骑式摩托车油箱三维CAD建模技术
随着摩托车产品数字化设计的进程，建立摩托车产品的CAD模型成为摩托车新产品设计的基础。其中，复杂曲面的CAD建模是摩托车建模的重点和难点。本文以一款全新设计的摩托车油箱为例，探求摩托车曲面建模的规律。 2 Y7 ^% e1 ]2 v1 X- L
一、 骑式摩托车油箱结构 7 P3 h8 q! ~/ b( ~
骑式摩托车油箱在满足储存燃油功能的同时，一直是整车造型设计的重要内容，对其表面质量、外观形状有着很高的要求。油箱的主要结构由油箱体、油箱盖、油位传感器、燃油开关组成。其中，油箱体的结构如图1所示，油箱上体、油箱下体的3D建模是油箱建模的主要内容。
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图1 油箱体结构 7 u @3 ~" y. J! [" F# A- d# {: s
二、 油箱上体3D建模 ) t& `: t( o T8 a8 N
油箱上体的数据来源于油泥模型。利用Atos测量油箱得到大量的点云数据，数据量大，数据点的排列不隐含任何的数据组织形式，并且还有许多背景杂点，需要利用Surfacer软件进行数据预处理，主要包括数据稀疏、分层放置、截面处理、去除噪声点等过程。图2所示为经过Surfacer处理后，导入UG软件的摩托车油箱的点云数据。$ P# f% n, H: R" c
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图2 油箱点云数据
& M; `. S/ B0 u: x) r/ `; F% J 由于UG软件基于NURBS技术进行曲面造型，因此，对于油箱的复杂曲面需要采用分块重建，构造满足G1连续的过渡曲面的方法。如何对复杂曲面合理的分块，判断曲面的连续边界是造型的关键，经常需要多次的尝试、调整才能完成。
; S2 @8 x1 B6 b$ H" x0 b1.曲面分块 9 v2 h+ Q0 p3 Y
在摩托车油箱造型过程中，经常要先设计主要型面，型面之间的交线构成造型特征线，它是外观设计重点处理的部位。然后对交线进行倒角处理，形成光滑的曲面。因此，对复杂表面分块，规划曲面重建过程，就是对油泥模型造型过程的一个追溯。对复杂表面进行面片的划分时，关键是抓住特征，同时要均衡考虑两个因素:一方面，单个曲面尽量简单，以利于模型的构建;同时，总的曲面数量在能够反映特征的前提下要尽量少，以避免所构建的模型表面过于琐碎。
* n2 P5 @. z3 [# v( }4 p6 C 在图3所示油箱曲面主型面和特征线中，曲面A~L是主型面，除特征线L1~L5外，其余特征线均可直接进行倒角连接。L1~L5所表达的正是摩托车在造型过程中用的越来越多的曲面倒角逐渐消失的手法，使得曲面A、B、C、D之间没有明显的过渡曲面，是整个曲面重建的难点。
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图3 油箱曲面主型面和特征线 ' m# j* g7 N( y% w7 @+ ^
大部分主型面可以采用单个基本曲面描述。但对于曲面A~D和I，需要进一步分为基本曲面和连接曲面，虚线所示为分块边界。分块确定后，就可以进行基本曲面和连接曲面的建模工作。
! C) h2 k) n; Y" y 2.基本曲面模型的建立 ' R. J) T4 t$ E% S8 D8 p
基本曲面模型是指不需要通过边界约束建立的曲面，一般尽量采用简单曲面描述，例如:直纹面、拉伸面、旋转面、扫描面等。对于这款摩托车油箱来说，大部分为复杂自由曲面，需要采用网格曲线构造曲面，根据曲面的特征方向确定曲面的U、V方向，构造四边形曲面。
% C& p. Q% Y& S7 a( |* } 首先进行曲面模型粗建，直接采用已分块的点云数据，通过控制曲面U、V阶数，以及与测量数据的偏差来生成曲面。初级曲面一般只是大体反映了模型表面的特征和走势，从精度、光顺性以及面片的尺寸都需要做进一步的调整和完善。初级曲面可以通过直接调节构成曲面控制顶点，并做进一步调整，在一定程度上提高曲面质量。在这一过程中，还经常需要完成曲面的扩展工作。对于需要扩展的曲面，应该按照曲面的曲率变化规律进行扩展，虽然延伸部分的曲面没有可以对照的数据点，但也必须慎重处理，因为它决定着曲面间交线的变化规律。 2 E) i3 h' d/ }* u% j4 F2 B* s
然后进行曲面模型修改。对曲面模型进行修改是曲面重建中最重要的过程。建立曲面的曲线、曲面模型，通过对控制曲线的调整来控制曲面质量，是对曲面进行精细调整有效而准确的方法。曲线可以通过在粗建曲面上提取、投影获得，然后对曲线进行位置调整、长度调整和光顺处理。建立曲线模型时应遵守以下原则: ; N! r* n1 n) ^( ]$ d) _# v: b
(1)曲线满足精度要求; 4 }$ O( @. C; P$ T; [7 e# z3 ^1 Z
(2)曲线按照曲面的特征方向构造，尽量达到使用最少的曲线且曲线的曲率变化最为平缓的目的。同一方向的曲线要有相似的曲率变化趋势;
) E% Q& p- Q/ S* W/ U6 l5 X (3)曲线在曲面上分布的密度在允许偏差范围内应尽量降低，增加曲面的可调整性。曲面曲率变化大处，布置较密的曲线，曲面曲率变化平缓处，布置较少的曲线;
, A, V7 T- e% x2 [' f: L8 S (4)曲线主要是通过样条线描述，在保证精度的前提下，尽量降低样条线的段数和阶数，同一方向的曲线应具有相同的段数和阶数，一般建议生成3阶或4阶曲线;
