基于NX的汽车车身A级曲面设计与质量分析

2016-01-29刘锋

机械制造与自动化 2015年4期

关键词：质量分析车身汽车

刘锋

(浙江水利水电学院机械与汽车学院，浙江杭州 310018)

基于NX的汽车车身A级曲面设计与质量分析

刘锋

(浙江水利水电学院机械与汽车学院，浙江杭州 310018)

摘要：介绍了车身A级曲面设计的一般流程。以某汽车前保险杠盖板A级曲面实现为例，通过车身曲面几何特征划分，主、辅曲面构建及曲面品质检测等设计过程，探讨了实现汽车A级曲面建模和曲面质量检测的关键技术和方法。

关键词：汽车；车身；曲面设计；质量分析；

Design and Quality Analysis of Car Body Class-A Surface Based on NX

LIU Feng

(Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Abstract:The car body class A surface design workflow is introduced in the paper. A car front bumper surface design is taken for example, the key techniques and methods of car body class A surface design and analysis are presented after discussion on these critical procedures of class A surface design and according to the surface geometry characteristics division, main and auxiliary surface creation and surface quality analysis.

Keywords:car; car body; surface design; quality analysis

0引言

在现代汽车工业中，车身作为汽车四大总成之一和新车的象征，它的研制与生产技术水平是汽车工业水平的重要标志。一个总体设计优良的汽车品牌在市场竞争中的成败，除了其功能上的体现，还取决于其外形能否吸引顾客。如何利用现代设计方法，加快车身总体和外观设计，缩短车身的设计周期，提高车身的制造精度和经济效益，实现产品不断的推陈出新是汽车品牌在市场竞争中立于不败之地的重要因素之一。

文中探讨了自由曲线、曲面在NX中的描述方式，总结了一些有创意的曲线、曲面编辑特性，并以某汽车前保险杠盖板曲面实现为例，通过曲面几何特征划分，主、辅曲面构建以及曲面品质检测等设计过程，探讨了在NX中实现汽车A级曲面[1]建模和曲面品质检测的关键技术和方法。

1车身A级曲面设计流程

图1为车身A级曲面开发流程图，在车身总体布置方案完成后进入车身外形设计阶段。首先通过绘制草图，进行概念草模的构建、渲染、评审、修改，设计草图主要突出设计创意，是设计师快速捕捉创意灵感的最好方法。接着进入精细效果图绘制阶段，即产品数据模型建构阶段，通过添加局部细节细化模型，添加前大灯，前格栅等细节部分，确定具体样式，内部评审、修改数字模型，将最后确定的数字模型反馈到1∶5小比例油泥模型即数模验证模型上。经过反复评审，修改、检测、完善，直到确定符合要求的1∶1全尺寸油泥模型，并将最终确定的全尺寸油泥模型，通过逆向工程反馈成计算机数据模型。该数据模型是用于后期工程输入的数据，因此对数据模型曲面质量要求很高，即A级曲面标准。A级曲面完成后即可对该车进行数字模型发布，该车的外形设计阶段也到此结束。从图1可以清楚地看到如何由扫描油泥模型得到的点云数据快速实现精确曲面的构建，成为车身A级曲面设计最关键的一环。

图1　车身A级曲面设计流程

2曲线、曲面编辑操作特性

贝塞尔-Bézier曲线(曲面)和非均匀有理b样条-NURBS曲线(曲面)是CAD软件中常见的两种自由曲线(曲面)表达方法[2]，图2为3次Bézier曲线图，图3为4段3次NURBS曲线图。

图2　3次Bézier曲线

图3　4段3次NURBS曲线

图4　NURBS的Bézier理解图

图5　4段3次NURB极点控制区域

贝塞尔-Bézier曲线 (曲面)是由单一的表达式控制的单段(片)曲线(面)，其形状由控制顶点和插值方式决定。Bézier曲线(曲面)内部光滑，其形状调节有很强的整体性，移动一个控制点对整个曲线(曲面)都有影响，可通过增加次数来实现形状调节的灵活性。但随着其次数的增加，调控性变差。与Bézier曲线(曲面)曲面相同，NURBS曲线(曲面)形状同样是由控制顶点和插值方式决定。NURBS样条曲面表达式更复杂，但更灵活，通过调整插值方式改变曲面形状，复杂的形状可通过低阶的次数获得，并可准确表达二次曲面(线)[3]。NURBS曲线(曲面)可以认为是多段(片)Bézier曲线(曲面)首尾相接而成(见图4)，每一段(片)有自己的控制表达式[3]。图5为4段3次NURBS极点控制区域示意图。Bézier曲线(曲面)可看作是只有一段(片)的特殊NURB曲线(曲面)。通过增加NURBS曲线(曲面)次数或内部的段(片)数来改善样条局部属性，提升其形状控制灵活性。曲线(曲面)内部参数连续性[3]由插入的节点数量来决定(见图6)。

