汽车车身逆向工程设计关键技术及应用

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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第9页 共9页汽车车身逆向工程设计关键技术及应用逆向工程设计方法是汽车车身设计过程中的一个重要环节，也是一种快速设计的工程方法。逆向工程设计主要包括如下过程：三维测量获得点云数据、数据处理、特征的提取、曲面重构和曲面评价等。逆向设计并不是简单地复制，而是要在逆向过程中增加一些特征要素，设计出工艺性更好，质量更高的产品的过程。该文主要探讨汽车车身逆向设计的关键技术和技术特点。在汽车的整体设计中，车身占整车总成本的40%以上。汽车更新的速度主要体现在车身方面，人们对汽车的关注首先就是汽车的外观质量。因此车身设计是轿车开发的关键技术之

2、一。日益成熟的CAD/CAE/CAM一体化产品开发技术在汽车车身设计领域得到广泛应用。随着三维测量技术逐渐成熟，逆向工程设计技术能够快速将车身油泥模型或其他实物模型，快速地转变为三维曲面等数模，从而可以快速地进行模具设计，快速地生产车身，极大地缩短了车身的设计周期。同时该方法也可以快速地吸收国内外汽车车身设计的先进技术，然后经过我们的再设计，快速响应市场，达到事半功倍的效果。逆向设计的核心思想是将实物模型转化为计算机能够表达的三维数模的一种过程。简单地说就是从实物到图样的过程。逆向工程设计的核心思想是以实物模型为参考，增加我们自己的创新知识，设计出符合要求，又要高于原来实物的设计过程。这就相当

3、于我们过去常讲的类比设计。其实任何设计都是在一定的参考基础之上，逐步发展完善的过程。在从事逆向工程设计的过程中，人们可能会发现，虽然同是一个模型，但是不同的人，设计的效率和质量可能有比较大的差别。本文就是基于这样的目的，探讨逆向工程设计的关键技术。一、车身模型的测量车身的测量根据测头与车身模型是否接触分为接触式测量与非接触式测量。接触式测量主要采用三坐标测量机，非接触式测量又包括激光测量和结构光测量。接触式测量优点是精度高，缺点是效率比较低。测头的大小与接触力的大小对测量的精度都有影响。非接触式测量优点是效率高，缺点是精度低一些。比如对于图1所示的吉普车车身，采用非接触测量的方法只需要一两天的

4、时间即可。为了提高测量的效果和精度，一般要在车身上喷上显影增强剂，如图2所示。图1 吉普车图2 喷显影剂的车身1.车身模型坐标系的确定为了方便测量及测量后的数据处理，首先要确定车身坐标系。对于轿车车身，一般以汽车前轴的中心为坐标原点，向后为X轴，向右为Y轴，向上为Z轴。具体的做法是将车身支撑固定在单臂或双臂的划线机(三坐标测量机)，如图3所示。根据测量的结果，调整车身的前、后、左、右等位置，最后确定车身没有发生大的扭曲变形，直到正确为止。图3 车身定坐标系2.贴车身Mark点对于汽车车身，现在通常的做法是采用非接触测量方法，比较常用的是采用结构光的照相法。照相法的测量的核心就是点云片的拼接技术

5、。首先在车身的表面喷洒乳白色显像剂，然后在上面贴Mark标记点。Mark标记点实际上是后序测量的点云片的拼接所用的定位点，如图4所示。图5 车身Mark点标志点不要贴成直线，贴标记点的原则是三维扫描的每幅幅面的范围内应该拥有四个标记点，四个标记点尽量能够分散，尽量不要在孤立位置和曲率变化较大处。分散的目的就是将将来依据标记点拼接的时候，可以将拼接误差尽量地减小。标记点贴的质量直接影响测量的精度。随着计算机技术和图像处理技术的提高，单幅点云的精度一般都比较高，但是不同的扫描系统之所以出现比较大的质量差别就是因为点云片的拼接技术存在差别。同样的扫描系统，标记点的贴的技巧如果没有充分掌握，测量出来的

6、结果可能也有比较大的差别。3.测量车身Mark点标记点是用于点云片的定位的。因此，标记点测量的准确与否对整个车身的测量精度至关重要。测量的方法一般是采用高精度的相机，在车身上一般还要放置一些测量基准杆件，作为图像处理时标定。对车身上的所有标记点从不同角度进行大量的拍摄。然后进行图像处理，获得标记点的三维数据，如图6所指示。图6 三维Mark点4.车身曲面片测量采用三维扫描仪测量，当标记点测量之后，一般在进行这部分测量的时候，测量的顺序就没有过高的要求，因为测量的每一片点云是靠上面的标记点进行拼接的。也就是点云片之间没有误差累积的问题。测量的时候，要注意的是测量的每一片点云至少要包含三到四个标记

