基于CATIA的汽车发动机罩逆向设计

（ １．Ｈｕｂｅｉ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； ２．Ｄｏｎｇｆｅｎｇ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｒ＆Ｄ Ｃｅｎｔｅｒ） 【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｘａｍｐｌｅｓ，ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ、ｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ ｏｆ ｃｕｒｖｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ、ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ａｎｄ ｆｉｎｉｓｈ ｏｆ ｃｕｒｖｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｒｖｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｄａｔａ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｖｅｒｓｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｐｒｏｄｕｃｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ，ｃｏｌｌｅｃｔ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｄａｔａ ｏｆ ｏｉｌ ｃｌａｙ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｖｅｒ，ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ，ｊｏｉｎｔ， ｆｉｎｉｓｈ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆ ｃｕｒｖｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ，ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｉｌ ｃｌａｙ ｍｏｄｅｌｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｖｅｒ ａｎｄ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ．
测量的点云不仅数据量大， 而且由于受光照条 件、被测件表面反射特性和系统测量误差、随机误差 等影响， 测量数据中存在着许多无用数据， 即所谓的 “噪声”点。“噪声”点的存在对曲面重构十分有害， 应
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曲面 １
曲面 ２
曲面 ４
曲面 ３
图 ３ 点云（ 曲面） 分块示意
２．３ 曲线、曲面重构与光顺 重构是逆向设计的关键环节， 它不仅要再现原
ｃ． 点、线结合重构曲面。 发动机罩曲面重构与光顺时综合运用了上述 ３ 种方法， 先运用做面功能、距离分析功能（ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ） 及调整功能（ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｏｉｎｔｓ） 依次完成各曲 面的重构与光顺， 再运用 Ｍａｔｃｈ Ｓｕｒｆａｃｅ 功能将面匹 配到线， 反复调整生成曲面的元素， 最终得到理想曲 面， 结果如图 ５ 所示。
剔除， 因此必须对点云进行处理， 点云处理包括过滤 及分块两部分。
点云过滤可以降低点云密度， 滤除噪声点， 常用 的过 滤 方 法 有 曲 率 过 滤 法 （ Ａｄａｐｔａｔｉｖｅ） 和 球 过 滤 法 （ Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ） 。
曲率过滤法是根据曲面曲率变化确定点的取 舍， 在曲率变化平缓区域保留较少的点， 而在曲率变 化急剧区域保留较多的点来描述曲面形状。常用算 法是根据弦偏差过滤点云（ 根据点与点间弦高差， 把 设置偏差量以内的点过滤掉） ， 设置的弦偏差数值越 大， 被过滤的点越多。在对该发动机罩点云进行过滤 时 ， 选 择 Ｆｉｌｔｅｒ（ 过 滤 ） 功 能 ， 通 过 Ａｄａｐｔａｔｉｖｅ（ 弦 偏 差） 菜单， 输入弦偏差值 ０．２５ ｍｍ 便可以对噪声点进 行滤除（ 滤除率 １．９％） ， 保留云点 ２７７．６ 万个（ 过滤结 果可在 Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ 统计框查看） 。
主题词： 发动机罩 逆向设计 ＣＡＴＩＡ 中图分类号： Ｕ４６４．１３ 文献标识码： Ａ 文章编号： １０００－ ３７０３（ ２００６） ０９－ ００２７－ ０３
Ｔｈｅ Ｒｅｖｅｒ ｓｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｖｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＴＩＡ
Ｈｕ Ｑｕｎ１，Ｔｏｎｇ Ｊｕｎ２
有产品的设计思想， 修复（ 或解决） 油泥模型上存在 的缺陷， 而且要对车身外表面和内饰表面进行光顺 处理。曲面重构前应对模型分析， 将曲面划分为几个 特征区， 以确定曲面重构方法并选用相关工具。这里
汽车技术
