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【摘 要】针对汽车外造型数字化逆向造型流程中存在的精度低、成本高等问题，提出了基于计算机辅助造型技术的数字化正向造型流程，并重点对流程中的外造型特征曲线提取与表征以及外造型A级曲面构造两项关键技术进行了研究，最后将正向造型流程应用于某款轿车外造型设计，通过3B曲线拟合二维效果图特征线，进而生成Bezier曲面，在此基础上，根据设计公差规定完成外表面倒角、断差等细节设计，获得了较高精度的外造型数模，验证了正向流程的合理性。
【关键词】逆向造型、正向造型、特征线、A级曲
0引言
汽车外造型直观体现综合设计构思及审美学、材料学、新工艺等社会科技的进步与发展，已成为提升汽车产品市场竞争力的最活跃因素，也是整车开发过程的初始环节和关键环节。按照设计任务的不同，数字化汽车外造型流程划分为产品规划、二维设计、三维设计和样车试制四个阶段。传统的三维设计是一种基于油泥模型的逆向设计，过程反复，耗时且成本高。随着数字化设计技术的不断进步和应用，汽车外造型设计流程也不断变化、更新和发展，本文围绕造型的四个阶段，在分析了传统数字化逆向设计流程的基础上，研究数字化正向设计关键技术，并应用于某轿车外造型设计[1-3]。
1 数字化逆向造型流程
逆向工程技术（RE， Reverse Engineering） 是传统数字化设计的关键技术，即根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据（包括设计图纸或数字模型 ） [4]。由于组成车身外形的各个零件多为尺寸大而形状复杂的空间曲面，不能用一般的二维机械制图方法将它们完整、清晰地表达出来，需要建立车身表面三维立体模型，而将初期构思完成的二维效果图转化成三维数字化模型的过程离不开油泥模型的制作和逆向输出三维数据。
1.1 实体油泥模型
实体油泥模型的制作过程包括小比例模型制作、模型完善和等比例实体模型制作三个阶段。小比例模型制作是在效果图通过评审之后，借此可以直观地反复推敲和完善各个汽车外造型方案的型面和细节；模型完善主要是根据选定效果图方案制作1：1油泥模型胶带，通过对胶带随时粘贴或撕下，可以直接对胶带图进行修改和调整，以确定最终的轿车轮廓曲线；等比例实体模型制作是根据最终方案按照1：1比例制作和真车尺寸、造型完全一致的实体模型，设计人员可以对车身表面的细节部分进行再比较和修改。
1.2 逆向输出三维数据
逆向输出三维数据的过程就是根据等比例实体模型输出外造型三维数据，其方法是首先借助三坐标测量机采集等比例油泥模型零件表面特征点，然后对采集的特征点进行三坐标计算等预处理，形成点云数据，再按照结构对数据进行划分并用连续曲面拟合数据，从而获得三维模型数据，实现三维模型的构建。
1.3 逆向造型的特点
汽车外造型逆向设计应用了大量油泥模型和数据逆向技术，无论是整车框架还是具体细节上的修改和定型都需要制作不同比例油泥模型并不断修改完善，这就需要大量的时间及人力物力资源。此外，手工油泥模型在制作上很难达到要求的曲面设计质量精度，在设计理念的理解上也存在一定的偏差。由此可以看出，采用逆向造型容易引起开发产品质量较低，设计费用成本高昂，设计周期长等问题，显然已经无法适应新车型的快速更新换代。
2 数字化正向造型流程和关键技术
计算机辅助造型（CAS， computer aided styling）是基于特征造型和参数化、变量化设计的复杂曲面构建基本技术[5]。正向造型过程是根据二维效果图和大致的性能技术参数，借助于计算机辅助造型技术直接建立三维数字化模型。汽车外造型属于复杂A级曲面，其造型形态的全部信息可以通过构成曲面的点、线、面等基本元素反映，将这些基本元素定义为曲面特征，则正向外造型过程实质上就是利用这些曲面特征设计进行A级曲面造型的过程。一个完整的正向造型流程包括二维效果图设计、曲面特征提取和表征、初始外表面的构建、A级曲面造型、等比例油泥模型的CNC加工和数字验证模型的构建等六个主要环节。其中等比例油泥模型是根据创建的三维数字模型数控加工而成，不同于正向过程中的手工制作。本文仅对流程中的两项关键技术进行深入分析。
