逆向工程技術在某皮卡車身開發(fā)中的應用*

馮蘭芳，張 坤，惠延波，邢志偉，豐文燕

(河南工業(yè)大學 先進制造研究所，河南 鄭州 450007)

逆向工程技術在某皮卡車身開發(fā)中的應用*

馮蘭芳，張 坤，惠延波，邢志偉，豐文燕

(河南工業(yè)大學 先進制造研究所，河南 鄭州 450007)

介紹了逆向工程技術的基本理論知識和在實際應用過程中一些關鍵技術處理方法，并依托某皮卡車身開發(fā)的流程，具體闡明了逆向工程技術在車身Class-A(造型)面和結構件設計過程中的實際應用方法，論述了逆向工程技術在某皮卡車身設計開發(fā)過程中的重要性。運用逆向工程技術可以大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，提高工作效率，是現(xiàn)在汽車工業(yè)領域最重要的產(chǎn)品設計方法之一，也是產(chǎn)品快速創(chuàng)新開發(fā)的重要途徑。

逆向工程；車身；Class-A面；結構件

Abstract: In this paper，the basic theory of reverse engineering technology knowledge and some key technologies in the practical application process are introduced, and relying on a pickup body development process, the practical application of reverse engineering methods in Body Class-A (shape) surface and structural parts design process are specifically illustrated，the importance of reverse engineering technology in a pickup body design and development process is discussed. The application of reverse engineering technology can greatly shorten the development cycle of new products, and improve work efficiency, which is one of the most important product design method in the automotive industry now and is also an important way to the development of rapid product innovation.

Key words: reverse engineering；car body；Class-A surface；structural parts

0 引 言

一部汽車的車身，不僅直觀的反映出了該車的整體質量，而且也反映出了其背后研發(fā)團隊和支撐企業(yè)的綜合實力，甚至能反映出一個國家的工業(yè)發(fā)展水平。車身工程一直是發(fā)展最為迅速而且生命力也最旺盛的一個分支，但車身的生存周期一般是3～5年，因此，誰能在最短的時間內推出具有外形美觀，性價比高，經(jīng)濟適用等優(yōu)點的競爭車型，誰就占領了市場，才能生存。在這種嚴峻的競爭壓力下，逆向工程技術在新產(chǎn)品的開發(fā)中已是必須要采用的技術之一。

1 逆向工程技術概述[1]

逆向工程(Reverse Enginnering)也叫反求工程，廣義上來說，逆向工程包括影像反求、軟件反求和實物反求等三方面?，F(xiàn)在我們所說的逆向工程大多指的是狹義上的逆向工程技術即實物反求工程，其主要包含三大關鍵部分，即：實物測量，數(shù)據(jù)(點云)處理，模型重構。其中，實物測量主要有兩種方法：接觸式和非接觸式測量。前者使用的設備主要是三坐標測量機(CMM)或機械手臂式測量機，而后者主要使用的設備有兩種：一種是基于激光測距法技術的三維掃描儀，如：加拿大Creaform公司的HandyScan 3D。另一種是基于白光(彩色)光柵編碼法技術的三維掃描儀，如：德國Gom公司的ATOS。數(shù)據(jù)處理一般采用專業(yè)逆向軟件，目前四大主流逆向軟件是：Imageware，Geomagic Studio，Copy CAD，RapidForm。正向建模軟件主要是：Catia，Ug，Pro/E，SolidWorks。各個軟件主體功能相似但是也各有所長，各公司會依據(jù)本公司實際情況需要決定采用那種逆向和正向軟件以及選擇何種測量方法。

2 三維數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理[2-3]

基于車身開發(fā)流程，要對油泥模型和標桿車進行三維掃描。采用目前行業(yè)內普遍采用而且功能先進的三維光柵投影式測量儀-德國gom公司生產(chǎn)的Atos。圖1所示為Atos正在采集零件表面三維數(shù)據(jù)。

但是在實際掃描中還經(jīng)常會遇到一個問題就是一些構件表面非常光滑，對光線有很強反射能力，比如，標桿車車身，車玻璃，車燈等，如果不預處理，不但掃描的速度很慢，而且質量非常差。所以，為了加快掃描速度提高掃描質量一般都會對構件表面噴涂一層顯像劑。噴涂后的物體(車身)效果如圖2所示。