8 [- _6 T7 K+ o: A+ R+ U8 E8 N (5)曲线的光顺性调节是非常重要的，利用软件的相关功能模块进行调节。曲线经过光顺处理后，在数学上保证C2连续，没有多余拐点，曲率变化均匀;
2 \. O u1 ?9 J' O: J0 _ r5 ` (6)曲线曲率要大于过渡曲面曲率值。 + L) G% K8 v" R; o/ C' h
UG软件提供了大量的曲线分析和调整工具，熟练掌握和使用这些工具是快速重构曲面的基本保障。UG软件曲线调整最常用的是“Edit Spline/Edit pole”选项。打开“曲率梳”可以实时检查曲线的曲率变化。图4所示为图3中面片C、F、I、G的曲线和曲面模型。 2 w% F t0 W4 I1 y) P' f5 r
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图4 油箱部分曲面和曲线模型
, m- j; v8 ~) `, `* h* ~. ]' `+ z 对于油箱中的对称曲面如A、B，先依据一侧测量数据，构造一半的曲面。在曲面调整到一定精度时，将构造曲面的网格线以对称平面镜像处理，将与对称面垂直方向上的曲线重新连接，进行光顺处理，生成一个对称的网格，而后构造一个完整的曲面。
: ?! l9 I+ w1 I8 E3.连接曲面模型的建立 , A+ y9 O/ _* q3 S* c
在摩托车造型中一般C1连续就可以满足造型的需要。连接曲面的产生通用的有两种方法:
3 e9 }& [5 h7 n& E* E% z. A# w6 {1 h (1) 倒角法:以需要进行连接的两曲面的交线作为导引线，进行等半径倒角或变半径倒角。不需要预先确定相切边，通过调整倒角半径值来调整曲面形状变化，逼近测量数据。通过控制相交线的光顺性和趋势可以有效地控制倒角曲面的生成质量。这是一种比较容易实现的方法;
9 I' M2 `$ d7 g0 e/ \) ?" L; n (2) 直接建模法:建立具有边界约束的连接曲面。在曲面片之间实现光滑连接时，首先要保证各连接面片间具有公共边，更重要的一点是要保证各曲面片的控制线连接要光顺，这是保证面片连接光顺的必要条件。此时，可通过修改控制线的起点、终点约束条件，使其曲率或切矢在接点保证一致。这种方法需要对连续边界和控制线进行反复的调整，不容易实现。
) Z1 v- f8 a% _: \( D% U 在建模过程中，经常同时使用到这两种方法。图5所示为曲面模型的线框显示。从中可以很容易地看出曲面的生成顺序及连接曲面的生成方式，除曲面C1～C6是直接生成具有边界约束的连续曲面外，其余连接面是通过倒角直接生成的。
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- x9 C* y- z; y% @$ d 图5 油箱曲面模型线框显示 2 T, s7 M% `. p3 X" Z: y1 M
摩托车油箱表面对曲面质量要求很高，因此在曲面建模过程中，一直贯穿着曲面质量的检查。曲面光顺性常用高斯曲率法和反射条纹法来检查，图6所示为油箱上体曲面模型光顺性检查。为了正确反映曲面的造型特征，曲面与数据的偏差一般控制在±1mm左右。
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图6 油箱曲面反射条纹检查 ; \4 y" `- }: o
油箱上体曲面完成后，利用UG功能将其增厚，转换为实体模型，然后与油箱盖配合设计注油口结构。由于油箱盖顶面与油箱上体平齐，因此特别设计出水管，以便使油箱盖内的存水排出。图7所示为油箱上体三维模型。 7 o% C9 d6 S# c V# e! g
7 J1 [( \& _& s M. B 图7 油箱上体三维实体模型
- u, x0 c; k* E 三、油箱下体3D建模 " r. |2 h& P: F0 |+ y! e9 h
油箱下体的曲面建模相对比较容易，参考同类车型的结构，满足油箱在车架上安装及油位传感器、油箱前卡耳和出油口在油箱上安装的需要，按照出模方向设计曲面。一般通过对拉伸曲面进行倒角连接，就能完成造型。油箱上体与油箱下体的焊接滚边需要配合设计。图8所示为油箱下体三维模型。
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; @; O; A& @. [0 K) a7 @' J4 A 图8 油箱下体三维实体模型
5 t1 n3 D0 c0 h) H2 s! J 在油箱所有零部件三维模型完成后，进行虚拟装配检查，如图9所示。审定后的模型，可以直接传给模具厂，进行模具加工。
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图9 油箱三维模型 4 p5 Q2 H" A' x3 t, H i7 l/ q
四、结论
+ \/ X& v; v1 Z! d' O3 P 现阶段，对于基于点云数据的复杂曲面三维建模，通用CAD/CAM软件和逆向设计软件相结合是行之有效的方法。其中，对复杂曲面的合理分块，判断曲面的连续边界是造型的关键。曲面的质量取决于曲线的质量，对曲线进行调整是曲面建模的主要工作。
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