明显诚 许博

摘  要： 为及时修复沙滩车覆盖件缺陷部位，保证其优越性能，研究沙滩车覆盖件缺陷曲面拟合重构方法。基于逆向工程技术构建沙滩车覆盖件逆向设计过程图，实行缺陷曲面拟合重构。首先，依据型面边缘环找到裂缝缺陷曲面位置，根据曲面离散过程确定重构区间;其次，采用3DSS光线扫描仪获取覆盖件缺陷曲面重构区间的点云数据，实施降噪及精简处理，生成网格化点云，拟合出曲面与曲线;最后，根据拟合的曲线结合逼近或者插值方法实现曲面重构。实证分析结果表明，所研究方法可实现沙滩车覆盖件裂缝缺陷曲面的重构，且重构结果精准可靠，重构效率高，说明所研究方法性能优越，可为增强沙滩车性能提供有效帮助。

关键词： 沙滩车; 覆盖件; 缺陷曲面; 拟合重构; 逆向设计; 数据处理

中图分类号： TN919?34; TH16                   文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）22?0110?04

Abstract： A method of fitting and reconstruction the defect surface of the ATV cover sheets is studied to repair the defective parts of the all?terrain vehicle （ATV） cover sheets in time and ensure its superior performance. The reverse design process diagram of ATV cover sheets is constructed based on reverse engineering technology to implement the fitting and reconstruction of defect surface. The location of the crack defect surface is found according to the edge ring of the profile， and the reconstruction interval is determined according to the surface dispersive process. The 3DSS ray scanner is used to obtain the point cloud data of the reconstruction interval of the defect surface of the cover sheets， and perform the noise reduction and simplification process to generate the meshed point cloud and fit the surface and curve. The surface reconstruction is realized according to the fitted curve combined with the approximation or interpolation method. The empirical analysis results show that the research method can realize the reconstruction of the crack defect surface of the ATV cover sheets， and the reconstruction result is accurate and reliable， and the reconstruction efficiency is high， which indicates that the method is superior in performance and can provide effective help for enhancing the performance of ATV.

Keywords： ATV; cover sheets; defect surface; fitting and reconstruction; reverse design; data processing

0  引  言

近些年，汽车车身外形设计与制造技能已成为国内外各个汽车制造企业评价汽车开发水平高低的关键因素[1?2]。汽车主要由发动机、底盘与车身等三部分组成，其中，车身制造技能的关键部分即为车身模具[3]。車身生产中的重要工艺设备是覆盖件模具，其设计及制造占汽车整体生产中所需时间和金额[4?6]的[23]，因此研究汽车覆盖件模具的设计与制造成为当下汽车制造业发展的重中之重[7]。汽车覆盖件包括包围底盘、发动机等部分及组成汽车车身的曲面型零件。

沙滩车也称为全地形车，其可行驶在普通汽车无法行使的大多数地形上。其外型简单但越野性能极好，在欧盟国家，其同农夫、越野竞技赛车、高卡车与非道路两轮摩托车等被统一成为非道路车。由于沙滩车强大的性能，因而对其覆盖件的设计与制造的要求要高于其他普通汽车。随着逆向工程技术近年来被更多地应用于汽车制造业中，同时其也被用于沙滩车这类高性能要求的汽车覆盖件修复中[8?9]。本文采用此技术对沙滩车覆盖件的裂缝缺陷曲面进行拟合重构，以保障沙滩车的优越性能。

1  沙滩车覆盖件缺陷曲面拟合重构方法

1.1  逆向工程概述

逆向工程在无产品图纸与定义且仅具有实物模型或者产品模型的情况下，采用测量的方式获取数据并创建CAD模型，使用这些模型表征产品制造、分析与加工生产过程。随着计算机技术的不断发展，更多现代制造业领域中逐渐应用了逆向工程技术，其中，包括造船、航空航天及汽车等领域，特别在汽车覆盖件的设计领域中，对逆向工程技术的应用已进入高科技与数字化的阶段。在设计汽车覆盖件时，此技术已成为当下较为领先的方法，同样可将其应用于沙滩车覆盖件的设计中。沙滩车覆盖件的逆向设计过程见图1。

1.2  缺陷曲面的检测方法

当沙滩车覆盖件产生裂缝缺陷时，对其曲面缺陷进行检测，可以依据型面边缘环将裂缝的部位找到，实现步骤为：

1） 寻找模具型面内全部曲面片（sheet_body）;

