基于逆向工程技术的汽车座椅套平面样版快速开发技术研究

胡锦洲,刘 锋,庞建军,田世雄,褚忠宇

(浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院，浙江 杭州 310018)

家用汽车座椅套装饰已成为一种时尚，市场需求巨大，然而目前国内汽车座椅套样版开发工作基本由人工手动打版—制版—读版—分版—排版等工序完成，具体对应的开发流程(见图1)，其中前期的打版(①—③)、制版(④—⑦)、读版(⑧—⑨)基本由制版师傅手工完成，导致目前传统的汽车座椅保护套样版开发对制版师的经验依赖度高，制样周期长，开发效率低，甚至在打版工作中由于需要用到外物实际接触被包裹的车座椅，如用图钉、胶等固定薄膜等，会对车座椅会造成一定程度的损伤，导致样板开发成本高，因此，现有的样板开发技术越来越不能满足快速增长的市场需求。逆向工程技术(RE)又称反向工程或反求工程[1]，起源于复杂精密测量技术，其实质是在准确获得物理模型三维轮廓数据的基础上，应用CAD软件进行实物外观建模复制、检测和再设计[2-4]。针对目前国内汽车座椅套制样瓶颈，本文运用逆向工程技术方法，通过快速获取汽车座椅表面三维点云数据，依据所获得三维点数据在UGNX软件中建立准确的汽车座椅三维数字化模型，并通过二次开发曲面展开方法进行座椅套曲面的平面展开，对汽车座椅套的快速平面制样方法进行了深入探讨，本文的具体研究思路(见图2)。

图1 汽车座椅套平面样板传统开发流程图

图2 汽车座椅套样板快速开发总体实现流程

图3 点云数据采集过程

1 汽车座椅表面三维数据的获取与点云数据优化处理

快速获得物理模型表面三维数据是逆向工程技术实现的首要条件[5]。本文采用浙江大学博洋公司的手持式非接触光学扫描测量系统(BYScan650)进行汽车座椅套外观三维数据采集。该手持式非接触光扫描仪无需与被测量物体表面接触，能有效保护被测物体；扫描效率高，可实现自动拼接；扫描精度高(0.01 mm)；扫描速度快(50 000点/s)；且扫描仪尺寸小巧、轻便，手持操作便捷，非常适合车座椅套的外观三维数据采集。同时所选汽车座椅外形表面平缓，不含陡峭、复杂小面体，且为亚光面，漫反射性能好，无须显像剂，扫描精度要求一般。图3所示为点云数据采集过程。图4所示为座椅头枕、靠背、坐垫以及整套座椅的扫描原始点云数据。图5所示为扫面点云数据通过拼接、去噪、稀疏、光顺等操作后获得的高质量外观三维点云数据。最后将优化后的点云数据以STL格式输出，方便后续座椅表面三维模型的重构。

图4 座椅套三维扫描点云原始采集数据

图5 座椅套三维扫描点云数据优化结果

2 汽车座椅三维模型重建与检测

曲面重建是逆向工程技术的重要组成部分，是后续设计、分析、加工等工作的基础[6]。本文座椅套三维逆向建模过程是将点云STL数据导入UGNX软件中实现的。UGNX具有强大的逆向设计功能，其逆向设计的基本流程遵循点—线—面或点—面的规则完成[7]。通过结合点云曲率分析命令和曲面特征分析命令，将所需构建的座椅表面分割为几大基本特征面，然后通过倒圆角面进行衔接，完成汽车座椅外观曲面的三维重构，期间穿插重构曲面与点云数据贴合度检测，保证曲面重构的正确性。图6所示为汽车座椅头枕、靠背与坐垫依据扫描点云数据重构后的三维曲面外型图。

图6 座椅套三维曲面重构

3 汽车座椅套表面展开实现

三维曲面展开处理算法归结起来主要为几何展开法、力学展开法和几何展开力学修正法等[8-10]。本文采用几何展开法方法来实现座椅套表面三维曲面的展开，算法基本思想是采用一种平面网格的方法，将曲面逐一展开到同一平面上得到展开结果，其基本过程为：将复杂曲面分割成若干条状区域，每一区域用可展面替代，如直纹面；将这些可展面进行三角网格划分；把每一个可展面都展开到同一平面，从而得到该曲面的展开结果[11]。

曲面具体展开算法实现流程：

(1)设定逼近精度δi，所需分割的条状数目为n，n应满足长度相对误差εi≤δi。设定复杂曲面为S(u，v)(0≤u≤1，0≤v≤1)，其两条边界曲面为H(0)∶S(u，0)和H(1)∶S(u，1)。假设沿u向分割，长度相对误差εi定义为：

εi=max{εi(k)≤δi}，k=0，1

(1)

其中，

(2)

由(1)、(2)式，可算出所需条状区域数目n。

初值n0的确定如下：

(3)

对于每个条状网格区域，用一直纹面ri(t，ω)(ui≤t≤ui+1，0≤ω≤1)去逼近代替。直纹面的两条边界曲线分别为：

Γ:(ri，ω)=S(ui，ω)

(4)

Γi+1:(ri，ω)=S(ui+1，v)

(5)

(2)展开所分割的直纹面网格ri(t，ω),为了便于计算，假设所有的直纹面有相同的三角剖分，去三角平面数目m:

m=max{mi}，i=0，1，…，n-1

(6)

式(6)中mi为第i个直纹面的网格分割数。

(3)直纹面的展开面透射到同一平面上。座椅套的曲面展开最终处理依靠UGNX软件，应用UG/OpenAPI 作为曲面展开功能的二次开发实现工具，将逆向重构的座椅套表面三维曲面模型数据展开为平面数据。UG/Open API 是UGNX软件的重要开发模块，是UGNX软件与外部应用程序的接口，用户可以根据需求通过C语言来调用它所提供的一系列集成函数，实现所需功能。同时基于汽车座椅套布料弹性属性，可以手动去除展开重叠部分，对展开裂缝手动缝补从而简化展开实现。图7所示为座椅靠背三维曲面的平面展开。

图7 座椅靠背三维曲面展开过程

4 结 语

本文在分析总结现有汽车座椅套的打样开发流程的基础上，运用先进的逆向工程技术，首先对汽车座椅套三维曲面进行三维点云数据采集，并通过对点云数据进行拼接、降噪、稀疏、光顺等后处理工作获得高质量座椅外观三维点云数据，然后根据点云数据在UGNX中进行座椅三维外观曲面的重建，最后通过曲面展开二次开发功能实现了座椅套外观曲面的平面展开和轮廓曲线的抽取。该技术能有效减少目前汽车座椅套的样版开发工作对制版师依赖，从而有效的提升了座椅套样板开发效率，降低了开发成本，为满足广大汽车消费者对汽车从“代步”转向“个性”、“时尚”的消费理念升级需求提供了技术参考。