图6　3次NURBS曲线参数连续性与节点插入重复次数关系

3车身A级曲面分类、建构和检测

NX工业设计模块提供了强大的高级曲面构建和分析工具，能快速实现汽车A级曲面建模以及曲面品质评估。汽车保险杠外板是汽车外形的重要装饰部件，是整车造型风格的重要体现，具有极高的外表面品质要求[1]。以某汽车前保险杠盖板A级曲面的建模实现为例，从曲面几何结构分类、曲面构建方法以及对构建曲面品质检测3个方面探讨汽车车身A级曲面在NX中实现的过程。

3.1车身A级曲面几何结构特征类型

汽车外表面是由多张大面、过渡面、圆角面等通过一定的几何拓扑关系组合的几何体。根据汽车外表面几何特征，将汽车外表面几何特征结构划分为图7所示的几种类型：

主曲面：相对独立的，大面积，小曲率且无曲率反转片体，根据能否由扫掠特征构建，又分为均匀和非均匀主平面，能由单一的扫掠特征构建的为均匀主平面，反之为非均匀主平面。

图7　车身曲面几何结构特征类型

艺术圆角：两主曲面之间过渡桥接的面片，通常表现为窄、长特征，截面呈现艺术圆弧形。

倒角面：通常出现在三个面相接的位置，呈现空间倒角结构。

桥接过渡曲面：连接主曲面，不表现为艺术圆角表现的窄、长圆角特征的桥接面。

消失面：外观上的局部特征从突出逐渐变化到和其他外观融合并消失的曲面。

翻边面：平面部分或曲面部分的边缘，沿一定曲线翻起竖立的曲面。

汽车外表面几何特征划分将有助于确定正确的造型思路，明确每个曲面的类型和生成方法，即通过先主后辅的建模思想，选定合理的造型方法。先构建各主曲面，再细化辅助区域，如桥接过渡面、圆角面、消失面等，来达到方便建模的目的，同时有规律的构面比较容易获得较高的面片品质和配合精度，也有利于建模经验积累。

经过对油泥模型相应部位扫描点云数据处理(去噪点、拼接、稀疏、光顺等)[4]得到如图8示点云数据，并通过对点云与油泥实物模型对照分析，将保险杠盖表面结构特征划分为：主片体，艺术圆角，桥接过度曲面，消失面，翻边面等细化结构。

图8　输入点云数据

3.2 车身曲面构建

曲面构建是车身A级曲面设计的关键环节，通过所划分的几何特征结构，选定合理的造型方法，先构建各主曲面再构建辅助区域：桥接过渡面、圆角面、消失面等，来实现曲面建模。

主曲面构建方法一般遵循1)由点→线→面；2)由点→面的原则进行。

a) 基于曲线的构件方法

根据能否由扫掠特征构建汽车内、外饰面中相对独立、大面积、小曲率且无曲率反转的片体，基于曲线的构建方法可分为下面两类：

1) 过网格曲线

直接由扫描数据点拟合网格曲线，再通过这些网格曲线构建主片体。曲面品质主要有输入拟合曲线决定。网格线要求：与输入点数据贴合度高(可由deviation gauge-偏置误差检测保证)，分布均匀，走势合理、一致、渐变(由curve analysis-曲率梳检测保证)，光顺度高达G2以上连续(curve continuity-曲线间连续性检测保证)。通常是根据输入点云轮廓走势，截取特征轮廓线，轮廓线采样，再由艺术样条(studio spline)、圆弧、直线、二次、三次曲线等拟合采样点构建，且NX提供了强大的拟合曲线功能(fit curve)来拟合曲线。接着应用过网格(through curve mesh)，过曲线网格(through curve mesh)等命令构建曲面。图9为一过网格曲线构面示例。

图9　过网格曲线构面

2) 扫掠

通过对输入的数据点的几何拓扑结构进行分析，确定扫掠区域：相对独立的、大面积、小曲率且无曲率反转片体，构建扫掠截面线和轨道线，生成扫掠主片体。该方法的难点在于抽取合理造型特征主轮廓和引导曲线，相较过网格线法有较少的拟合曲线过程。通过扫掠由输入点数据得到的高品质拟合曲线构建相应的曲面特征。图10为一扫掠构面示例。