7、点，包含的越多，拼接的精度越高。因为拼接时是点云片上标记点要与已经测量的标记点框架要匹配。因为两次测量，就是对与同一个标记点也会存在测量误差。所以在拼接的时候，点云片上的标记点都要参与标记点框架的匹配，这样测量误差就会减小。这部分的技术关键主要有：(1)测量的角度与距离要严格按照扫描仪器上所要求的操作规范;(2)测量环境，如环境光线的强弱要满足测量要求;(3)测量的每一片点云范围要包含尽量多的标记点;(4)相临的点云片的重叠部分以30mm为基准即可。一般的三维扫描系统，在测量的过程，点云就可以自动拼接到标记点框架子上了。也有测量系统要其他的软件进行拼接。不管采用何种办法拼接，关键是能否保证测量

8、的精度和效率，这是关键。车身测量完成之后，可以获得asc码、stl码等格式的数据文件，里面包含的就是车身的三维点数据(x,y,z)。如图7所示图7 车身点云数据二、车身点云的数据处理1.数据预处理在车身测量的过程中，由于光线的明暗、辅助工具的的介入、测量仪器的偶然因素、操作者的操作水平等因素，如果采用接触式测量，测量时的震动等都会对测量出来的数据点都可能产生一定的影响，测到的点是错误的，我们可以认为是测量噪声或坏点。不论采用什么方法测量都会产生坏点，一般是不可能全部避免的，关键是要掌握如何剔除的方法。(1)首先要反复观察被测量的物体与已经测量的点云数据，坏点非常容易判断，比如测量车身，有些数据

9、点跑到车身的外面或内部，这就是坏点，必须手工删除或采用软件删除，如图8所示。图8 坏点剔除(2)软件剔除，比如剔除远离的分散点等，但是有时效果不太好。(3)有时直接观察离散点，因为没有消隐，分辨起来有一定的困难，这时可以将点云进行铺面(做成三角面)渲染，使点云看起来比较像实体，就非常方便消除坏点了。数据点过滤，在测量的过程中，特别是采用非接触法测量车辆，数据点数量非常庞大。在做逆向过程中，点云是做参考使用的，因此，有些位置的数据点没有必要太多，比如平面、平坦的曲面等。在不影响逆向设计的情况下，要将测量的数据点过滤掉一部分。可以大幅度地减少占用计算机的内存，处理的速度和效率都可以大幅度地提高。过

10、滤主要采用等半径区域过滤和定弦高方法两种方法。等半径区域过滤过滤方法主要适合，曲面比较平坦的场合。定弦高方法主要适合曲面变化比较大的场合，该方法处理的效果是曲面比较平坦的地方，点比较稀疏，曲面变化剧烈的地方，点的数量比较多一些。通常采用这种方法的时候，仍然要限制相临点之间的距离，以方便以后的操作，过滤之后结果如图9所示。图9 点云数据精简2.点云的渲染对点云铺面渲染，点云看起来比较像实体，如图10所示。这样操作的目的是便于后续在做曲面的时候，容易分析曲面的大小，方便曲面规划设计等。图10 渲染效果三、车身曲面逆向工程设计1.设计的基本流程(1)车身坐标系的确定根据车身在测量前的的固定位置和汽车

11、车身坐标系的规范等，要采用坐标转换的方法，确定汽车车身坐标系。以汽车的前轴中心为坐标原点、向后为X轴、向右为Y轴、向上为Z轴。(2)分析被测量车身的部位与功用这点非常关键。比如如果车身是外覆盖件，那么，一般要求车身的表面是A级面，曲面要求光顺。对于车身的内板件，一般要求不要求A级面，但是要求在满足功能的前提下，要满足冲压、焊接等工艺性的要求。这时做出的面可能与点云有比较大的误差。(3)分析是否变形这个车身是否变形，变形量大概有多少要了解。因为车身零件是薄壁件，变形是非常正常的情况，那么在设计的时候必须分析出来。如果按点云来做，可能会将原来件上的毛病也制造出来了，这种情况一般会出现在制造和设计经

