiàn)實和滿足縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的要求，開發(fā)新車型的過程中越來越缺少全新設(shè)計，而是以產(chǎn)品改型和升級為主要趨勢，在這個過程中需要參照已有的產(chǎn)品應(yīng)用逆向工程進行設(shè)計。這是一種全新的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)流程，也就是汽車產(chǎn)品逆向開發(fā)流程。這種開發(fā)流程是通過對現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品進行研究，并在此基礎(chǔ)上進行改型升級，從而輸出工程圖。過程中，首先要對與設(shè)計件相關(guān)的被測件進行測量得出點云數(shù)據(jù)，然后通過計算機輔助設(shè)計軟件進行數(shù)模重建，從而得到產(chǎn)品的工程圖，并應(yīng)用到產(chǎn)品的生產(chǎn)中。這種設(shè)計流程具有開發(fā)周期短、風(fēng)險低、成本少、后期生產(chǎn)投入低等優(yōu)點，目前在美國、德國和日本等國家的汽車產(chǎn)品開發(fā)中均已得到廣泛應(yīng)用。因此，掌握逆向工程技術(shù)的應(yīng)用和開發(fā)完善這項技術(shù)對于我國汽車工業(yè)的壯大具有非常重要的意義。

2 逆向設(shè)計流程介紹

本次研究的主要內(nèi)容是通過坐標(biāo)測量機測量獲得的點云數(shù)據(jù)，并應(yīng)用 CATIA的數(shù)字化外形編輯器(Digital Shape Editor，DSE)將點云數(shù)據(jù)進行導(dǎo)入、刪除、過濾等處理，然后鋪面獲得逆向設(shè)計的目標(biāo)模型、應(yīng)用創(chuàng)成式外形設(shè)計(Generative Shape Design，GSD)經(jīng)過獲取不同方向的點云截面和創(chuàng)建草圖最后通過拉伸、掃掠、橋接等操作進行曲面重建，還要通過快速曲面重建(Quick Surface Reconstruction，QSR)模塊對一些特殊的曲面進行重建，所有重建出的曲面均需要滿足貼合度的要求。

逆向設(shè)計的全過程大致如下：

①將已經(jīng)獲得的點云數(shù)據(jù)在 CATIA的 DSE模塊中進行導(dǎo)入，之后通過該模塊中的多個命令對點云數(shù)據(jù)進行刪除、過濾等操作，最后進行鋪面；

②通過DSE模塊的取截面命令獲得點云表面的截面線，應(yīng)用草圖編輯器擬合獲得截面線判斷板件表面的形狀，并執(zhí)行不同方向的拉伸或掃掠等命令；

③獲得板件的大面后進行剪裁，獲得基礎(chǔ)面；

④進行板件細(xì)節(jié)如加強筋、凹槽、孔洞等的重建；

⑤進行最終的剪裁后將所獲得的所有板件進行接合，之后進行倒圓角。

在逆向設(shè)計的過程中，對于形狀扭曲的表面或一些意外的孔洞、凹陷等，可以根據(jù)自己的結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗進行設(shè)計。對于一些不合理的結(jié)構(gòu)則可以進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 后地板逆向設(shè)計過程

3.1 研究方法與技術(shù)路線

本次逆向設(shè)計的后地板點云如圖1所示，由于點云圖是在某轎車的車身有限元模型中提取并轉(zhuǎn)格式獲得的，點云圖的默認(rèn)坐標(biāo)也就是車身坐標(biāo)系，不需要進行點云定位、對齊等命令，連接件的點云圖其坐標(biāo)系同樣是車身坐標(biāo)系。

圖1 某轎車后地板點云圖Fig.1 Point cloud diagram of rear floor of a car

在應(yīng)用CATIA的DSE模塊進行點云導(dǎo)入時，選中 create facets命令可以直接對點云進行鋪面命令，不需要再進行點云的前期處理。鋪面后的點云如圖 2所示?？梢钥吹戒伱婧蟮狞c云表面光滑，有利于逆向設(shè)計時對后地板結(jié)構(gòu)的判斷和進行曲面重建。因此，這種直接運用 create facets命令進行鋪面的方式是可取的。后地板相關(guān)連接件鋪面后的點云如圖 3、圖 4。

