摘? 要：產(chǎn)品開(kāi)發(fā)迭代一般采用正向工程設(shè)計(jì)，改型升級(jí)過(guò)程中根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行二維效果圖繪制，利用三維建模結(jié)合快速成型技術(shù)制作樣品來(lái)確定設(shè)計(jì)方案，在方案調(diào)整修改過(guò)程中耗費(fèi)大量時(shí)間。針對(duì)正向設(shè)計(jì)流程存在周期過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，提出基于Geomagic Studio、Alias與UG軟件的正向設(shè)計(jì)與逆向建模相結(jié)合設(shè)計(jì)方法，通過(guò)電動(dòng)車局部造型設(shè)計(jì)實(shí)踐對(duì)此方法進(jìn)行驗(yàn)證。此方法探索了針對(duì)產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)的新途徑，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，減少了數(shù)據(jù)與實(shí)物裝配誤差的同時(shí)保證了曲面質(zhì)量，為其他工程領(lǐng)域提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：正向設(shè)計(jì)；逆向工程；Class-A曲面；電動(dòng)車設(shè)計(jì)

基金項(xiàng)目：本文系2022年度校級(jí)質(zhì)量工程與教學(xué)改革項(xiàng)目“廣東第二師范學(xué)院—花都大華村大學(xué)生社會(huì)實(shí)踐教學(xué)基地”（2022dxsjd02）；2020年廣東省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“基于實(shí)踐應(yīng)用能力培養(yǎng)的藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究”研究成果。

隨著工業(yè)設(shè)計(jì)與制造方式的巨大改變，傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)師通過(guò)CAD軟件表達(dá)自己的設(shè)計(jì)意圖，生產(chǎn)制造階段大多也離不開(kāi)CAD制圖。在整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，每個(gè)環(huán)節(jié)都要反復(fù)確認(rèn)保證無(wú)誤才能進(jìn)行下一階段的工作，每個(gè)階段都存在著不同的主觀經(jīng)驗(yàn)判斷情況，如因?yàn)榍捌谛〉氖д`導(dǎo)致整個(gè)流程推翻重新設(shè)計(jì)。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展，各類正向設(shè)計(jì)軟件使用在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的比重越來(lái)越高，設(shè)計(jì)效率大幅度提高。正向設(shè)計(jì)軟件主要指的是通過(guò)CAD軟件表達(dá)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖，然后無(wú)縫銜接到CAD類軟件進(jìn)行三維建模、運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析等，最后通過(guò)CAM類軟件完成產(chǎn)品生產(chǎn)制造。正向設(shè)計(jì)目前在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中還是主流的設(shè)計(jì)程序與方法，參數(shù)化的設(shè)計(jì)方式讓產(chǎn)品后期調(diào)整變得更加方便，比如在模具設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)造型存在拔模倒拔現(xiàn)象，只需要在造型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹中調(diào)整拔模角度參數(shù)，與之相關(guān)聯(lián)的造型特征將自動(dòng)修正。然而在碰見(jiàn)產(chǎn)品局部改型優(yōu)化設(shè)計(jì)且曲面形態(tài)復(fù)雜的情況，正向設(shè)計(jì)不能很好地滿足需求。這時(shí)逆向設(shè)計(jì)思路應(yīng)運(yùn)而生。

單一靠正向設(shè)計(jì)與逆向設(shè)計(jì)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中都存在弊端，在產(chǎn)品局部造型改型過(guò)程中正向設(shè)計(jì)存在方案修改導(dǎo)致周期過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，而僅僅只靠逆向建模存在著曲面質(zhì)量較差、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)過(guò)大，以及模具設(shè)計(jì)分型困難等問(wèn)題，逆向過(guò)程僅適合對(duì)某個(gè)零件進(jìn)行復(fù)刻而不利于創(chuàng)新，因此針對(duì)復(fù)雜曲面形態(tài)的局部改型設(shè)計(jì)提出正逆向混合設(shè)計(jì)方法，提升產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率。