·设计·计算·研究· 运 用 ＱＳＲ 模 块 中 的 曲 面 拟 合 （ Ｐｏｗｅｒ ｆｉｔ） 及 ＧＳＤ 模 块中的 扫 掠 （ Ｓｗｅｅｐ） 、填 补 （ Ｆｉｌｌ） 和 光 顺 （ Ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ） 等功能， 按照点云分块方案， 对曲线和曲面逐一进行 重构与光顺处理。 ２．３．１ 曲线重构与光顺
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｖｅｒ ，Ｒｅｖｅｒ ｓｅ ｄｅｓｉｇｎ，ＣＡＴＩＡ
１ 前言
逆向设计是工业设计和工程开发的接口， 是汽 车覆盖件产品快速开发的关键技术。汽车覆盖件的 逆向设计对点云测量和曲面重构提出了很高的要 求， 点云测量的质量主要取决于测量设备的精度， 而 曲面重构的品质与所选用数据处理软件的功能及数 据处理的策略有关， 本文通过实例介绍基于 ＣＡＴＩＡ 的汽车覆盖件逆向设计工作过程及特点。
ｂ． 线状激光束测量（ 相位测量） 。该方法是将 周期性的光栅投影到被测曲面上， 通过光栅图像的 调制解调， 求出被测曲面形状的三维信息， 测量范围 大、速度快， 但只能测量较平坦曲面， 曲面变化大时 测量精度较低。
ｃ． 光栅投影式测量（ 照相测量） 。该方法是将 光栅投影到物体表面， 形成一块待测区域， 由光学扫 描系统测取实物的表面数据， 用数码像机获取特征 标志点的三维坐标位置。光栅投影式测量为非接触 测量， 对被测件表面无划伤， 对复杂或大面积表面可 分块测量， 测量速度快， 点云密度高， 测量精度 在 ０．０３ ／１００ ｍｍ×１００ ｍｍ 以内， 综合测量精度在 ０．１ ／ １ ０００ ｍｍ 以内。
曲线重构与光顺分为 ３ 个步骤： ａ． 基于点云资料或曲面求交重构曲线； ｂ． 利用曲率梳工具寻找、删除坏点， 使曲线上 各段曲率单凸或单凹， 初步光顺曲线； ｃ． 使曲线上各 段 的 曲 率 变 化 均 匀 ， 进 一 步 光 顺曲线。 发动机罩曲线一般为三维空间曲线（ 边界线、截 面线及特征曲线） ， 曲线的法向不在同一平面内。逆 向设计中， 常将三维空间曲线投影到曲线的两个主 投影面上进行光顺。该实例运用 ３Ｄ Ｃｕｒｖｅ 功能， 选 择 Ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｏｉｎｔｓ 曲线建立方式， 进行发动机罩曲 线的重构与光顺， 结果如图 ４ 所示。
在逆向设计时， 可根据被测模型的特征灵活选 用上述 ３ 种测量方式。本实例采用线状激光束扫描 方法测量， 测量精度为 ０．０５ ｍｍ， 扫描宽度为 ９０ ｍｍ， 测量范围为 ２～６ ｍ， 数据采集速度为 １．５ 万个 ／ｓ。扫 描测量时还应根据各区域形状规则程度及曲率变化 情况来调整点云采集的密度， 以更好地满足曲面重 构精度 （ ≤０．５ ｍｍ） 及快速采集大量点云数据的要 求。本实例最终采集点数为 ２８３ 万个， 点云数据的具 体分布情况如图 ２ 所示。
图 ５ 曲面的重构与光顺
２００６ 年 第 ９ 期
２．４ 曲面拼接 曲面拼接是将光顺好的主要曲面用过渡曲面连
接起来， 拼接处一般都是高光轮廓线或形成明暗对 比的部位， 曲面拼接质量直接影响产品整体视觉效 果。
过渡曲面为两类， 一类是各种倒圆（ 等半径和变 半径） ， 另一类是两个（ 或多个） 主要曲面相接（ 保证 曲率连续） 。第二类过渡面一般曲率变化大且截面线 形状复杂。在发动机罩的逆向设计中， 其棱线、后围 转角面、顶盖及侧围交界处倒圆都为重要过渡曲面， 对整车造型影响较大。该发动机罩运用 Ｂｌｅｎｄ 功能 做出过渡曲面， 再从不同视角进行光顺处理（ 方法同 曲面重构与光顺） 以确保满足设计要求。 ２．５ 曲面数据质量评估
图 ２ 发动机罩点云数据分布
点云数据采集完后， 便可利用 ＣＡＴＩＡ 逆向处理 功 能 中 的 数 字 化 外 形 编 辑 器 ＤＳＥ （ Ｄｉｇｉｔｉｚｅｄ Ｓｈａｐｅ Ｅｄｉｔｏｒ） 、 快 速 曲 面 重 建 ＱＳＲ （ Ｑｕｉｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ） 、 创 成 式 外 形 设 计 ＧＳＤ（ Ｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｓｈａｐｅ Ｄｅｓｉｇｎ） 和自由曲面造型 ＦＳ（ Ｆｒｅｅｓｔｙｌｅ） 等主模 块， 通过点云处理、曲面重构与光顺、曲面数据质量 评估等一系列操作得到高质量的曲面。 ２．２ 点云数据处理
ＣＡＴＩＡ 是法国达索公司的产品， 其集成解决方 案几乎覆盖工业产品设计制造的所有领域， 其优势 为： 在逆向设计方面采用 ＮＵＲＢＳ 方法描述曲面， 解 决了自由曲面（ 线） 与初等解析曲面（ 线） 描述不相容 的问题， 通过编辑控制点改变曲面形状生成任意复 杂曲面， 可提高造型能力； 可先根据云点拟合出一个 基础曲面， 再利用曲面编辑功能对其进行编辑和光 顺处理， 提高了曲面重构效率； 能实现一个曲面到另 一个曲面及一个曲面到多个曲面的匹配， 并能达到 匹配后曲面间曲率连续， 保证 Ａ 级曲面要求； 提供 多曲面整体编辑功能 （ 一次编辑多个曲面并保持曲 面间连续） ； 可提供网格面及风格扫描面构造方法， 按曲面形状或原产品设计思想实现曲面快速重构； 采用混合参数几何方式建模， 适于设计重用。
曲面经重构、光顺后， 需评估其表面质量以判定 其是否满足使用要求。曲面评估包括两方面： 一是评 价曲面的品质， 即曲面是否达到 Ａ 级曲面的要求； 二是评价重构曲面与点云之间的误差是否满足要 求。Ａ 级曲面（ 通常为轮廓曲面） 要求： 曲率连续， 沿 曲面和相邻曲面有相同的曲率半径； 用高光等高线 检测时， 高亮显示的曲线具有共同的曲率特征， 等高 线连续且过渡均匀、逐渐发散或收缩， 不会迅速汇集 消失到一点； 控制点按一定规律分布， 一行控制点与 另一行相邻控制点的角度变化应有一定规律可循； 曲面的边界线可被编辑、移动以生成另外一条曲线， 同时这个新生成曲线可重新加入曲面来控制曲面。
特征曲线
图 ４ 发动机罩曲线的重构与光顺
２．３．２ 曲面重构与光顺 曲面重构有 ３ 种方法： ａ． 点到面（ 直接由点云数据生成曲面片） 。从