圖2 完成鋪面的點云Fig.2 Point cloud after paving

圖3 連接件1鋪面后Fig.3 Part 1 after paving

圖4 連接件2鋪面后Fig.4 Part 2 after paving

觀察后地板的結(jié)構(gòu)可以看出，后地板大致的結(jié)構(gòu)是左右對稱的，在進行逆向設(shè)計時可以先對鋪面品質(zhì)較好的一側(cè)進行逆向設(shè)計(觀察圖5可以看出左側(cè)的品質(zhì)較好)，之后找到左右的對稱線，然后通過對稱命令可以獲得另一側(cè)的曲面，再將左右兩側(cè)進行接合命令，最后再將一些不對稱的加強筋、孔洞等在接合后的地板中單獨創(chuàng)建出來。

3.2 后地板結(jié)構(gòu)分析與逆向流程設(shè)計

后地板結(jié)構(gòu)分析：觀察圖5可以看出后地板結(jié)構(gòu)復(fù)雜、曲面多變，表面由眾多的加強筋、凹槽、孔洞等共同構(gòu)成。由于其結(jié)構(gòu)基本左右對稱，在逆向設(shè)計時采用對稱命令可以減少許多的工作量。

圖5 后地板結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Rear floor structure

地板是駕駛室其他板件的安裝基礎(chǔ)，尺寸較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地板的結(jié)構(gòu)共分為前、中和后地板，本次逆向設(shè)計的是后地板及其連接件。在對其進行逆向設(shè)計時需要考慮兩方面因素：第一，后地板參與支撐教室艙、乘員和駕駛員的重量，是重要的支撐件，汽車運動中地盤產(chǎn)生的各種載荷、沖擊和振動也經(jīng)由地板進行緩沖和傳導(dǎo)；第二，地板是座椅、地毯和駕駛艙其他結(jié)構(gòu)件安裝的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對結(jié)構(gòu)的合理性、對稱性的要求較高[2]，在逆向設(shè)計過程中需要綜合考慮各方面的因素，對點云中的各個結(jié)構(gòu)進行縝密的分析，以避免產(chǎn)生不必要的錯誤。因此，在對地板的設(shè)計中存在以下要求。

①地板的剛度要大：由于后排座椅安裝在后地板上，故后地板必須具有能夠承載成員重量的剛度。如果后地板的剛度不夠而產(chǎn)生變形，將會極大地影響汽車行駛的穩(wěn)定性和整個駕駛艙的結(jié)構(gòu)剛度。

②精度要高：地板作為座椅、乘員艙其他板件結(jié)構(gòu)的安裝基礎(chǔ)和行李艙、后輪定位的重要參考，需要具有極高的定位精度。另外，板件的對稱性也要極高，以避免在傳導(dǎo)力矩時左右受力不均，進而影響地板的使用壽命。

③強度要好：汽車地板車身的表面板件中受力最大，受力的情況也最為復(fù)雜。地板不僅要支撐駕駛員、成員和整個駕駛艙的重量，還要承受汽車運動過程中來自于地盤、發(fā)動機艙等的各種沖擊、振動和扭矩等。地板的工作條件非常苛刻，受到的破壞較其他板件也更為嚴(yán)重。地板的破壞將會導(dǎo)致整個駕駛艙報廢，進而影響汽車整體的結(jié)構(gòu)強度和使用壽命。

④良好的舒適性和操縱方便性：地板作為乘員艙的重要組成機構(gòu)，對于乘員而言，需要具有極高的舒適性；對于駕駛員而言，還要具有足夠的操作方便性，以提高駕駛的操縱感。

在應(yīng)用CATIA軟件對已有的點云圖進行曲面重建進而設(shè)計曲面時，需要綜合考慮上述各方面的因素，以提高板件的成型性和合理性等。在逆向設(shè)計流程結(jié)束后進行的成型性仿真分析正是對后地板結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性的分析，如果出現(xiàn)重大問題，則說明后地板逆向設(shè)計的成品是失敗的。

