通過ICEM Surf 建立汽車A級曲面的評價體系

通過ICEM Surf 建立汽車A級曲面的評價體系

來自專欄 CATIA與工業設計的協同應用

工業技術進步使產品固有質量日趨同質化，同類產品質量在同級別廠商間區別已經不明顯。在這種背景下，外觀設計就成了同類產品激烈競爭的一個重要領域，也是產品取得市場成功的關鍵因素之一。汽車和某些消費品外觀由高質量複雜曲面構成，開發過程已經離不開基於計算機輔助設計系統的自由曲面設計了。

高質量自由曲面設計屬於計算機輔助設計技術（Computer Aided Design, CAD）的一個分支，ICEM Surf軟體在過去很長時間內引領了這一領域的發展潮流，也是目前得到廣泛應用的軟體系統之一，有「曲面魔術師」的美譽。著名建築設計師高迪曾經說過，「直線屬於人類,而曲線歸於上帝」。可想而知，一條優美的曲面是多麼難以渴求。而ICEM Surf在汽車設計中，經常要處理很多異常複雜的曲線、曲面問題，所以建立一套評價體系用於評價汽車A級曲面的質量則顯得尤為重要。

A級曲面定義

在整個汽車開發的流程中，有一工程段稱為

Class A Engineering，重點是在確定曲面的品質可以符合A級曲面的要求。 所謂A級曲面的定義，是必須滿足相鄰曲面間之間隙在 0.005mm 以下（有些汽車廠甚至要求到 0.001mm），曲率改變 ( tangency Change ) 在0.16度以下，曲率改變 (curvature change) 在0.005 度以下，符合這樣的標準才能確保板件的環境反射不會有問題。

一般來說可以用下面的條件進行描述：

1. 一般CLASS A的階次與控制點數目都不多，UV方向大概在6~8個控制點
2. 單獨一個CLASS A曲面在UV方向都保證曲率的連續性及變化趨勢的一致
3. CLASS A曲面之間的連接至少滿足切向連續
4. 使用多種數學檢驗方法來檢驗CLASS A曲面，不應該出現視覺上的瑕疵。（如使用高光等高線來檢驗時，等高線連續且過度均勻間隙均勻。一般不太可能在一個視覺方向上出現多個高光點等）

汽車A級曲面的評價定義

汽車外表面是由多張大面、過渡面、圓角、翻邊等通過一定的幾何拓撲關係組成的幾何體集合，整車A級曲面的質量與每張小曲面的質量息息相關，因此高質量的小曲面是高質量的A級曲面的必要條件。汽車A級曲面的評價包括曲面特徵評價和曲面質量評價。特徵評價是造型人員根據汽車造型要求，評價所做的曲面是否符合造型意圖，主要作用軟體是IMA （Imagine&Shape，數字油泥）；質量曲面是工程人員根據生產可行性要求，評價所做的曲面是否符合工程可行性，主要作用軟體是ICEM Surf，這裡我們主要闡述曲面質量綜合評價體系，這是由控制點評價、曲率梳評價、斑馬線評價、高斯曲率評價等諸多綜合評價模塊共同組成的評價體系。

控制點評價

A級曲面要求其控制點排列整齊均勻，法向量指向曲面的同一側，不能有不規則的跳動，曲面邊界形狀為規則的矩形和近似梯形的四邊形。單個小曲面必須為單凸或單凹面的曲面，控制點一般小於6×6，最大不能超過8×8，且控制點在3個標準視圖上的排列有序，不能出現拐點。ICEM Surf軟體提供了不同的控制點、控制線的顯示方式，結合軟體環境中的標準視角，可對曲面控制點的排列狀態進行評價。

從圖2中可以看出，該曲面是全凸的，並且該曲面由12個曲面組成，每個曲面在u、v兩個方向上的補片數（patches）均為1。曲面控制頂點在u、v兩個方向上的次數均為4、5排控制點），其頂部曲率變化不大，所以控制點比較稀疏，而邊緣處的曲率稍有變化，所以控制點與頂部相比比較密。以上控制點的特徵說明該曲面滿足了A級曲面的要求。

曲率梳評價

曲率梳評價是A級曲面大面評價的重要手段。在ICEM Surf軟體中，曲率的評價方式有小曲面u、v方向評價方式Curvature和多曲面的斷面評價方式Sections,他們均可定義曲率梳顯示的數量、比例和梳針的密度。Curvature主要針對單一曲面或連續曲面的組合；Sections主要適用於多曲面的檢測。好的曲率梳狀態應為均勻或漸變、走勢有規律、無跳動、無扭曲突變、無反曲、對稱大面無銳點的曲率梳包絡體。不同幾何憑藉條件下曲率梳的表現形式不同，根據曲線連續條件，下面分析圖3所示的幾種情況。