2.1 外造型特征曲线提取和表征
特征的提取和表征是一个解构汽车造型的过程。从反映造型的角度来看，特征点对造型描述不充分，特征面最能表达形态的全部内容，但过于复杂，不易被表达，而特征线是造型的主要成分，几乎携带了造型形态的所有信息，所以特征的提取和表征主要是特征线的提取和表征。特征线按照所处面的重要性不同，划分为主造型特征、过度造型特征和附加造型特征，分别处于主造型面、过渡面和局部造型区域面上。其中，主造型面构成了汽车造型的基本形态和结构，主面之间通过过渡面连接，主面上附加的形态属于局部造型面。三个不同层次的特征构成了一个树形造型特征体系，特征线的定义和提取对重建曲面模型的品质和精度起着重要作用。外造型特征的表征是对特征线的拟合和逼近，3B样条曲线是广泛采用的拟合算法，具有更高阶连续性和更加灵活的特点。图1为项目利用三维造型软件完成的某款车外造型主特征线的3B样条曲线。
由图1可以看出，主特征线刻画了该车外型的主要造型轮廓，其提取和表征是根据二维效果图定义外型轮廓特征线，再用3B样条曲线拟合这些特征线，从而得到外造型轮廓曲线。
2.2 外造型A级曲面构造
合理规划曲面分块和曲面构建顺序对生成高质量曲面具有重要作用，因此在构造曲面之前，一定要规划合理的曲面片生成顺序和方法。一个完整的曲面构建过程大致分为三个阶段，第一阶段为初始外表面数模构建，第二阶段为工程分析，第三阶段为外表面完善。 （1）第一阶段项目首先对外造型划分了多个特征块并分别进行基本曲面初始构建，即构建主要型面，反映造型的总体特征，但不要求很高的曲面质量。将创建的初始三维外表面整体风格和造型特征与二维效果图对比，确定是否符合设计方案所要表现的意图。图2为第一阶段构建的外造型初始A级曲面模型。
外造型初级A级曲面模型是在特征样条曲线模型的基础上，由B曲线生成Bezier曲面，再根据特征进行优化，得到初始外表面三维数字模型。构建这一模型的主要目的是提供给结构工程师、CAE工程师做初步的空间总布置分析和人机工程校核。
（2）第二阶段主要是根据产品结构和工艺要求定义面的过渡和连接、零件相互间的落差和间隙，如零件之间的装配关系、运动干涉、安全间隙等标准，形成设计公差规定文件DTS，提供给外造型设计，以便进一步完善三维曲面模型。图3为该车后保险杠本体和后保险杠左装饰板之间间隙定义。后保险杠本体与后保险杠左装饰板之间间隙A的DTS定义为0.0mm，如果增大此处间隙，将严重影响外观品质
改变间隙不仅影响美观，还可能造成保险杠装配干涉，因此车身的外表面设计和最终产品装配后的状态都要符合根据零件结构和工艺制定的合理间隙值。
（3）第三阶段是根据设计公差规定文件对外表面数模进行修改完善，并完成外表面的细节设计，包括零件的倒角、断差和分缝等。图4为完善后的该车外型数字模型。
比较图4和图2可以看出，曲面增加了光滑过渡的倒角和细节特征的添加，并符合设计公差规定文件DTS要求，形成了最终的A级曲面模型。将设计的A级初始曲面和效果图对比，一致性很好，准确反映了造型总体特征，至此，一个正向 整车外造型数字化设计完成。
3 结论
汽车外造型数字化正向造型过程是从二维效果图到三维数字化模型的直接转化过程，避免了传统逆向造型过程中依赖油泥模型进行三维数据采集和处理的缺陷，其中外型复杂曲面特征的提取和表征、A级曲面构造是这一流程的两项关键技术。将正向造型流程应用于某款轿车外表面数字化造型，在造型精度、成本等方面都获得了较好的效果。
参考文献：
[1] 王波，罗际，朱睿.汽车造型设计的线-型分析方法.汽车工程，2010，（6）： 470-476
[2] 胡国强，闵建苹等.基于Alias自由曲面汽车造型设计.汽车工程师，2011，（5）：21-24