后地板逆向設(shè)計的流程并不復(fù)雜，只是針對不同的結(jié)構(gòu)要特殊情況特殊對待，基本的思路就是先對結(jié)構(gòu)進行分析，找出整個板件的基礎(chǔ)曲面，并將板件的大輪廓確定，然后通過建立草圖應(yīng)用創(chuàng)成式設(shè)計里的拉伸、掃掠、橋接等命令擬合出后地板的大面，最后通過剪裁、橋接、倒圓角等命令將大面最終確定，之后要進行的步驟就是細(xì)節(jié)的重建，如加強筋、凹槽、盆型結(jié)構(gòu)等。在逆向考慮這些細(xì)節(jié)時要注意觀察結(jié)構(gòu)的形狀，判斷形狀的類型，找清母線、棱線，確定拉伸的方向，如圓柱形的結(jié)構(gòu)要找清底面和母線，在進行截面時盡量選擇在母線的垂直方向上截取，這樣獲得的截面線品質(zhì)較高，在后續(xù)用草圖進行擬合時其精確度也會更高，用拉伸、掃掠等命令獲得的曲面其擬合度也會更好。

3.3 后地板逆向設(shè)計過程

3.3.1 DSE模塊(數(shù)字化外形編輯器)的應(yīng)用

在 CATIA的 DSE模塊中主要進行的是點云數(shù)據(jù)的前處理，由于測量獲得的點云數(shù)據(jù)不一定滿足鋪面的要求，因此，要對點云中的雜點進行刪除，有時還需要在一些未測量的部位增加數(shù)據(jù)點。另外，在點云密度過高時可以進行過濾，以減小密度，還可以單獨圈取出需要鋪面的點云[3]。這個過程中用到了該模塊中的多個命令，主要用到的命令如圖6所示。

圖6 點云編輯工具欄Fig.6 Point cloud edit toolbar

該工具欄主要包含 4個命令，即保護、移除、過濾和選取。對應(yīng)點云的 4種不同的操作，主要用到的是后3種。

移除命令：用于將點云中的雜點或不需要進行逆向的點移除，一般選用圈取多邊形的方式進行操作。當(dāng)然，針對不同的情況可以選用不同的方式。

過濾命令：一般在點云密度較高、點云圖的尺寸較大、影響 CATIA軟件的響應(yīng)速度時或點云太過密集導(dǎo)致鋪面后表面粗糙影響逆向設(shè)計判斷時會考慮采取該種點云處理方式。過濾的方式有齊次過濾和適應(yīng)過濾2種，對于結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的零件點云一般選擇這兩種過濾。

選取命令：顧名思義是選取點云圖中需要進行鋪面或其他操作的命令。在有些情況下非常適用。

另外，工具欄中的鋪面命令也非常重要，該命令是對處理完成后的點云進行鋪面，鋪面完成后可以非常直觀地觀察出被掃描件的幾何形狀和輪廓尺寸，光滑的點云面能為后續(xù)的曲面重建提供便利。

如圖7～9是某一車身結(jié)構(gòu)件進行上述命令前后的對比圖和最終鋪面完成后的效果圖。

圖7 某車身結(jié)構(gòu)點云圖Fig.7 Point cloud diagram of a car body structure

圖8 進行過刪除、過濾命令之后的點云圖Fig.8 Point cloud diagram after deleting and filtering commands

圖9 完成鋪面之后的點云圖Fig.9 Point cloud diagram after paving

此外，如果鋪面后的點云仍然出現(xiàn)孔洞，可以采用孔填充命令進行填補；如果表面光順度不好，可以通過縮減命令和最佳化命令進行調(diào)整。

而 DSE模塊除了對點云前處理外，還有一個非常重要的命令，即平面形式切面命令。通過該命令可以對鋪面后的點云通過特定的平面進行取截，從而獲得該平面的截面線，再在截面線上作用于截取的平面的平行平面，并在該平面上進行草圖編輯，對截面線進行擬合，然后進行拉伸、掃掠等一系列命令，最終得到需要的曲面。