• 圖3a位曲線位置（G0）連續的曲率梳平鍵結果。可以看出，當曲線只滿足G0連續時，其曲率梳在連接處有夾角，而且其外緣高度也不相同。在光順實踐中，除曲面特徵要求如此，否則不允許出現這種情況。
• 圖3b為曲線相切（G1）連續的曲率梳評價情況。此時的曲線的曲率梳在公共點處無夾角，但其外援高度存在差距，這種情況對高可見區的曲面是不允許出現的。
• 圖3c位曲線（G2）連續的曲率梳評價。這種情況下，曲線曲率梳在公共點處無夾角，而且曲率梳外援也是等高的，對於車身A級曲面來說是可以接受的。
• 圖3d是理想（G3）連續的曲率梳評價。此時曲線的曲率梳在公共點處沒有夾角和差距，而且曲率梳外援也是光滑過度的，是構建車身A級曲面的理想情況。

在製作汽車A級曲面時，如果曲率梳不符合A級曲面要求，則要求打開相關曲面的控制頂點查找問題並進行修改，直到滿足要求為止。

斑馬線評價

曲面高光評價也是曲面質量評價的重要程序之一。曲面高光先的生成原理見圖4.首先要求出小曲面上某一點的法矢量與光源方向的夾角，然後把小曲面上某一點的法矢量與光源方向的夾角，然後把小曲面上具有相同夾角的帶你用曲線連接起來形成1條曲線，這就是曲面高光線。在ICEM Surf軟體中，曲面高光連續性的評價（Highlight）分為動態和靜態2種方式。動態光源與幾何體相對運動，靜態光源與幾何體相對靜止，靜態可以指定不同方向（u、v、w）的光源；動態方式重在分析曲面之間的拼接精度，靜態方式重在分析整車A級曲面的高光走勢，靜態方式又以w向為主，其他方向作為輔助評價。好的高光狀態是指條紋均勻、過度廣順、走勢有規律、五扭曲、無跳動、無斷裂等。

與曲率評價顯示方法類似，在不同的幾何拼接條件下，曲面的高光顯示效果不同，見圖5。圖5a表示高光條紋不對齊，且拼接處條紋粗細不均勻；圖5b表示高光條紋對齊，拼接處條紋為點連續；圖5c表示高光條紋對齊，拼接處條紋相切連續；圖5d表示高光條文對齊，拼接處條紋曲率連續。

ICEM Surf曲面的高光評價不僅要評價單一部件（發動機蓋、車門、頂蓋等）的曲面品質，，而且還要考慮整車A級曲面高光走勢。整車型面的高光走勢與整車造型相關，一旦油泥模型確認，整車造型的高光走勢也基本確定，這就要求A級曲面工程師在光順A級曲面時要協調好型面局部與整車的關係。

高斯曲率評價

空間曲面在一點具有一條發法線，通過該法線的平均面有無數多個，每一個平面與曲面都有一條交線，所有的交線在該點處的曲率通常是不相等的。一般講所有的曲率的絕對值的最大值稱為最大麴率。

A級曲面的高斯曲率評價方法是將曲面的高斯曲率值與特定的顏色聯繫起來。曲面某區域的高斯曲率值如果相同，則該區域的顏色就是一致的，如果曲面上的曲率有變化，則顏色會隨之變化。

由圖6a可看出，當曲面G0連續時，兩拼接曲面在邊界處有顯著的顏色變化；由圖6b可以看出，兩曲面拼接邊界處的顏色變化比G0連續時要好，但變化還是比較大；圖6c顏色變化比較均勻，這是做車身A級曲面的基本要求；圖6d情況下的兩曲面的拼接處完全沒有分界線，顏色過度自然，品質非常好。

連續性精度評價

在工程實踐中，除對車身A級曲面進行上述評價外，還要對曲面拼接連續性的精度進行評價。對於高質量的A級曲面的基本曲面，G0連續的最大偏差值＜0.005mm，G1連續的最大偏差值＜0.05°，而G2連續的最大偏差值＜0.5mm-1。

車身A級曲面質量綜合評價標準及權重

根據車身A級曲面各種評價體系的作用，用百分制來建立一個綜合評價體系。

在評價汽車車身A級曲面是，首先要關注其基本曲面。基本曲面的內部質量及其連續性評價可以從曲面的補片數、階次、控制點的排列及其截麵線的曲率梳、斑馬線和高斯曲率圖顏色變化等方面入手。因為基本曲面影響到後續過度曲面的構造和連續性，所以給出了50%的權重。

過渡曲面內部質量及其連續性同樣也可以從曲面的補片數

、階次、控制點的排列及其截麵線的曲率數、斑馬線和高斯曲率圖顏色變化等方面著手，但相比基本曲面其要求相對較低，所以給出了35%的權重。

如果基本曲面和過渡曲面構造精確，那麼基本曲面與過渡曲面的連續性評價只用曲率梳、斑馬線和高斯曲率圖來評價即可，所以其占的比重最低，僅給出15%權重。

結語

在ICEM Surf軟體中，我們利用控制點、曲率梳、斑馬線和高斯曲率等評價體系對汽車稱身A級曲面進行了評價。其中曲率梳、斑馬線和高斯曲率3種體系都可以評價單個曲面的背部品質，也可以評價曲面之間的連續性，利用這3中體系可發現曲面的問題所在，然後從相關曲面的控制點查找根本原因進行修改，使控制點排列有序，以達到A級曲面的要求。

4種主要評價體系中，曲率梳、斑馬線和高斯曲率體系反映的是曲面問題的表象，而控制點排列才是曲面問題存在的根本原因，所以在A級曲面評價中要注重控制點的排列。

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