圖1 ATOS掃描現(xiàn)場 圖2 噴涂顯影劑和貼有Mark 標記點的標桿車

掃描得到的初始點云數(shù)據(jù)不可避免帶有噪聲點，且點云數(shù)據(jù)量非常龐大，不能直接導入正向建模軟件進行處理，一般都要將其導入專業(yè)逆向軟件進行預處理。

點云處理的一般步驟可以歸納為如下幾點。

(1) 物理性修剪，對點云數(shù)據(jù)中可用肉眼直接識別的壞點，散亂點，和非掃描對象的數(shù)據(jù)點利用Remove命令直接剔除。

(2) 多視對齊，在實際測量時，通常很難一次就能完整的測量出實物的表面，這就需要從不同的視角對實物進行多次測量，然后采用多視對齊技術將多次測量得到的點云統(tǒng)一起來，最終得到理想的完整實物點云數(shù)據(jù)。這是數(shù)據(jù)處理重要的一步。究其原理，可歸納成為一個高度非線性問題，點云對齊主要就是研究怎么樣能找到快速有效的求解方法，其中最著名的是Besl和Mckay與1992年提出的ICP算法。

(3) 精簡數(shù)據(jù)，利用Filter命令進行濾波處理，這樣可以降低點云密度，濾除噪聲點，常用的過濾方法有曲率過濾法(Adaptative)和球過濾法(Homogeneous)。經(jīng)實驗驗證，本文采用第一種方法。因為曲率過濾法是根據(jù)曲面曲率變化確定點的取舍，在曲率變化小的部分過濾更多的點，而在曲率變化急劇區(qū)域過濾的點比較少，可以使特征更加明顯。常用算法是根據(jù)弦偏差過濾點云(根據(jù)點與點間弦高差，把設置偏差量以內的點過濾掉)，設置的弦偏差數(shù)值越大，被過濾的點越多。而球過濾法適用于對某些較為規(guī)則的局部模型特征點云的處理。采用上述兩種過濾方法處理后的效果如圖3、4所示。

圖3 采用Homogeneous法過 圖4 采用Adaptative法過濾 濾后的Class-A面點云 后的Class-A面點 數(shù)據(jù) 云數(shù)據(jù)

(4) 網(wǎng)格化：所謂網(wǎng)格化其實就是將三維點云數(shù)據(jù)三角化，增加可視性。圖5為網(wǎng)格化的Class-A面點云數(shù)據(jù)圖示。

圖5 網(wǎng)格化后的Class-A面點云數(shù)據(jù)

3 車身曲面逆向工程設計[4-7]

3.1 標桿樣車整車參數(shù)獲取

筆者根據(jù)某公司的整車開發(fā)流程，首先根據(jù)標桿樣車確定了整車坐標系，再通過對整車參數(shù)的測量，初步確定了底盤等關鍵部位的安裝硬點。

3.2 確定數(shù)模構建基準

一般來說，汽車車身的結構都是左右對稱的，所以Z-X平面可以作為一個基準面。首先在點云數(shù)據(jù)中找到一個與車身坐標系中的X-Y平面平行且面積最大的區(qū)域，在此區(qū)域做2個點的連線，間距盡量大，在次連線上取一點，將此點沿X軸方向拉伸得直線，再將此線沿Y軸拉伸，既得一個平面。并將此平面確定為基準面。

再根據(jù)此零件上的關建孔中心點確定一個與Y-Z平面平行的基準面，這樣就確定了數(shù)模構建基準。

3.3 數(shù)模構建

有了以上的準備工作，就可以進行逆向建模了，但是，車身在逆向建模時首先進行Class A(造型面)建模然后結合車身制造四大工藝要求和已凍結的車身A面逆向標桿車的關鍵件和大件，最終完成整車數(shù)模結構件建模。

因為Class A大部分是由復雜的曲面和不規(guī)則三維曲面構成，曲率變化很大，很難用一般的正向設計方法去建模，而且對其建模要求又非常高非常嚴格。所以在逆向過程中采用的方法也與結構件的逆向有所差別，對于汽車A面的逆向建模，首先需要將網(wǎng)格化點云數(shù)據(jù)進行分塊，分別構造基礎曲面，然后通過橋接，過渡，裁剪等細節(jié)特征處理，最后在對曲面進行調整和光順。最終得到成型曲面。