在平面形式界面的工具欄中首先需要選取被切面的元素，此處選擇了后地板點云，然后選擇參考平面，也就是用于切面的平面，另外，還可以選擇要截取剖面線的個數(shù)和它們之間的距離。如圖 10中淺藍(lán)色的線就是用XZ平面截取點云后獲得的剖面線。通過對該線進行擬合，然后對草圖進行拉伸，就可以逆向出后地板前部一小塊面積的曲面。重復(fù)該命令就可以將后地板中一些結(jié)構(gòu)規(guī)則的面逆向出來。

圖10 XZ平面截面線Fig.10 XZ plane section line

3.3.2 GSD模塊(創(chuàng)成式外形設(shè)計)的應(yīng)用

由于后地板結(jié)構(gòu)的曲面除了一些加強筋和復(fù)雜的凹槽之外，大部分曲面比較規(guī)則，可以通過拉伸、掃掠等命令得到。因此，在本次的逆向設(shè)計中，創(chuàng)成式外形設(shè)計的應(yīng)用最為廣泛，幾乎后地板件中每一部分的逆向設(shè)計都離不開創(chuàng)成式外形設(shè)計的應(yīng)用。

在創(chuàng)成式外形設(shè)計中主要用到以下命令。

①拉伸命令：該命令主要用于草圖或 3D對線沿特定方向的拉伸，主要針對于一些形狀簡單的零件或曲率變化較小的曲面。草圖的獲取主要通過應(yīng)用DSE模塊中的取截面命令，再應(yīng)用草圖編輯器擬合截面線，之后通過拉伸命令獲得與點云貼合度較好的曲面。在拉伸命令界面中可以選擇要拉伸的輪廓、方向和沿該輪廓兩側(cè)拉伸的距離，圖 11為應(yīng)用草圖拉伸成的曲面。

圖11 拉伸成的曲面Fig.11 Extruded surface

②掃掠命令：掃掠有很多種形式，在其中主要的應(yīng)用有4種。

圖12為參考曲面的實例，應(yīng)用參考曲面進行掃掠與拉伸有些相似，但是又有不同，應(yīng)用參考曲面掃掠時可以選擇輪廓和引導(dǎo)曲線(而不是拉伸方向)，該引導(dǎo)線可以為曲線，也可以為直線。

圖12 使用參考曲面掃掠結(jié)果Fig.12 Results of using a reference surface sweep

等角度型輪廓使用參考曲面掃掠，這種掃掠方式一般是先有確定的底面，然后由面的邊線沿一定角度進行掃掠，掃掠角度的選取非常重要。圖 13的盆型結(jié)構(gòu)就由該掃掠方式獲得。

圖13 掃掠獲得盆型結(jié)構(gòu)Fig.13 Basin structure from sweep

使用兩極限進行掃掠，這種掃掠方式需要先確定曲面的2個極限，也就是2個輪廓線，然后選擇這2條線進行掃掠，這種方式與橋接命令相似，適用于一些曲面簡單、2個輪廓線的形狀尺寸容易確定的情況。

使用3條引導(dǎo)線進行掃掠，3條引導(dǎo)線的確定非常重要，其中2條也就是曲面的2個極限的輪廓線，中間的一條最好選擇曲面中的最高點。這 3條線其實也就是曲面的3條截面線，選擇時一定要事先觀察好曲面的形狀，而且輪廓線的長度選取要合適，過短的話會使得掃掠后的曲面過小，不能滿足要求。這種掃掠方式與多截面曲面的曲面重建方式相似。

③多截面曲面命令：該命令實現(xiàn)的前提是要通過多次的曲面截取建立草圖和擬合截面線，并獲得多個引導(dǎo)線。多截面命令可以將這些引導(dǎo)線光滑地連接，截面的位置和引導(dǎo)線的數(shù)量選取要合適，只有這樣才能使獲得的曲面與鋪面后的點云更加貼合。對于引導(dǎo)線形狀變化不大、輪廓相似的情況，可以選擇這種曲面重建方式。