一、基本流程

正逆向設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)階段：進(jìn)行曲面在產(chǎn)品局部改型設(shè)計(jì)時(shí)，首先設(shè)計(jì)師利用二維效果圖確定造型方向，在確定基本造型后油泥師在原有產(chǎn)品上對(duì)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行還原。然后運(yùn)用三維掃描儀對(duì)油泥模型進(jìn)行掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)（如圖1），運(yùn)用Geomagic Studio對(duì)點(diǎn)模型進(jìn)行預(yù)處理并導(dǎo)出STL格式文件，將網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)置入Zbrush等雕刻軟件中對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行局部調(diào)整，也可直接將STL格式文件導(dǎo)入Alias、Rhino等CAID軟件中進(jìn)行正逆向建模工作[1]。得到Nurbs曲面數(shù)據(jù)后，運(yùn)用NX、CATIA等CAD軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)優(yōu)化。最終通過(guò)快速成型制作局部設(shè)計(jì)造型樣品，與上一代產(chǎn)品進(jìn)行裝配驗(yàn)證。

二、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

通過(guò)三維測(cè)點(diǎn)工具對(duì)樣品進(jìn)行掃描獲取原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將掃描的asc格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Studio中通過(guò)手動(dòng)刪除雜點(diǎn)，設(shè)置敏感值去除體外孤點(diǎn)的方式進(jìn)行點(diǎn)處理，然后通過(guò)減少噪音命令降低掃描所產(chǎn)生的噪點(diǎn)，通過(guò)減少噪點(diǎn)操作能更好地展現(xiàn)掃描體的真實(shí)形狀，減少噪點(diǎn)操作后會(huì)產(chǎn)生多余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可直接手動(dòng)刪除，最后通過(guò)統(tǒng)一采樣對(duì)一些重疊部分的點(diǎn)云進(jìn)行消除，這樣保證了形體完整性也精簡(jiǎn)了點(diǎn)云數(shù)據(jù)。導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)前可旋轉(zhuǎn)觀察數(shù)據(jù)是否存在破面等情況，遇到破面可以通過(guò)網(wǎng)格醫(yī)生工具對(duì)其進(jìn)行修復(fù)再進(jìn)行導(dǎo)出。

三、逆向曲面重構(gòu)方式

曲面重構(gòu)是逆向過(guò)程的關(guān)鍵，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格模型的曲面重構(gòu)能獲得可編輯性更強(qiáng)的nurbs曲面模型，在逆向過(guò)程中分為兩種方式進(jìn)行曲面重構(gòu)，第一種是利用網(wǎng)格模型拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行重拓?fù)淇焖贅?gòu)建四邊面進(jìn)行逆向。第二種是通過(guò)nurbs曲面進(jìn)行分面與拆面技巧進(jìn)行曲面逆向。

網(wǎng)格重拓?fù)溥M(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。利用重拓?fù)涔δ軐esh網(wǎng)格模型快速轉(zhuǎn)化為四邊面，重拓?fù)浞譃樽詣?dòng)擬合與手動(dòng)擬合兩種方式，自動(dòng)擬合可以通過(guò)網(wǎng)格工具對(duì)閉合網(wǎng)格三角面進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模型可以進(jìn)行實(shí)體化編輯，手動(dòng)擬合需要對(duì)網(wǎng)格模型特征通過(guò)細(xì)分（subdivision）、擠壓（extrude）等工具以polygon建模方式構(gòu)建曲面進(jìn)行擬合。這兩種擬合方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，由于自動(dòng)擬合可以通過(guò)限定網(wǎng)格生成數(shù)量來(lái)決定擬合后的曲面與網(wǎng)格模型的貼合度，因此自動(dòng)擬合這種方式適合構(gòu)建各類對(duì)曲面表面質(zhì)量要求不高且后期不需要進(jìn)行正向設(shè)計(jì)修改的產(chǎn)品，比如工藝品造型形態(tài)、輕量化的支撐構(gòu)件等。手動(dòng)拓?fù)鋽M合則適應(yīng)與類似片體形態(tài)且零部件較多造型特征，由于手動(dòng)拓?fù)淠軌蚩刂魄鏀?shù)量，因此手動(dòng)拓?fù)鋽M合在后期修改造型方面更加靈活且曲面質(zhì)量更好。

