周锋，周华章

（苏州工业园区职业技术学院，江苏苏州 215123）

0 引言

历年来，汽车制造行业中的车引擎覆盖件设计A级曲面成为人们普遍关心的话题。在老的汽车业有这样一种分类法:A面，车身外表面，白车身;B面，不重要表面，比如内饰表面;C面，不可见表面。这其实就是A级曲面的基础。但是现在随着美学和舒适性的要求日益提高，对汽车内饰件也提到了A-Class的要求。因而分类随之简化，A面，可见（甚至是可触摸）表面;B面，不可见表面。所以车覆盖件的重构A级曲面技术应用，提高了整车外观设计的水平［1］。

1 A级曲面评价标准和理论知识

1.1 A级曲面评价标准

A级曲面是车身工程领域的特定概念，首先由达索软件公司提出，满足一定数学要求和车工程要求的曲面。它既要满足数学连续性要求，又要满足汽车气动力学要求，外观光顺和美观性要求，同时要求曲面上的控制点尽量排列均匀的四边形，如图1所示。

图1 控制点均匀的方正四边形

参照车身工程要求，A级曲面要满足以下准则［2］:

1）单一特征面的建模默认误差小于0.000 01，角度误差小于 0.001°;

2）所有特征间的连接偏差小于0.000 1;

3）所有特征面的光顺保证2阶导数以上连续;

4）所有特征都必须分解成单凸或单凹特征;

5）所有特征都必须具有可扩展性和可编辑性。

1.2 相关理论知识

a）点云数据

车引擎覆盖件设计中，点云数据是反映引擎覆盖件理想设计曲面的数据集合，通过测量仪器获得。直接由测量仪器的点云是个海量数据（几十甚至上百兆个点），而且还存在重复测量数据，系统测量误差和随机误差等，必须对点云进行处理3］。

b）NURBS面片

NURBS方法是当前汽车界曲线、曲面的统一表示方法，已成为catia，ug，alias等商用CAD软件的几何模型数学基础。Bizier和B-spline是NURBS的特殊情况。

NURBS 曲面的定义［4］:

式中:Vi，j（i=0，1，2，…，n;j=0，1，2，…，m;）为给定特征网格定点的位置矢量;Wi，j为对应顶点的权因子。其中，基函数递推公式为:

NURBS曲面用统一的表达式精确的表示了标准的解析形体和自由曲面。具有计算稳定，线性变化时几何不变性等特性。

2 基于imageware软件应用中NURBS面片的A级曲面重构

经三维激光测量仪器扫描覆盖件油泥模型获得点云数据以后，可通过两个阶段实现A级曲面逆向重构:点云数据处理和曲面重构［5］，如图2所示。

图2 覆盖件开发流程

2.1 点云去噪

数据测量过程中，由油泥模型制作、测量电压波动、空气微尘漂浮和人为操作因素等造成的，与理想曲面法向偏差过大的散乱点称为噪点，它不反映油泥模型表面真实外观品质。去除噪点，光滑点云，分两步进行:干涉区域剔除和分散点点剔除，如图3所示，在imageware软件中应用删除分散点命令和圈选点等命令来去噪［6］。

图3 点云去噪原理图和分散点命令应用

2.2 点云数据精简和三角化点云

点云去噪后，对曲面重建和硬件计算量而言仍然存在垃圾数据，必须按照一定算法和品质要求精简，以提高曲面重构效率。处理海量点云数据时，典型的处理方式是采用定义点距大小的方式缩减一部分数据，使点云看上去更清楚，也便于多边形网格化数据或做其他处理，根据点云数据的特点，可以选用以下方法:

1）曲率采样法，根据曲面曲率变化确定点的取舍;

2）高斯采样法，根据高斯算法进行点云精简;

3）球采样法。

在imageware软件中应用应用均匀采样、弦偏差采样、距离采样来进行点云精简，如图4所示。

图4 点云精简原理图和弦偏差采样命令应用

为了更清楚的表达点云的形状或者为了快速原型（RP），同时重构曲面时设计者更好观测曲面曲率的走势和曲率的变化，以及分割点云，创建特征线，要对点云进行多边形网格化处理，三角化点云后效果如同CAD模型显示效果，邻域尺寸值通常近似取精简点云中设定的距离公差值的3倍，这样可以得到均匀的高品质的网格，如图5所示。

图5 三角化点云和三角化点云后显示效果

2.3 评估点云

为了评估点云，用一组有关数据显示的工具来检验点云的品质，要使用点云反射率工具显示在点光源中点云的颜色，可以更好感受到这些投影到点云上的颜色区域表示了什么。连续或者柔和过渡的区域将会以相近的颜色进行着色渲染，如过点云品质不好，那么就该重新调整前面进行的所用处理的公差值。

2.4 A级曲面重构

曲面重构是逆向工程中的一个关键环节。它不仅要再现造型人员或原有产品的设计思想，还要修复或克服原有模型上存在的缺陷。因此在进行曲面重构之前，应该对零件进行仔细分析，主要考虑以下要点:

1）确定设计的整体思路。面对点云数据，首先要周全地考虑好先做什么，后做什么，用什么方法做，主要是将模型划分为几个特征区，得出设计的整体思路。

2）确定模型的基本构成形状的曲面类型，这关系到在曲面重构中所采用曲面重构方法和工具的选用。

采用基于NURBS面片的方法重构A级曲面，分为四个步骤:快速创建曲面片、曲面拟合、曲面匹配、曲面品质检测。

a）创建曲面片

选取分片点云四个端点作为曲面片边界范围，建立一个4×4阶NURBS曲面片拟合点云数据，若不能满足形状需求，可相应增加曲面阶数，但一般不超过6×6阶，否则继续进行区域点云分割，如图6所示。

b）曲面拟合

曲面由一组控制点来控制形状，这样就可以通过调整控制点灵活地改变曲面形状和大小，减少曲面与点云数据之间的误差，实现任意复杂形状的曲面，提高了快速造型能力，如图7所示。

c）曲面匹配

创建各NURBS曲面片完成后，检查曲面间是否存在缝隙，如有缝隙，可使用拼接和缝合功能，进行G1，G2级匹配，检测并确认曲面切向连续性、曲率连续性满足。在imageware中，不仅可以实现两两曲面之间的曲率连续性匹配，还能实现一个曲面与多个曲面间的曲率连续性匹配。并能达到拼接和缝合后的曲面之间实现曲率连续，从而保证了A级曲面的品质，如图8所示。

图8 曲面匹配

d）曲面检测

曲面检测有以下含义:一是检测曲面外观品质，即曲面是否达到车身覆盖件工程的要求;二是检测逆向构造曲面与原始点云之间的法向距离是否满足要求。

曲面品质检测可采用如下几种方法:

1）反射线法，反射线的连续次数比曲面的连续次数小一次。反射线光滑过渡，则两曲面曲率连续，如图9所示。

图9 反射线法构成示意图和A面反射线法检测效果

2）等照度法，等照度线的连续次数比曲面的连续次数小一次，如果相邻曲面上的等照度线光滑过渡，则满足曲率连续，如图10所示。

图10 等照度线构成示意图和A面等照度法检测效果

3）高光线法，它的原理与反射线法基本相同。

4）截面线法，A级曲面要求，截面线的曲率变化均匀，没有多余拐点，截面线形状变化均匀。

对于曲面检测的第二层要求，可采用法向距离偏差检测方法，检测曲面片与原始点云的距离符合程度。

3 车引擎覆盖件A级曲面imageware建模应用技术实例

以宝马某车型引擎盖为例，采用基于imageware软件应用中NURBS面片的A级曲面重构方法进行逆向造型设计。

a）使用美能达三维激光扫描测量仪扫描车引擎盖油泥模型，获得igs格式三维点云数据，导入imageware软件中，1）引擎盖覆盖件尺寸较大，激光扫描仪有扫描范围限制，点云数据采集，只能分区域扫描，因此要合并多区域点云，如图11合并多区域点云所示;2）进行点云数据处理，点云处理过程如图12所示;3）三角化点云;4）评估点云，如图13点云处理过程二所示，

b）根据曲面建模思路，在imageware中把点云分割成不同的分片点云区域，以便应用imageware软件的构造曲面片命令快速重建，如图14所示;逐个创建曲面片，如图15所示;这里仅给出引擎盖凹下部分曲面片创建过程:1）应用自由曲面和边界曲面创建4×4阶NURBS曲面;2）曲线和曲面控制点法向拟合调整;3）面与面之间的曲率匹配;4）外观评价检测;如图16所示。按前述过程最终生成引擎盖整体曲面，如图17所示。

图14 分片点云

c）引擎盖曲面及偏差检测

经imageware软件检测，引擎盖曲面单一曲面均为单凸特征，阶数均在6阶以下，单一特征面的建模默认误差小于 0.000 01，角度误差小于 0.001°，相切误差小于0.05，曲率连续性误差小于0.05，如图18所示;外观环境反射较好，如图19所示，符合车身A级曲面工程要求。

4 结语

在汽车的车身覆盖件设计中，A面凭借其高品质的外观视觉享受，已成为汽车产品的竞争法宝。A级曲面重构是车引擎覆盖件设计中关键和烦琐的环节。逆向创建曲面过程中需要根据点云数据的光影效果选择恰当重构方法。在宝马轿车的车引擎覆盖件设计项目中，采用基于NURBS面片的A级曲面逆向重构方法，并以传统产品外观曲面设计思路为基础，建立了车外覆盖件数字化曲面CAD模型，主要外覆盖件满足A级曲面要求。该方法提高了A级曲面重构的效率和品质，所以Imageware在A面设计的表现大大提高了整车外观设计的水平，缩短了产品开发周期，具有很高的工程实用价值。

［1］黄诚驹，李鄂琴.逆向工程项目式实训教程［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［2］单岩，谢斌飞.Imageware逆向造型技术基础［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［3］成思源.逆向工程技术综合实践［M］.北京:北京电子工业出版社，2010.

［4］马铁利.车身class-A曲面模型的构造［J］.CAD/CAM与制造业信息化，2005.

［5］陈恭锦，习俊通.Imageware在摩托车覆盖件反求工程中的应用［J］.计算机应用技术，2005.

［6］李晓丽.Imageware中光滑拼接曲面的方法［J］.现代设计与先进制造技术，2007.