④橋接命令：該命令與掃掠相似，尤其是與兩極限掃掠的相似。但橋接操作時要注意進行橋接的2個引導(dǎo)線不能相交，而且距離不能太遠(yuǎn)，兩線的形狀尺寸要盡量相似，否則軟件系統(tǒng)會報錯。

⑤接合命令：將一些相連接但是通過不同步驟獲得的曲面或曲線進行拼接，為后續(xù)的命令提供便利。如將曲面和掃掠后的曲面接合，然后才能對交線進行倒圓角。

⑥分割命令：有分割和修剪 2種方式。分割是一種進行單獨剪裁的命令，如果一曲面與另一曲面相交，則可以選取另一曲面為裁剪元素對該曲面進行剪切。修剪命令之后，2個曲面都會被交線剪裁，并且將會自動接合為一個曲面。2種方式各自有利有弊，針對不同的情況需要合理選擇。

⑦倒圓角命令：有簡單圓角、可變圓角、弦圓角、三切線內(nèi)圓角等多種倒圓角方式，一般用到的是簡單圓角，將2個相交的曲面直接倒圓角或修建后進行倒圓角，倒圓角后的板件更加圓滑，對沖壓成形有利。

⑧外插延伸命令：選擇曲面和曲面的邊界，輸入長度后將曲面延伸。在進行掃掠和多截面曲面命令進行曲面重建時可以選定角度修正選項，如果選取的修正角度足夠合理，可以使一些曲率不連續(xù)的交線進行圓滑處理，使逆向出的曲面更加光滑。

3.3.3 QSR模塊(快速曲面重建)的應(yīng)用

由于后地板結(jié)構(gòu)中大型曲面的形狀并不復(fù)雜，應(yīng)用創(chuàng)成式外形設(shè)計中的命令基本可以完成，因而QSR的應(yīng)用不是很多，故一般用到的是曲面填充命令。應(yīng)用該命令時要注意輪廓線一定要閉合，輪廓線可以是二維草圖，也可以是 3D曲線。另外，曲率分析命令對于逆向設(shè)計也非常重要，通過曲率分析可以將零件中曲率相同的曲線確定出來，這樣有利于對鋪面后點云的觀察和對其進行結(jié)構(gòu)分析。圖 14為對后地板點云進行曲率分析后的效果圖。

圖14 后地板曲率分析效果圖Fig.14 Effect drawing of rear floor curvature analysis

3.4 后地板逆向設(shè)計具體過程

第一步：進行后地板結(jié)構(gòu)的分析，確定合理的逆向設(shè)計流程，本次進行逆向的點云文件格式為 stl，應(yīng)用點云導(dǎo)入功能中的 creat facets可以直接進行鋪面操作，鋪面后的點云圖如圖 15所示，其效果不錯，表面比較光滑，后地板的結(jié)構(gòu)比較清晰。不過也可以看到右側(cè)的環(huán)狀筋有缺失，無法進行逆向。但由于后地板件的左右側(cè)大部分結(jié)構(gòu)對稱，可以先設(shè)計出左側(cè)板件的結(jié)構(gòu)，通過對稱操作得到右側(cè)板件后再進行非對稱結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

圖15 鋪面后的后地板點云圖Fig.15 Point cloud diagram of rear floor after paving

第二步：通過對點云取截面建立草圖進行擬合，通過拉伸掃掠等操作獲得基本面。如圖 16所示，通過左側(cè)的平面對點云進行切斷獲得截面線，再通過截面上的點作平行面，在該面上建立草圖，并擬合后地板最前端板面的截線，如圖17所示。

圖16 截面線Fig.16 Section line

圖17 草圖Fig.17 Sketch

延默認(rèn)方向(垂直于平面的方向)進行拉伸，并獲得如圖 18所示的平面。可以看出該板與鋪面后的點云基本擬合，能夠滿足逆向設(shè)計的要求。

圖18 拉伸操作獲得的平面1Fig.18 Plane1 from extrusion operation

通過相同的方式進行操作可以獲得后地板中大部分形狀比較規(guī)整、表面較平的曲面，在此不再進行一一列舉。大平面拉伸之后的效果如圖 19所示，但對于有些比較特殊的結(jié)構(gòu)，則需要應(yīng)用其他方法，如環(huán)形筋所在板面應(yīng)用簡單的拉伸操作顯然是無法完成的。