图10　扫掠构面

b) 基于曲面的构件方法

该方法不需要提前构建任何输入曲线，是由输入数据点直接拟合特征曲面。一般是先构建4点面(four point surface)或拟合面(fit surface)覆盖输入的点云(覆盖范围比点云片略大)，然后应用NX高级曲面编辑功能X成型(xform)拖拽调节控制极点逐步达到所需面体形状，并结合实时的面品质分析工具来保证所构建面的品质。该方法对设计人员的要求比较高。图11为一由拖拽控制点构建曲面示例。

图11　由输入点云直接构面

各主曲面构造完成后，应用NX提供的曲线拟合(fit curve)、桥接曲线(bridge curve)、艺术圆角(styled blend)，艺术倒角(syled corner)，法兰构建(silhouette flange)等命令完成辅助特征曲面的构建。注意在构建桥接过渡面片所需网格曲线时，为保证桥接片体与主体面间的光顺性，一般要求连接主片体的过渡线连续性满足G2以上[5]。在曲面建构过程中，如果零件对称，只需对一半进行建模后镜像，最后再填充两者之间的间隙，这样可以减少建模工作量。图12为某汽车前保险杠盖板曲面数据模型。

图12　保险杠盖曲面三维模型图

造型时所采用的方法、步骤、技巧往往因设计师的经验和技术特点而有所差异。在设计中一般混合使用上述方法。过网格曲线是一种传统方法；而对表面几何特征明显，分布均一的大曲面可以通过扫掠快速获取；对表面形状几何不宜描述清楚的面片，则通过拖拽控制点的基于曲面的构建方法的实现。同时对一些特征比较明显的规整部位，可由NX提供的造型功能直接实现，如连接大片体间过渡曲面通常可考虑由二次曲面组功能，艺术圆角功能，艺术倒角功能等。

3.3A级曲面品质检测方法

汽车A级曲面检测包括曲面特征检测和曲面品质检测, 曲面特征检测指造型人员根据汽车造型要求评价所做的曲面是否符合造型意图(即构建好的曲面与原始输

入数据间的贴合程度)，曲面品质检测指对组成它的每张曲面片的品质及面片之间连续性进行检测。NX提供了一组丰富的、功能强大的曲线、曲面检测工具，如偏置公差检测，高斯曲率检测，曲率梳检测，高亮检测，斑马条纹，曲线间连续性检查，曲面间连续性检查等。在设计过程中可以实时对造型结果进行评估，能有效及时修正设计缺陷，保证设计意图和设计品质。为满足A级曲面要求,如对高光面检测方法要求高光走势一致，条文均匀，过渡光顺，无扭曲; 对曲率梳检测方法则要求曲率梳均匀或渐变、走势有规律、无跳动、扭曲、突变、反曲等都是结果品质的判定标准[5-6]。图13为保险杠盖A级曲面斑马条纹检测分析结果。

图13　保险杠盖曲面斑马条纹检测分析结果

4结语

分析了CAD软件常见曲线曲面的基本构造原理，有利于从本质理解把握软件功能，为构建高品质的A级曲面打下坚实基础，并以某汽车前保险杠盖板的A级曲面数据模型构建为例，通过曲面几何特征划分，主、辅曲面构建以及曲面品质检测等设计过程，探讨了在NX中实现汽车A级曲面和曲面品质检测的关键技术和方法，对缩短车身产品的设计周期，提高车身产品的制造精度，增强车身开发经济效益有较强的借鉴意义。

参考文献:

[1] 武振锋,贾凡. 基于CATIA的汽车前翼子板曲面造型和质量分析[J]. 汽车技术, 2011，(1):54-57.

[2] 徐家川,李迪,李旭. 汽车车身A级曲面的表示与次数选择[J]. 汽车技术,2010，(9):58-61.

[3] 施法中. 计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,1994.

[4] 姜元庆，刘佩军. 逆向工程培训教程[M]. 北京: 清华大学出版社，2003.

[5] 徐家川,雷雨成,洪英武, 等. 逆向工程中A级曲面的评价方法[J]. 汽车技术,2007，(4):4-8.

[6] 吴怡文,李宏华. 基于ICEM surf的汽车A级曲面评价方法[J]. 汽车技术,2011，(12):51-55.