以曲線構(gòu)建曲面進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。在Alias軟件中使用投影工具對(duì)mesh網(wǎng)格的特征部位投影，或者使用Cross SectionEditor工具對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行分段投影，獲取投影線后需要對(duì)其進(jìn)行精簡(jiǎn)擬合，這一步驟是構(gòu)建高質(zhì)量曲面的關(guān)鍵，以精簡(jiǎn)曲線為基礎(chǔ)利用混接（Blend）、放樣（Loft）、剪切（Trim）、匹配（Align）等手段構(gòu)建nurbs曲面來(lái)擬合網(wǎng)格模型，當(dāng)構(gòu)建的曲面與網(wǎng)格模型之間存在較大的間隙，需要分析網(wǎng)格模型特征是否需要拆分多張曲面進(jìn)行拼合，單張曲面的CV（Control Vertex）控制點(diǎn)數(shù)量是否滿足造型調(diào)整需求，若CV控制點(diǎn)數(shù)量不夠則需要根據(jù)實(shí)際要求在UV方向上增加CV點(diǎn)數(shù)量，再對(duì)CV點(diǎn)進(jìn)行位置微調(diào)，從而使得曲面無(wú)線接近參考的網(wǎng)格模型，如圖2網(wǎng)格模型與曲面間隙檢測(cè)圖所示，當(dāng)曲面與網(wǎng)格間隙在1mm以內(nèi)，造型區(qū)域呈現(xiàn)綠色，當(dāng)間隙大于1mm則呈現(xiàn)橙紅與藍(lán)紫色。在高質(zhì)量曲面構(gòu)建過(guò)程中如果能夠貼合模型的情況下盡量減少CV點(diǎn)數(shù)量，這樣能保證曲面質(zhì)量且模型數(shù)據(jù)量較小。在曲面構(gòu)建完成后可以通過(guò)間隙檢測(cè)工具對(duì)曲面與mesh網(wǎng)格之間的距離具體數(shù)值進(jìn)行分析測(cè)量，相比在建模過(guò)程中通過(guò)表面顏色來(lái)表示曲面是否滿足公差內(nèi)要求來(lái)說(shuō)，間隙檢測(cè)更加精準(zhǔn)（如圖3），以電動(dòng)車前面板特征曲面為例，通過(guò)測(cè)量工具得到mesh與nurbs曲面之間的偏差值，并且得到偏差值表（如表1），參考位置與測(cè)量位置是網(wǎng)格與曲面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，通過(guò)坐標(biāo)得出兩者相差的間隙值，這樣能快速找到曲面與網(wǎng)格之間偏差較大的具體位置進(jìn)行調(diào)整。

特征曲線構(gòu)造曲面的逆向設(shè)計(jì)主要應(yīng)用在一些表面反射光順程度較高的項(xiàng)目，比如交通工具類、衛(wèi)浴潔具類等產(chǎn)品，相比網(wǎng)格重拓?fù)淠嫦騺?lái)說(shuō)特征線構(gòu)建曲面在曲面質(zhì)量控制、后期造型修改、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對(duì)接方面更有優(yōu)勢(shì)。然而，這種方式在構(gòu)建復(fù)雜曲面的過(guò)程中需要設(shè)計(jì)者有較好的曲面建模能力，碰到復(fù)雜的曲面形態(tài)時(shí)，也非?？简?yàn)設(shè)計(jì)師對(duì)形態(tài)的觀察與控制能力。因此，在項(xiàng)目中如何靈活結(jié)合兩種方式是提高正逆向設(shè)計(jì)效率的關(guān)鍵，從造型曲面質(zhì)量要求上來(lái)說(shuō)，對(duì)于曲面要求較高的部分會(huì)采用特征線構(gòu)建曲面方式，零件較小且表面質(zhì)量要求相對(duì)低的則采用重拓?fù)浞绞?。從造型曲面?fù)雜程度上來(lái)說(shuō)，復(fù)雜形態(tài)以Mesh模型為基準(zhǔn)，進(jìn)行反復(fù)推敲造型方案的部分可以先采用重拓?fù)浞绞綐?gòu)建Polygon模型，在這個(gè)基礎(chǔ)上推敲造型方案，確定最終形態(tài)后采用特征線構(gòu)造曲面方式構(gòu)建高質(zhì)量曲面。簡(jiǎn)單形態(tài)則可以直接采用特征曲線構(gòu)造曲面方式進(jìn)行正逆向設(shè)計(jì)。

四、曲面類型與質(zhì)量評(píng)價(jià)