12、验不足的设计人员身上。(4)要从全局来分析曲面的大小在车身上有时经常出现，不同部位的车身，理论上应该是一个大面，而不是几个小面。如果几个小面单独做，这样制造出来后，在曲面分析的时候会发现车身曲面的光顺性和美观程度有毛病，因为理论上应该是一个大面的情况下，先做的几个小面不可能共面。因此会出现问题。总之，曲面尽量要做大面，要揣摩正向设计的设计思路，从根上来从事设计，更能抓住本质，抓住设计的灵魂。(5)整体考虑对于车身的外覆盖件，在逆向设计的时候不要考虑车身的分片等因素，要把车身作为一个整体考虑，等车身全部设计完成之后，然后再考虑车身的分界问题，例如车门与侧围等部分。(6)车身曲面的评价与修改对于车

13、身的外覆盖件一般要求A级曲面。对于一个曲面的光顺性不是靠评价获得的，而是靠曲面的设计技巧来获得，曲面的关顺性要贯穿在设计的过程之中。曲面的评价只是一种验证工作。如果曲面的关顺性靠验证，然后修改，那么曲面设计的效率就会大打折扣。曲面的光顺性思想要体现在曲面设计的具体步骤上，比如构造曲面的曲线必须是光顺的。(7)车身曲面的细节处理曲面的倒角处理是车身曲面构造的一个重要环节，同样的几个曲面，不同的倒角顺序和方法获得的效果是不一样的。设计人员一定要根据曲面的成形性和美观等方面的要求去考虑，采用不同的方法和步骤。对于车身的内板件，也就是结构件，倒角的半径一般要圆整，比如如果测量点云获得的半径数值比如是3

14、.3，我们一定要将倒角半径修改为3.5或4。其原因也是为了制造的工艺性。因为在加工冲压模具的时候，圆整后的刀具我们容易买到，如果圆角半径不是标准的数据，制造的时候就必须采用比较小的刀具来处理，这样会造成加工效率的低下。另外车身曲面，特别是结构件，能够是平面的，尽量采用平面设计，只要满足刚度和强度的设计即可。也就是尽量结构简化。车身的外覆盖件也并不是各处都要求A级曲面，有的局部故意要求棱角分明，这要根据设计者的理念去分析，确定相应的方法。车身曲面上的孔和洞的处理，一般要在车身曲面构造完成之后，再根据功能的要求去处理。对于曲面上的孔，尽量将孔开在平坦的曲面上，这样车身零件的工艺性比较好。需要注意的

15、是，尽量采用一种软件进行逆向设计工作，如果采用两种或两种以上的软件来处理的话，可能会出现因为格式的转化，带来曲面边界的误差，给曲面设计带来不必要的麻烦。四、车身逆向实例根据图1中的吉普车车身我们进行了测量和构造曲面的工作，如图11所指示。关于设计细节，在这里就不一一探讨了。下面就设计的思路和里面用到的技巧问题在这里简单探讨一下。在构造曲面的过程中，根据车身的各部分的功能分析，如果是部分曲面可以是简单曲面，比如平面、圆柱面、圆锥面和球面等。那么我们就可以采用快速构造曲面的方法快速构面，并且根据需要尽量扩大曲面，便于曲面的裁剪。构造曲面不一定非要提取特征线。对于车身的自由曲面，虽然有些文献介绍各种

16、提取特征线的方法，但是在实际使用的过程中，应该还有很大的局限性，有的获得曲线我们使用起来对我们的设计反而造成困难。比如有的文献可以提取两个曲面的交线。但是实际上，在正向设计的过程中，一般的情况下，曲面的交线是两个曲面互相裁剪而得到。如果我们采用提取的边界进行构造曲面，这时可能造成构造的曲面的参数线是扭曲的。要将这样的曲面调整成光顺或光滑地与其他曲面连接，或者倒角可能造成比较大的困难。有的时候特征线可能还不好确定。在这样的情况下，我们要采用正向设计的思维形式来解决这种问题。如果正向设计，这个位置的曲面的构造方法应该是什么样的，我们应该清楚。否则的话，这个曲面你构造起来可能就非常浪费时间，并且做出来的车身曲面还不一定就满足主机厂的需要。通常解决办法，根据正向的构造曲面的方法，我们人为的去从车身点云上用有限的几个平面去截取点云，获得几条点云平面扫描线。这条线实际上就是线性的点云。这时如果直接根据扫描线构造曲线，可能出现曲线的断续问题，也可能出现曲线不光顺的问题，需要较多的时间去调整。一种比较高效的问题就是采用用一条样条曲线逼近的方法。如果设置恰当，对于结构件，基本上不用调整曲线即可获得比较满意的曲线。对于外板件有时仅需要简单的调整即可获得比较满意的结果。第 9 页 共 9 页