刘军

博世汽车技术服务（中国）有限公司上海分公司 上海市 200335

1 引言

逆向工程技术广泛应用于汽车设计领域，特别是用于新产品的开发，对汽车内外的曲面零部件进行设计，应用最权威、标准的A级解决方案。在新车研发环节对参考车辆进行逆向分析，对汽车部件进行逆向设计，建立模型模拟分析。

汽车零部件产品的逆向设计评定为结构单一，形成初期以尺子对零部件进行直接测量，对关键尺寸的测量往往会因为误差以及效率低下影响设计。现阶段应用的测量方法多为三坐标测量零件的尺寸，最终建立起模型。

本文研究介绍了Geomagic studio以及CATLA软件在逆向设计中的应用，直至建立参数化模型的过程及方法。

2 汽车零部件逆向设计中参数化设计方法简述

以轻型发动机的汽缸罩为模拟目标，进行逆向三维设计，应用激光设备逆向扫描试验，应用Geomagic studio12对云点进行预处理。在CATLA V5中进行零件设计。汽缸罩表面随为曲面但相对平整，可以用Geomagic studio 快速拟合。逆向扫描的点云参数设计，在Geomagic studio中前处理操作，再导入CATLA V5，最后生成模型。

2.1 逆向扫描

在研究中应用手持自动定位三维激光扫描设备对轻型发动机的汽缸罩进行逆向扫描。还需要在黑色表面及光滑表面上喷涂漫反射白色粉剂、显影剂以提升扫描的清晰度。在零件的平正面随机粘贴参考点，为扫描仪扫描提供定位参考，以此方法提升扫描的精准、清晰，缩短扫描时间。在粉剂喷涂以及定位点粘贴之后，即可扫描出汽缸罩实体模型，零件表面由柱体、平面以及孔位构成，

在实际的激光扫描环节，设计人员要尽可能将扫描仪与扫描零件表面成垂直状态，并且保证扫描速度均匀，保证点云质量。电云的精准及完整，决定模型的精准。扫描仪器不同，其成像也不同，从图1中的点云对比可以看出，下图的扫描质量较差，精度不高，点云特征识别不精准，并伴有残缺出现，在进行拟合曲面后，其参数的精准度也是难以保证的，而上图的点云完整，能够保证逆向设计达到预期效果[1]。

图1 扫描效果对比

2.2 点云的前期处理

扫描之后得到的点云会有很多的噪点，还有可能会出现漏扫、孔洞，因此需要对点云进行前期的处理，如裁剪、修理等操作。具体处理为在Geomagic studio中输入点云数据，生成多边形，在多边形上进行点云操作。Ribbon单元下，有多种可选用的工具，如删除、简化、裁剪等功能可以进行噪点消除，应用松弛、删除、填充等功能进行点云修复，其中最为快捷的功能为网格医生，能够批量自动化处理点云修补工作。

Geomagic studio软件的多边形处理功能其优点在于操作简单、直观，并且拥有全面的处理功能， 非常适用于逆向设计参数化。然而CATLA V5的功能较少，并且操作难度较大，工作效率低。此外EXA扫描设备不能进行基准坐标设定，设计人员可以进行手动拟合垂直平面，在对齐功能下进行全局注册，应用点云与多边形在坐标系对齐。选择三个基准平面环节，要考虑拟合精度以及零件变形产生的影响[2]。

2.3 建立参数化曲面

在参数曲面模块下，操作参数曲面，多边形会被转化为参数曲面，此模块下的其他功能也可以进行使用。在此之后进行探测，探测模型下层，在颜色上体现出差异，各区域用不同颜色区分及隔离。各区域在拟合中转为参数化曲面，因此，区域的划分尤其重要。此外，还可以从区域分类模块下进行区域点云指定拟合曲面类型，以减小误差，当点云不清晰、不明确的情况下可以应用此功能。

在此之后进行拟合曲面，应用鼠标滑动或是选中整个区域，自动识别参数化曲面。通过拟合、分类连接等生成过渡面。在初步的拟合操作完成后，不同的将不同的曲面用分隔线分离，并将曲面用独特的颜色进行高亮显示。

Geomagic studio的内置程序能够快速提取、创建及完善CAD曲面，自动对平面、柱体进行拟合，也具有自动提取、扫描的功能，曲线优化并转换为CAD建模。Geomagic studio还后续更新还增加了草图功能，直观对横截曲线并直接编辑。