（一）曲面類型

對(duì)產(chǎn)品造型表面要求較高的產(chǎn)品，曲面質(zhì)量非常關(guān)鍵，逆向擬合與正向建模所用到的曲面技術(shù)主要有基于Bezier曲線的曲面構(gòu)造與基于B-Spline曲線的曲面構(gòu)造以及基于T-Spline細(xì)分曲面構(gòu)造這三種形式。實(shí)際項(xiàng)目中可以根據(jù)三者的技術(shù)特性進(jìn)行靈活運(yùn)用。

1.Bezier曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式定義為：? ? ? ?其中為貝塞爾曲線控制點(diǎn)，由這些控制點(diǎn)確定貝塞爾曲線形態(tài)，為貝塞爾曲線基函數(shù)，是一個(gè)多項(xiàng)式，公式為：，其中表示貝塞爾曲線階數(shù)，表示控制點(diǎn)的下標(biāo)，控制點(diǎn)個(gè)數(shù)=階數(shù)+1[2]。貝塞爾曲線作為二維圖形應(yīng)用程序的數(shù)學(xué)曲線，由一組控制點(diǎn)的向量來(lái)確定，給定的控制點(diǎn)按順序連接構(gòu)成控制多邊形，貝塞爾曲線逼近這個(gè)多邊形，進(jìn)而通過(guò)調(diào)整控制點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)改變曲線形狀。因此Bezier曲線在描述復(fù)雜曲線時(shí)更有優(yōu)勢(shì)。

2.B-Spline曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式定義為：。稱為階次B樣條基函數(shù)，是繪制次數(shù)，其中可以是2到控制點(diǎn)個(gè)數(shù)之間的任意整數(shù)[2]?？梢钥闯鯞ezier曲線階數(shù)和次數(shù)是一樣的，而B樣條的階數(shù)則是次數(shù)加1。相比Bezier曲線B-Spline在修改局部更有優(yōu)勢(shì)，Bezier修改局部容易引起其他位置的形態(tài)變化。

3.T-Spline曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式定義為：

其中，表示T樣條控制頂點(diǎn);表示該控制頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的權(quán)值;表示該控制頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基函數(shù)[3]。T樣條使用B樣條基函數(shù)，T-Spline且結(jié)合了Nurbs和細(xì)分表面建模技術(shù)的特點(diǎn)，不僅繼承了Nurbs的優(yōu)良性質(zhì)，還極大的減少模型表面控制點(diǎn)數(shù)目，有利于建模效率與渲染速度的提升。

這三種技術(shù)在曲面建模過(guò)程中優(yōu)缺點(diǎn)如表2，在正逆向設(shè)計(jì)過(guò)程中可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用不同的技術(shù)手段靈活運(yùn)用提升設(shè)計(jì)效率。

（二）曲面質(zhì)量評(píng)價(jià)

曲面質(zhì)量則是影響產(chǎn)品實(shí)際外觀效果的重要因素，曲面作為構(gòu)造產(chǎn)品形態(tài)的基本元素，曲面構(gòu)造方法對(duì)曲面形態(tài)的設(shè)計(jì)以及曲面質(zhì)量的影響起到關(guān)鍵作用。在實(shí)際項(xiàng)目中可根據(jù)設(shè)計(jì)需求使用不同的曲面類型進(jìn)行創(chuàng)建。

1.復(fù)雜曲面與B級(jí)曲面質(zhì)量評(píng)價(jià)。復(fù)雜曲面采用Bezier構(gòu)造方式創(chuàng)建速度快，對(duì)于表面形態(tài)變化豐富特征較多的Mesh網(wǎng)格，可以通過(guò)特征線投影形成多條曲線，然后采用雙軌（Sweep）、放樣（Loft）等曲面成型工具快速構(gòu)建一整張曲面，這種構(gòu)建方式對(duì)于逆向形態(tài)的曲面擬合包裹性好且精度較高，不需要考慮單Span曲面拼接之間的連續(xù)性問(wèn)題，然而Bezier創(chuàng)建曲面的CV點(diǎn)與階數(shù)較多，不利于后期曲面調(diào)整。因此Bezier曲面往往用在一些對(duì)產(chǎn)品表面廣順?lè)瓷湟蟛桓叩腂級(jí)曲面以及半徑較小的倒角面造型上，比如汽車內(nèi)飾的儀表臺(tái)倒角面造型、電動(dòng)車部分采用工程塑料材質(zhì)的部件造型?？梢钥闯鰧?duì)于表面反射要求不高且形態(tài)復(fù)雜的B級(jí)曲面，曲面質(zhì)量評(píng)價(jià)主要以形態(tài)表達(dá)的準(zhǔn)確性以及逆向貼合度為主。