2） 当只有一个曲面片时，直接转到步骤4）;

3） 如果曲面片的数量大于1，那么缝合全部曲面片之后实行运算，使其变成一个曲面片，此做法意在合并模具型面内所有散乱的小曲面片边缘环，获取被检测整体型面的边缘环;

4） 记下寻找到的全部曲面片边缘环数量;

5） 如果仅有一个边缘环，说明模具型面保持较好，无裂缝缺陷，无需对其实行处理;

6） 如果存在边缘环数量大于1，说明模具型面存在裂缝缺陷，应对其实行处理，此时需先对其外环进行判断，再将内环与其他边缘环全部边及边的临近面信息记下，此部分内环即为应处理的裂缝缺陷位置。

1.3  确定重构区间

区间的边缘大小与边缘线形状共同构成一个区间。对于整体模具而言，极其关键的一步即为确定重构区间。若确定的重构区间不正确，对整体曲面处理中的后续算法会产生很大影响。所以需确保区间边缘线的形状规律，同时为避免点云数据处理算法的繁琐，设定矩形为此边缘线的规律形状。当区间中曲面曲率无过大改变时，可将边缘线看成位于某平面上的矩形;当曲面于区间中的曲率改变较大时，可将其边缘线于某方向的投影看成矩形。

为确保曲面重构时的效率与精准度，当裂缝周围的曲面曲率无过大改变时，可以依据裂缝的区间大小选取恰当的区间对其实行重构，即当裂缝较小时可选取较小区间，当裂缝较大时选取较大区间，且在对其实行数据处理时所需的步距值可依据其区间的大小对应选取。应尽可能确保裂缝位置在区间的正中，这样可确保之后插值时坐标值无过多波动以及区间的整体美感。由于区间内曲面片和整体型面存在区别，因此修正以上算法并给出更加符合区间内曲面片的算法，具体过程见图2。

1.4  获取点云数据

主要通过接触式与非接触式两种方式测量点云数据。其中，接触式测量方式较为传统，测量时测头和模型的表面接触而实现扫描测量，测量的准确性高但效率低，且对于薄形物体与软质材料无法实现扫描测量。

非接触式测量方式在近几年发展较快，其测量效率与精准度均较高，精密测量所得的密集点云信息量较大，可真实地反应出被测物体表面的真正状况[10?12]。非接触式测量方式包括激光三角测量法、结构光法、基于光电法的光栅测量法、逐层切削照相测量技术以及基于断层处理技术的工业CT测量技术等。

沙滩车覆盖件通常表层颜色较为暗淡，且大多采用自由曲面构成，通过分别分析接触式与非接触式测量方式的优缺点，选取江苏中晟智能科技有限公司生产的3DSS光线扫描仪，采用非接触式测量方式，实现沙滩车覆盖件缺陷曲面重构区间的表面点云数据的采集。

1.5  点云数据的处理

通过3DSS光线扫描仪测量获取沙滩车覆盖件缺陷曲面重构区间表面点云数据，构建离散状态点空间坐标集合，此集合即为点云。逆向工程内最主要的工作是处理所得模型表层的点云数据，处理的结果对之后的模型重构至关重要[13]。

测量时由于外来光线的干预容易导致光学测量仪器发生跳点现象，造成因仪器设备颤动或者被测物体颤动而出现干扰点，称之为噪声点。由于噪声点对之后的曲面重构具有严重的影响，因此需对点云数据实行降噪处理。通常采用的降噪处理方法包括自适应滤波法、N点平均滤波法及程序判断滤波法等。

测量设备具有局限性且被测覆盖件形态较为繁琐，测量时沙滩车覆盖件缺陷曲面表层的几何数据通常无法于同一坐标系下一次性测量出，造成多视点云数据出现。所以应在确保准确性的前提下，通过数据对齐的方式将多视点云数据归到同一坐标系下，获取模型的全部数据。数据对齐时应先得到特征单元，比如平面圆及某些方便识别的特征，再重叠不同坐标系下的这些特征，完成点云数据的对齐。对于某些无显著特征的实体模型，在工程中也可于数据测量前采用人为增加某些明显特征的方法，方便数据对齐。