[3] 欧阳波，王枫红，贺赟.基于Alias 的自由曲面逆向造型设计.东华大学学报，2010，9（4）：389-392
[4] 彭岳华.现代汽车造型设计.北京：机械工业出版社，2011
[5] 孟伟东， 黄永青， 陆青等.面向汽车造型设计的自适应交互式遗传算法.计算机工程与应用，2012，10（21） ：240-243
【关键词】逆向造型、正向造型、特征线、A级曲
0引言
汽车外造型直观体现综合设计构思及审美学、材料学、新工艺等社会科技的进步与发展，已成为提升汽车产品市场竞争力的最活跃因素，也是整车开发过程的初始环节和关键环节。按照设计任务的不同，数字化汽车外造型流程划分为产品规划、二维设计、三维设计和样车试制四个阶段。传统的三维设计是一种基于油泥模型的逆向设计，过程反复，耗时且成本高。随着数字化设计技术的不断进步和应用，汽车外造型设计流程也不断变化、更新和发展，本文围绕造型的四个阶段，在分析了传统数字化逆向设计流程的基础上，研究数字化正向设计关键技术，并应用于某轿车外造型设计[1-3]。
1 数字化逆向造型流程
逆向工程技术（RE， Reverse Engineering） 是传统数字化设计的关键技术，即根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据（包括设计图纸或数字模型 ） [4]。由于组成车身外形的各个零件多为尺寸大而形状复杂的空间曲面，不能用一般的二维机械制图方法将它们完整、清晰地表达出来，需要建立车身表面三维立体模型，而将初期构思完成的二维效果图转化成三维数字化模型的过程离不开油泥模型的制作和逆向输出三维数据。
1.1 实体油泥模型
实体油泥模型的制作过程包括小比例模型制作、模型完善和等比例实体模型制作三个阶段。小比例模型制作是在效果图通过评审之后，借此可以直观地反复推敲和完善各个汽车外造型方案的型面和细节；模型完善主要是根据选定效果图方案制作1：1油泥模型胶带，通过对胶带随时粘贴或撕下，可以直接对胶带图进行修改和调整，以确定最终的轿车轮廓曲线；等比例实体模型制作是根据最终方案按照1：1比例制作和真车尺寸、造型完全一致的实体模型，设计人员可以对车身表面的细节部分进行再比较和修改。
1.2 逆向输出三维数据
逆向输出三维数据的过程就是根据等比例实体模型输出外造型三维数据，其方法是首先借助三坐标测量机采集等比例油泥模型零件表面特征点，然后对采集的特征点进行三坐标计算等预处理，形成点云数据，再按照结构对数据进行划分并用连续曲面拟合数据，从而获得三维模型数据，实现三维模型的构建。
1.3 逆向造型的特点
汽车外造型逆向设计应用了大量油泥模型和数据逆向技术，无论是整车框架还是具体细节上的修改和定型都需要制作不同比例油泥模型并不断修改完善，这就需要大量的时间及人力物力资源。此外，手工油泥模型在制作上很难达到要求的曲面设计质量精度，在设计理念的理解上也存在一定的偏差。由此可以看出，采用逆向造型容易引起开发产品质量较低，设计费用成本高昂，设计周期长等问题，显然已经无法适应新车型的快速更新换代。
2 数字化正向造型流程和关键技术
计算机辅助造型（CAS， computer aided styling）是基于特征造型和参数化、变量化设计的复杂曲面构建基本技术[5]。正向造型过程是根据二维效果图和大致的性能技术参数，借助于计算机辅助造型技术直接建立三维数字化模型。汽车外造型属于复杂A级曲面，其造型形态的全部信息可以通过构成曲面的点、线、面等基本元素反映，将这些基本元素定义为曲面特征，则正向外造型过程实质上就是利用这些曲面特征设计进行A级曲面造型的过程。一个完整的正向造型流程包括二维效果图设计、曲面特征提取和表征、初始外表面的构建、A级曲面造型、等比例油泥模型的CNC加工和数字验证模型的构建等六个主要环节。其中等比例油泥模型是根据创建的三维数字模型数控加工而成，不同于正向过程中的手工制作。本文仅对流程中的两项关键技术进行深入分析。
2.1 外造型特征曲线提取和表征