圖19 拉伸操作得到的基礎(chǔ)面Fig.19 Base surface from extrusion operation

在進行該結(jié)構(gòu)的逆向設(shè)計時，首先考慮使用了拉伸操作，但效果并不理想，擬合度不好，且與相鄰面的距離較遠(yuǎn)，無法進行剪切或橋接的操作。經(jīng)過多次嘗試，最終決定通過掃掠重建該曲面，如圖20所示。

圖20 掃掠得到的曲面Fig.20 Swept surface

通過建立2個垂直方向的草圖，一個作為輪廓曲線，另一個作為引導(dǎo)曲線，最終獲得了平面。另外，也可以看出，該曲面與相鄰曲面的交線并不完全，這種情況將無法進行剪切或倒圓角，這是另一個需要解決的問題?？紤]采用平行線進行剪切之后橋接、接合、倒圓角。圖 21為橋接的效果圖，要注意在進行剪切操作時要先將曲線進行投影，否則是無法完成的。

圖21 橋接命令獲得曲面Fig.21 Surface from bridge command

對圖21中的曲面接合倒圓角之后得到的最終效果如圖 22所示，之后要進行的是與環(huán)形筋緊挨的盆型曲面的重建。先在底面上建立平面，在草圖中將底面的輪廓擬合出，之后將草圖拉伸和對底面進行剪切。然后對剪切后的底面的邊線進行接合，將接合后的曲線進行掃掠，掃掠角度選擇 45°。掃掠效果如圖23所示。

圖22 對橋接后的曲面進行倒圓角Fig.22 Filleting bridged surface

圖23 掃掠曲面Fig.23 Swept surface

再對所有的基礎(chǔ)平面進行相互之間的剪切和接合命令，最終獲得整個的基礎(chǔ)大平面。從圖 24中可以看出，除了后地板中特殊的加強筋、凹槽等特殊結(jié)構(gòu)外，后地板的大輪廓已被重建出來了。之后要進行的就是重建出上述特殊結(jié)構(gòu)中左右對稱的部分。

圖24 所有基礎(chǔ)平面剪切操作后Fig.24 Base surfaces after cutting operations

第三步：對后地板的特殊結(jié)構(gòu)進行曲面重建。后地板前部凹槽和加強筋的重建并不復(fù)雜，分析可以看出所有的凹槽和加強筋均在同一水平面上，因此，可以對基礎(chǔ)平面進行平移，通過凹槽或加強筋的輪廓對平移后獲得的曲面進行剪切，再進行倒圓角命令就可以重建出這些結(jié)構(gòu)。將所有對稱結(jié)構(gòu)逆向后進行對稱操作，如圖 25所示，對稱后另一側(cè)的擬合度也符合設(shè)計要求。

圖25 對稱操作Fig.25 Symmetric operation

第四步：進行非對稱結(jié)構(gòu)的曲面重建。在這一步驟中用到的也是前文中提到的操作指令。將非對稱結(jié)構(gòu)重建之后要對整體的外形輪廓進行剪切。

最終經(jīng)過逆向設(shè)計獲得的后地板結(jié)構(gòu)如圖26所示，貼合度比較符合要求，由于在逆向時加入了設(shè)計者的思考和設(shè)計，故有一些結(jié)構(gòu)并不完全相同。

圖26 逆向設(shè)計最終獲得的后地板結(jié)構(gòu)Fig.26 Final rear floor structure obtained by reverse design

另外，對與后地板相連的兩連接件也進行了逆向設(shè)計，如圖27、圖28所示。

圖27 后地板連接件1Fig.27 Rear floor connection part1

圖28 后地板連接件2Fig.28 Rear floor connection part2

將逆向出的 3個后地板零件進行裝配設(shè)計后的效果如圖29所示。

圖29 裝配設(shè)計效果圖Fig.29 Assembly design rendering

在逆向的過程中還穿插著一些其他的操作，如后地板表面孔洞的獲得是通過建立曲線后拉伸對重建后曲面進行剪切的。