采用点云精简策略，解决数据多视点现象。点云精简的基本理念是运用不同的精简策略解决不同间隔的栅格区域。针对特征密集栅格区域，采取强制性特征点留取方式，并对其余点进行随机采样;针对平坦区域，按照栅格间距和栅格内点云分布密度，依照不同采樣率进行随机采样。动态栅格划分完成后，形成具备密集特征区域的极小栅格位置区域，因此无需计算全部点的微分信息就可完成特征点识别，保留微小特征的同时实现点云精简。设定[M0]，[Mfp]分别为述原始点云数目、特征点数量;[M]为间距内栅格数量;[δ]，[ε]分别为精简率、精简后的点云数量。那么，间距内栅格的随机采样率[δi]为：

式中，间距大的栅格区域使用较小随机采样率，反之采用较大随机采样率。[ε∈0，1]，若精简后的点云数量小于等于所检测到的特征点数，则按照精简率留存部分特征点数[M]。生成网格化点云是点云数据处理的最后一个步骤，其生成的质量高低对下一步骤的点云数据分块有直接影响，同时影响着最后生成的曲面效果。网格化点云的重点为三角平面片的生成，而三角平面片通过准确创建每点间的拓扑关系生成。

此外三角平面片的密度应在曲面曲率较高的区间内适量提高，在曲面曲率较低的区间内适量降低。

1.6  实现缺陷曲面拟合重构

通过以上方式处理点云数据后，依据点云数据可将曲面与曲线进行拟合。依据截面曲线与边缘曲线所对应截面上的数据点，采用逼近或者插值的方法实现截面曲线与边缘曲线的拟合[14?15]。为实现曲率特征及空间位置上的曲面与区间边缘的统一性，可通过以下方法完成：

1） 曲面拟合时依据边缘曲线与点云实现，且拟合时的制约要素为边缘曲线与点云区间中的拟合误差，以此制约要素结合逼近与插值方法实现拟合;

2） H，L方向的曲线网格依据点云生成，再依据此网格构建的曲面实现拟合;

3） 依据边缘处特点，以边缘曲线作为截面曲线内最外缘的两条线，其他截面曲线的端点通过边缘曲线实行限定。

通过曲线生成曲面，依据某组接近平行的截面生成截面曲线，并采用插值方法实现曲面重构。当区间特性能够通过边缘曲线确定时，可通过前两种方法实现;当区间中存在特性突变场合时，可通过第3种方法实现，且第3种方法能够依据曲线表示与控制曲面形状。

2  实证分析

以某公司生产的沙滩车为实验对象，针对其覆盖件裂缝缺陷曲面采用本文方法实行拟合重构，观察重构后的曲面效果;再将本文方法与传统方法进行重构精准度对比，并以雅马哈2018款Wolverine X4全地沙滩车、本田Talon 1000沙滩车、川崎2017款Mule SX全地形沙滩车3种不同类型沙滩车为例，对比不同方法曲面重构的用时。

2.1  缺陷曲面拟合重构效果

沙滩车覆盖件存在裂缝缺陷的曲面如图3a）所示，完成重构后的曲面如图3b）所示。

通过图3能够看出，本文方法可实现沙滩车覆盖件裂缝缺陷曲面的重构。

2.2  重构精准度

为验证本文方法重构的精准度，对比本文方法与隐式函数重构方法、叶栅系统重构方法在子区间数量变化条件下的重构精准度，具体对比情况如图4所示。

由图4对比分析可得，随着子区间数量的增长，3种方法的重构精准度均呈现下降趋势，但本文方法的重构精准度始终高于其他2种方法，说明本文方法重构精准度更高，重构结果更可靠。

2.3  重构用时

为进一步验证本文方法的重构优越性，对比3种不同方法在曲面重构用时，以雅马哈2018款Wolverine X4全地沙滩车、本田Talon 1000沙滩车、川崎2017款Mule SX全地形沙滩车为例，对3种不同类型沙滩车的覆盖件缺陷曲面分别进行拟合重构，不同方法的重构用时如表1所示。

3  结  论

为及时修复沙滩车覆盖件缺陷部位，保证其优越性能，研究沙滩车覆盖件缺陷曲面拟合重构方法。本文通过逆向工程技术实现沙滩车覆蓋件裂缝缺陷曲面的拟合重构，并通过与传统方法的对比发现，本文方法的重构结果精准可靠，重构效率高。说明本文方法具有较高的准确性，性能优越，可为增强沙滩车性能提供有效帮助。但本文仅针对其覆盖件的裂缝缺陷展开研究重构，对于其他缺陷问题并没有研究，为促进沙滩车制造业的发展，今后需针对覆盖件的凹痕、擦伤、边缘拉痕及搭接等其他覆盖件缺陷曲面问题展开进一步研究。

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