特征的提取和表征是一个解构汽车造型的过程。从反映造型的角度来看，特征点对造型描述不充分，特征面最能表达形态的全部内容，但过于复杂，不易被表达，而特征线是造型的主要成分，几乎携带了造型形态的所有信息，所以特征的提取和表征主要是特征线的提取和表征。特征线按照所处面的重要性不同，划分为主造型特征、过度造型特征和附加造型特征，分别处于主造型面、过渡面和局部造型区域面上。其中，主造型面构成了汽车造型的基本形态和结构，主面之间通过过渡面连接，主面上附加的形态属于局部造型面。三个不同层次的特征构成了一个树形造型特征体系，特征线的定义和提取对重建曲面模型的品质和精度起着重要作用。外造型特征的表征是对特征线的拟合和逼近，3B样条曲线是广泛采用的拟合算法，具有更高阶连续性和更加灵活的特点。图1为项目利用三维造型软件完成的某款车外造型主特征线的3B样条曲线。
由图1可以看出，主特征线刻画了该车外型的主要造型轮廓，其提取和表征是根据二维效果图定义外型轮廓特征线，再用3B样条曲线拟合这些特征线，从而得到外造型轮廓曲线。
2.2 外造型A级曲面构造
合理规划曲面分块和曲面构建顺序对生成高质量曲面具有重要作用，因此在构造曲面之前，一定要规划合理的曲面片生成顺序和方法。一个完整的曲面构建过程大致分为三个阶段，第一阶段为初始外表面数模构建，第二阶段为工程分析，第三阶段为外表面完善。 （1）第一阶段项目首先对外造型划分了多个特征块并分别进行基本曲面初始构建，即构建主要型面，反映造型的总体特征，但不要求很高的曲面质量。将创建的初始三维外表面整体风格和造型特征与二维效果图对比，确定是否符合设计方案所要表现的意图。图2为第一阶段构建的外造型初始A级曲面模型。
外造型初级A级曲面模型是在特征样条曲线模型的基础上，由B曲线生成Bezier曲面，再根据特征进行优化，得到初始外表面三维数字模型。构建这一模型的主要目的是提供给结构工程师、CAE工程师做初步的空间总布置分析和人机工程校核。
（2）第二阶段主要是根据产品结构和工艺要求定义面的过渡和连接、零件相互间的落差和间隙，如零件之间的装配关系、运动干涉、安全间隙等标准，形成设计公差规定文件DTS，提供给外造型设计，以便进一步完善三维曲面模型。图3为该车后保险杠本体和后保险杠左装饰板之间间隙定义。后保险杠本体与后保险杠左装饰板之间间隙A的DTS定义为0.0mm，如果增大此处间隙，将严重影响外观品质
改变间隙不仅影响美观，还可能造成保险杠装配干涉，因此车身的外表面设计和最终产品装配后的状态都要符合根据零件结构和工艺制定的合理间隙值。
（3）第三阶段是根据设计公差规定文件对外表面数模进行修改完善，并完成外表面的细节设计，包括零件的倒角、断差和分缝等。图4为完善后的该车外型数字模型。
比较图4和图2可以看出，曲面增加了光滑过渡的倒角和细节特征的添加，并符合设计公差规定文件DTS要求，形成了最终的A级曲面模型。将设计的A级初始曲面和效果图对比，一致性很好，准确反映了造型总体特征，至此，一个正向 整车外造型数字化设计完成。
3 结论
汽车外造型数字化正向造型过程是从二维效果图到三维数字化模型的直接转化过程，避免了传统逆向造型过程中依赖油泥模型进行三维数据采集和处理的缺陷，其中外型复杂曲面特征的提取和表征、A级曲面构造是这一流程的两项关键技术。将正向造型流程应用于某款轿车外表面数字化造型，在造型精度、成本等方面都获得了较好的效果。
参考文献：
[1] 王波，罗际，朱睿.汽车造型设计的线-型分析方法.汽车工程，2010，（6）： 470-476
[2] 胡国强，闵建苹等.基于Alias自由曲面汽车造型设计.汽车工程师，2011，（5）：21-24
[3] 欧阳波，王枫红，贺赟.基于Alias 的自由曲面逆向造型设计.东华大学学报，2010，9（4）：389-392
[4] 彭岳华.现代汽车造型设计.北京：机械工业出版社，2011
[5] 孟伟东， 黄永青， 陆青等.面向汽车造型设计的自适应交互式遗传算法.计算机工程与应用，2012，10（21） ：240-243