由于点云存在误差等因素，导致拟合曲面无法完成预期效果，则可以应用编辑草图、曲面、曲面修复等功能进行调整。如果曲面与预期存在较大差异，软件就会弹出提示，用户可一根据Geomagic studio的提示进行操作。

将CATLA V5与Geomagic studio进行比较，其曲面拟合的功能及效果有很大的差距，选择工作的点云操作较为复杂，并且不会对误差进行显示，难以发现误差并进行调整。要注意Geomagic studio软件在拟合参数曲面时，对计算机硬件的要求较高，所以要对工作用计算机进行较高的配置且使用64位系统[3]。

图2 汽车零部件逆向参数化设计过程

2.4 将参数化曲面导入CATLA V5

在Geomagic studio完成曲面拟合，通过接口导入至CATLA V5中。软件具有与CATLA V5的交换接口，同时Geomagic studio支持更多的对接版本。在进行对接交换操作时，需要将两个软件同时开启，因此对计算机硬件的要求更为严格。应用一键交换功能自动传输曲面信息。

2.5 参数化实体模型建立

导入CATLA V5参数去面后，为了便于对比，设计者可将点云导入DSE，进行曲面重建以及模型建立。因为零件多数特征都已建立在参数化曲面之上，因此能够快速完成模型建设。一部分特征要经过手动创建，但与其他创建方法相比较，动作量有明显降低[4]。

3 汽车零部件逆向参数化设计方法步骤

逆向工程又称作你想记述，是一种将产品设计技术重现的过程，对产品进行逆向分析、逆向研究最后演进为产品的处理流程、组织结构、功能特性以及技术规格等设计要素，从而制作出功能相似却不同的产品。逆向工程源自商业及军事业的硬件分析，主要目的在于难以获取生产信息的状况下，直接分析成品，从而得出产品的设计原理。

Geomagic studio是广泛推广及应用的逆向工程计算软件，具有点云及多边形快速前处理的优势以及基本曲面的拟合，同时也能够将你和参数化曲面信息传送至常用CAD软件上，在软件中进行修改。因此，研发人员要在逆向设计中，用Geomagic studio处理点云，批量进行参数拟合，导入至CATLA V5中对曲面进行修剪、封闭，最后完成建模。规则表面零件逆向三维设计如图2所示。

为了能够提升模型制作的精度，减少逆向设计中更多操作，降低工程量提升效率，对零部件逆向参数化设计的过程提出几点建议：

（1）第一次的点云质量要尤其注意，要保证扫描设备的正常运行，尽力实现人工扫描的平稳、匀速与速度适中。

（2）在实际操作中要将批量处理模式与交互处理模式相互配合。轮廓的划分以及曲面拟合等流程能够在软件中通过批量处理的形式自动完成，但因为零件存在变形量、扫描过程中存在云点误差，软件的智能化程度有限，加上操作人员可能出现的失误，因此要对轮廓线、曲面、参数值进行手动修复。在Geomagic studio自动之别及拟合曲面中，存在一定的难以识别的错误。此外，对于柱体、孔洞等要将其尺寸修改为一致。

（3）根据之前的对比，以及Geomagic studio的软件特性来看，曲面拟合的工作要尽可能的在Geomagic studio软件中实现从而对Geomagic studio的点云处理、曲面拟合等优势进行充分利用。对于曲面的修饰、加工及生成模型等操作都转移到CALTA V5上进行。

（4）在进行分次执行参数化曲面生成及从Geomagic studio导入至CALTA V5的过程中，每一次都只对部分区域进行处理，有利于拟合精度以及操作便利性的提升，并且能够适稍微降低对电脑配置的要求，适应电脑的处理速度。同时在操作中经常出现卡顿、闪退、死机等现象，通过局部处理、保存可以较少工程丢失的风险。

（5）在设计的中结合汽车的结构及经验，对拟合参数手动设定，如固定用螺丝的孔位、直径、钣金参数等，结合设计规定以及设计标准，对参数进行手动调整。这些个方法都对逆向设结果精准度及准确性的提升有明显帮助[5]。

4 结语

本位对汽车离间逆向设计中结合Geomagic studio应用，在CATLA中建设模型的方法进行了探索，归纳出汽车零部件逆向设计中的参数化建模方法 的应用流程，总结了在试析汽车零部件逆向设计中的参数化建模应用中的常见的问题及解决方案。Geomagic studio对点云快速处理能够使之与CALTA V5等三维CAD软件进行高效配合，为汽车零部件逆向设计中的参数化建模提供了极大的帮助。