2.特征曲面與A級(jí)曲面質(zhì)量評(píng)價(jià)。工業(yè)產(chǎn)品造型的外觀面通常采用B-Spline曲線構(gòu)建單Span的精簡(jiǎn)曲面，對(duì)于外觀表面反射質(zhì)量要求較高的Class-A曲面通常采用精簡(jiǎn)曲面進(jìn)行構(gòu)建，因此在逆向擬合造型面時(shí)需要對(duì)提取的特征線使用Fit curve工具擬合精簡(jiǎn)，然后再通過(guò)四邊成型工具（Square）、雙軌（Sweep）構(gòu)建曲面，對(duì)于特征曲面形態(tài)簡(jiǎn)單的區(qū)域可以采用自動(dòng)擬合點(diǎn)云工具（Srfmsh）構(gòu)建特征曲面。然而單曲面由于其曲面特性決定了復(fù)雜造型只能通過(guò)曲面拼接的方式進(jìn)行構(gòu)建，因此在復(fù)雜曲面構(gòu)建過(guò)程中，需要考慮曲面的拼接方式以及曲面的銜接精度問(wèn)題。

曲面的拼接方式是根據(jù)產(chǎn)品表面的形態(tài)來(lái)決定的，在使用精簡(jiǎn)曲面構(gòu)建表面形態(tài)時(shí)需要先制作大的曲面特征，再制作小的曲面特征，同時(shí)需要觀察細(xì)微的曲面走勢(shì)變化，不同的走勢(shì)變化決定了不同的曲面銜接思路。對(duì)基礎(chǔ)造型曲面進(jìn)行倒角，倒角分面1將1、2、3號(hào)曲面銜接處剪切出過(guò)度區(qū)域，直接使用橋接（Blend）工具制作倒角面，可以看出4號(hào)曲面位置反射斑馬紋過(guò)渡柔和。倒角分面2采用了先制作半徑較大的倒角然后再制作半徑較小的倒角方式，這種倒角面構(gòu)建方式可以看出倒角曲率較小，斑馬走勢(shì)通過(guò)倒角貫穿整個(gè)造型。倒角分面3則采用了比較常用的Y型倒角方式，將所有倒角區(qū)域的曲面先制作完成，然后對(duì)倒角交匯的五邊區(qū)域進(jìn)行修剪達(dá)到形成四邊區(qū)域條件，再構(gòu)建四邊曲面完成制作，這種倒角分面方式可以看出在交匯處的斑馬走勢(shì)有所扭曲，由于交匯處的曲面與周邊銜接關(guān)系復(fù)雜，因此在倒角曲面走勢(shì)調(diào)整上難度相對(duì)較大（如圖4）。

曲面銜接精度指的是符合曲面連續(xù)性要求的曲面與曲面之間縫隙值。曲面的連續(xù)性指的是曲面與曲面之間銜接的光順程度，目前對(duì)于曲面銜接處連續(xù)性檢測(cè)分別以G0，G1，G2，G3進(jìn)行區(qū)分，如圖5曲面連續(xù)性檢測(cè)圖所示，G0代表曲面之間銜接為位置關(guān)系，銜接處的斑馬紋反射為折線。G1代表曲面銜接處為相切關(guān)系，雖然是圓弧面過(guò)渡，但是通過(guò)曲率梳可以看出銜接處變化急劇，表面反射斑馬順暢度一般。G2代表曲面銜接處為曲率連續(xù)，其銜接處為連續(xù)變化曲率，銜接處表面反射順暢度較好。G3代表曲率變化率連續(xù)，其銜接處曲率梳變化緩和，這種平滑的變化效果使得曲面表面斑馬反射效果非常順暢。使用Nurbs進(jìn)行構(gòu)造的Class-A曲面可以看出不同的分面方式?jīng)Q定了曲面的形態(tài)，曲面之間的銜接連續(xù)性決定了曲面銜接的順暢程度，可以通過(guò)曲面的斑馬紋反射，曲率梳變化，銜接處的曲率檢測(cè)來(lái)判定Nurbs曲面質(zhì)量。從A級(jí)曲面構(gòu)建條件以上可以看出特征曲面與A級(jí)曲面的質(zhì)量評(píng)價(jià)注重產(chǎn)品的形態(tài)比例與表面的光影反射。