曲面重構主要采用NURBS曲線曲面技術。自由曲面一般是用參數(shù)曲面表示，常用的有Bezier、B-Spline和NURBS等表示方式。NURBS曲面是解析曲線曲面和自由曲面的綜合曲面(非有理B樣條、Bezier曲面都是NURBS的特例表示形式)，由雙參數(shù)變量分段有理多項式定義的NURBS曲面是：

(1)

令:

(2)

若在非均勻參數(shù)軸上定義的結點矢量S,T則具有下述形式：

(3)

(4)

由S，T定義的曲面是非均勻、非周期的有理B樣條曲面，簡稱NURBS曲面。

基于上述理論，CATIA提供了三種曲面重構方法，Sweep，Loft，和Blend。Stitch結合。綜合利用這三種方法(第三種主要是過渡面的建立)，按照先做基礎大面，再構建過渡面，最后添加特征，如：孔，翻邊，圓角，凸臺等的建模思路，最終得到的整車Class-A面。如圖6所示。

在對白車身結構單件的逆向設計時，首先要確定本項目工作的性質(改型設計還是純逆向等)及零件的性質(材料，厚度，坐標系，工藝，功用，周邊關系等)，不能簡單地就以點云為基準逆向，還要時刻注意原設計者的設計意圖。做到不僅滿足逆向工程標準，還要滿足白車身制造的沖壓，焊裝，涂裝，總裝四大工藝要求。具體設計時，首先根據(jù)點云數(shù)據(jù)判斷哪些面與基準面平行，哪些面可以通過偏置，移動，旋轉，等方式得到，同時要判斷那些特征是關于X-Z平面對稱的，然后通過面與面的裁剪縫合等方法得到工藝數(shù)模，再經(jīng)過倒圓角，增加料厚，最終得到產(chǎn)品數(shù)模。如圖7、8所示。

綜上，要想提高質量，快速地創(chuàng)建曲面數(shù)學模型，不僅需要設計人員具有非常熟練地三維建模軟件應用能力，而且還應具有較豐富的沖壓，焊接，涂裝及總

裝工藝知識。

圖6 最終得到的整車 圖7 網(wǎng)格化后的駕駛室地 Class-A面 板原始掃描數(shù)據(jù)

圖8 最終產(chǎn)品數(shù)模

4 結 語

對逆向工程技術在車身Class-A面和結構件設計應用中的不同方法做了具體的論述。使逆向工程技術的基本理論知識在實際應用中得到了具體體現(xiàn)。更加突出逆向工程技術在現(xiàn)代汽車工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)中心的實際作用和意義。隨著CAD/CAM/CAE技術和計算機技術的不斷發(fā)展，逆向工程技術和有限元分析技術的聯(lián)合使用將更加突出其在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)中的實際意義和巨大作用。

[1] 張晉西，郭學琴，張甲瑞.逆向工程基礎及應用實例教程[M].北京：清華大學出版社,2011.

[2] 劉偉軍,孫玉文.逆向工程原理、方法及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2009.

[3] 龐 劍,諶 剛,何 華.逆向建模技術與產(chǎn)品創(chuàng)新設計[M].北京：北京理工大學出版社,2006.

[4] 劉文祥. 基于逆向工程的現(xiàn)代車身設計方法的研究和應用[D].北京：中國農業(yè)大學，2005.

[5] 劉浩,程培元，杜華平. 逆向工程設計[J].汽車科技，2002(6)：4-5 .

[6] 李書生,徐萬紅，王韶春.汽車車身逆向設計法的研究[J].沈陽工業(yè)大學學報，2009，26(6):616-618.

[7] 趙 錢.基于CATZAV5的汽車車身逆向設計[J].機械，2010(7)：40-41.

Application of Reverse Engineering Technology in the Development of a Micro Bus

FENG Lan-fang， ZHANG Kun，HUI Yan-bo，XING Zhi-wei，F(xiàn)ENG Wen-yan

(AdvancedManufacturingResearch,HenanUniversityofTechnology,ZhengzhouHenan450007，China)

2014-06-30

河南省科技基金資助項目(編號：112102210470)

馮蘭芳(1964 -)，女，江西南昌人，副教授，主要從事逆向工程、有限元分析等研究工作。

U466

A

1007-4414(2014)04-0062-03