3.基于T-Spline的異形曲面質(zhì)量評(píng)價(jià)。T-Spline構(gòu)建的曲面結(jié)合了Subdivision細(xì)分曲面與Nurbs曲面的雙重優(yōu)勢(shì)，在碰到復(fù)雜的曲面形體構(gòu)建時(shí)，T-Spline曲面能快速地創(chuàng)建形體，再利用Nurbs曲面構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)完善產(chǎn)品細(xì)節(jié)。雖然形態(tài)創(chuàng)建與修改比較方便，然而在工程對(duì)接以及精確尺寸方面卻難以控制。因此可以看出在正逆向曲面構(gòu)建中，對(duì)于T-Spline構(gòu)建的Nurbs曲面質(zhì)量評(píng)價(jià)，主要觀察符合造型要求的細(xì)分曲面數(shù)量，以最少的細(xì)分曲面數(shù)量保持所需的形態(tài)，同時(shí)盡可能構(gòu)建四邊細(xì)分面，避免多變面而產(chǎn)生的表面斑馬反射扭曲的情況。

五、基于Alias與UG的正逆向造型設(shè)計(jì)

形態(tài)較為復(fù)雜的產(chǎn)品在升級(jí)迭代的過(guò)程中，使用正逆向結(jié)合的方式可以提升開(kāi)發(fā)效率，Alias作為一款專業(yè)的正逆向輔助設(shè)計(jì)軟件，在正向設(shè)計(jì)與逆向造型方面有著非常大的優(yōu)勢(shì)[4]。通過(guò)Geomagic Studio進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理導(dǎo)出STL格式文件，將STL文件置入Alias后調(diào)整其坐標(biāo)位置，Alias工具箱中有針對(duì)Mesh網(wǎng)格模型調(diào)整修復(fù)的工具集，可以使用分割工具對(duì)Mesh網(wǎng)格進(jìn)行部件拆分，為后期逆向建模做準(zhǔn)備。Alias在曲面逆向中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在高質(zhì)量曲面構(gòu)建效率方面，其歷史記錄工具與曲面銜接匹配工具相結(jié)合，在曲面形態(tài)調(diào)整上具有非常高的效率。同時(shí)Alias也集成了正向設(shè)計(jì)所需的模塊，設(shè)計(jì)者可以直接在Mesh網(wǎng)格模型上創(chuàng)建畫布進(jìn)行效果圖繪制，在確定設(shè)計(jì)方案后，采用正逆向建模結(jié)合的方式快速構(gòu)建產(chǎn)品的外觀曲面。在完成工程曲面并通過(guò)曲面質(zhì)量評(píng)估后，將曲面數(shù)據(jù)倒入到UG軟件中進(jìn)行縫合并制作成實(shí)體模型，同時(shí)對(duì)曲面進(jìn)行拔模分析，對(duì)不符合工程要求的曲面進(jìn)行微調(diào)以保證結(jié)構(gòu)合理性，完成結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)后通過(guò)3D打印技術(shù)或快速成型方式制作樣品進(jìn)行裝配驗(yàn)證[5]。

六、電動(dòng)車外觀造型設(shè)計(jì)實(shí)踐

以電動(dòng)車外觀造型設(shè)計(jì)為例，對(duì)于車型局部改型升級(jí)的設(shè)計(jì)需求非常普遍，這類項(xiàng)目對(duì)外觀造型要求較高，且設(shè)計(jì)周期短，因此非常注重產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。而在交通工具類項(xiàng)目中靈活使用正逆向設(shè)計(jì)手段能提升設(shè)計(jì)效率。

（一）數(shù)據(jù)獲取與效果圖繪制

首先對(duì)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)升級(jí)的樣車進(jìn)行掃描測(cè)點(diǎn)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于電動(dòng)車外殼表面具有較強(qiáng)的反射效果，因此需要對(duì)其表面噴灑一層顯像劑，同時(shí)在車體表面均勻帖上磁貼，方便掃描定位使數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。掃描完成后將數(shù)據(jù)倒入到Geomagic Studio進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。獲取原始車型數(shù)據(jù)后將其置入Alias中調(diào)整坐標(biāo)并進(jìn)行效果圖繪制（如圖6），電動(dòng)車改型升級(jí)的設(shè)計(jì)往往需要考慮部件尺寸匹配問(wèn)題，由于產(chǎn)品只是局部進(jìn)行造型修改，因此在設(shè)計(jì)的過(guò)程中除了與保留部件邊沿匹配之外，還需要考慮到風(fēng)格的統(tǒng)一，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)造型特征反復(fù)推敲，同時(shí)制作多套方案進(jìn)行評(píng)選。

（二）油泥制作與數(shù)據(jù)獲取

油泥制作是電動(dòng)車造型設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于造型復(fù)雜的曲面形態(tài)以及有一定空間體積的產(chǎn)品，使用軟件直接進(jìn)行效果圖正向建模會(huì)存在較多問(wèn)題。首先，效果圖作為二維圖片在曲面弧度曲率表達(dá)方面存在誤差，在軟件中對(duì)曲面形態(tài)與造型比例進(jìn)行反復(fù)推敲效率較低。其次，在三維效果評(píng)審方面，1：1的油泥比例相比三維模型更加直觀，在評(píng)審的同時(shí)可以隨時(shí)調(diào)整與評(píng)價(jià)。最后，油泥制作在設(shè)計(jì)的尺寸比例以及與保留部件的匹配度方面把握得更加準(zhǔn)確。圖7就是在保留原車底部踏板以及車架部分外，針對(duì)車體的前臉以及后包圍區(qū)域進(jìn)行油泥制作，通過(guò)測(cè)點(diǎn)獲取油泥點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理。

（三）電動(dòng)車外觀曲面正逆向設(shè)計(jì)

在曲面造型階段，油泥測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)是逆向曲面造型的基礎(chǔ)，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，逆向擬合曲面需要考慮到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否合理，油泥表面質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，造型是否需要考慮分件以及間隙面差等因素，需要結(jié)合正向設(shè)計(jì)對(duì)造型面進(jìn)行調(diào)整。電動(dòng)車前臉曲面造型圖通過(guò)對(duì)預(yù)處理的STL網(wǎng)格模型進(jìn)行拆分部件，分別對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行逆向曲面建模，通過(guò)觀察可以看到油泥造型左右并非完全對(duì)稱，因此對(duì)油泥模型取中線進(jìn)行分割，取右側(cè)油泥表面制作較為細(xì)致的部分進(jìn)行虛擬鏡像，以此部分為基準(zhǔn)進(jìn)行逆向（如圖8）。

在逆向過(guò)程中對(duì)表面反射光影順暢度要求較高的外觀件，比如車體的ABS塑件、車大燈塑件等，這些部件的曲面質(zhì)量需要達(dá)到Class-A的標(biāo)準(zhǔn)，從X、Y、Z不同方向進(jìn)行斑馬紋投射，根據(jù)靜態(tài)斑馬檢測(cè)來(lái)判斷曲面的曲率與造型走勢(shì)，調(diào)整好曲面斑馬形態(tài)后，再對(duì)曲面銜接處的連續(xù)性進(jìn)行檢測(cè)（如圖9），檢測(cè)連續(xù)性達(dá)不到要求的位置，可以通過(guò)曲面邊界匹配工具或者曲面CV控制點(diǎn)位置調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)整，以圖9的連續(xù)性檢測(cè)其中一處未達(dá)到G2連續(xù)為例，選中檢測(cè)區(qū)域的采樣集放大曲率梳顯示，同時(shí)打開(kāi)采樣點(diǎn)檢測(cè)窗口觀察具體的連續(xù)性?shī)A角數(shù)值（如表3），在調(diào)整檢測(cè)區(qū)域附近的控制點(diǎn)時(shí)觀察曲率梳與采樣數(shù)值變化，直至達(dá)到曲面質(zhì)量要求。逆向過(guò)程中發(fā)現(xiàn)油泥測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)表面質(zhì)量欠佳的情況時(shí)，需要數(shù)字模型師根據(jù)實(shí)際情況對(duì)曲面形態(tài)進(jìn)行調(diào)整，在盡可能達(dá)到油泥造型的情況下滿足高質(zhì)量曲面要求。而對(duì)于反射要求不高的零部件造型，則不需要過(guò)多的考慮曲面是否達(dá)到Class-A的標(biāo)準(zhǔn)，通常為了快速的擬合油泥造型，會(huì)較多地使用Bezier曲面構(gòu)造方式快速造型，比如電動(dòng)車前面的工具箱、電池盒子和踏板部分，都采用了PP工程塑料，這類材料韌性較強(qiáng)且表面啞光質(zhì)感居多，因此對(duì)外殼曲面質(zhì)量要求并不高。

在電動(dòng)車前臉造型曲面設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估檢測(cè)，從曲面質(zhì)量以及工程需求兩方面檢測(cè)是否達(dá)到項(xiàng)目要求，曲面質(zhì)量首先檢測(cè)曲面表面斑馬紋的走勢(shì)是否流暢，其次通過(guò)曲率梳檢測(cè)主曲面之間是否達(dá)到G3連續(xù)，最后檢測(cè)特征曲面以及外觀倒角面銜接處是否達(dá)到G2連續(xù)，最后檢測(cè)B面是否至少達(dá)到G1連續(xù)。工程需求主要分析零部件之間的面間隙差是否符合結(jié)構(gòu)要求，曲面拔模是否符合生產(chǎn)要求。

（四）電動(dòng)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與快速成型

制作快速成型是驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性的重要方法，在完成曲面正逆向設(shè)計(jì)后，將曲面部分導(dǎo)出為STEP或者IGES格式文件到UG軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)制作，良好的曲面設(shè)計(jì)能讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率有較大提升，尤其是在曲面實(shí)體制作方面，Class-A曲面能大大減少抽殼、加厚等操作的失敗率。在曲面設(shè)計(jì)期間考慮到部件之間的面縫隙差也能讓零部件之間的裝配結(jié)構(gòu)制作更加方便。如圖10電動(dòng)車前臉造型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與快速成型圖，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，需要通過(guò)制作快速成型將每個(gè)零部件制作成實(shí)際樣品進(jìn)行裝配驗(yàn)證，快速成型環(huán)節(jié)是對(duì)整個(gè)外觀造型設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在實(shí)際裝配過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)部件之間是否存在干涉問(wèn)題，裝配順序合理性問(wèn)題，部件之間的穩(wěn)定性問(wèn)題等。裝配完成后也可以對(duì)外觀曲面表面反射進(jìn)行評(píng)估，檢測(cè)表面光影是否順暢。

七、結(jié)語(yǔ)

本文前部分探討了逆向設(shè)計(jì)的一般流程以及重構(gòu)曲面的方式，闡述了現(xiàn)有的曲面構(gòu)造技術(shù)特征與優(yōu)缺點(diǎn)分析，同時(shí)提出了不同的應(yīng)用場(chǎng)景下正逆向設(shè)計(jì)所需的曲面類型，以及正逆向設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于不同的曲面類型的質(zhì)量評(píng)價(jià)觀點(diǎn)。電動(dòng)車外觀造型設(shè)計(jì)的實(shí)踐可以證明，對(duì)于形態(tài)復(fù)雜的產(chǎn)品造型迭代升級(jí)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，采用正向設(shè)計(jì)與逆向設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，在減少與裝配件的誤差同時(shí)保證了模型精度，能為設(shè)計(jì)件與保留件之間的有效裝配提供保障，同時(shí)也保證了產(chǎn)品曲面質(zhì)量，有效提升了造型設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

[1]王寶中，張富明，路春光，趙震.正逆向設(shè)計(jì)在電動(dòng)汽車外觀曲面造型中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2018（2）：131-134.

[2]李丹.基于逆向工程的汽車覆蓋件曲面重構(gòu)技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2016（8）：113-116.

[3]肖文磊，劉亞醉，Oleksandr Zavalnyi，趙罡.T-SPLINE開(kāi)源內(nèi)核的三層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法原理[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2017（11）：2023-2036.

[4]王軍社.基于Alias的汽車整車A級(jí)曲面設(shè)計(jì)和品質(zhì)評(píng)價(jià)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017（20）：29-33.

[5]袁曉東.基于逆向工程與3D打印技術(shù)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2015（10）：105-108.

作者簡(jiǎn)介： 黃楚峰，碩士，廣東第二師范學(xué)院美術(shù)學(xué)院講師。研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)。