汽車車身逆向工程設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

摘 要：逆向設(shè)計并不是簡單地復(fù)制，而是要在逆向過程中增加一些特征要素，設(shè)計出工藝性更好，質(zhì)量更高的產(chǎn)品的過程。該文主要探討汽車車身逆向設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)特點。

關(guān)鍵詞：逆向； 轉(zhuǎn)化； 坐標； 測量

中圖分類號：TH12 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2016）03-183-002

逆向設(shè)計的核心思想是將實物模型轉(zhuǎn)化為計算機能夠表達的三維數(shù)模的一種過程。簡單地說就是從實物到圖樣的過程。逆向工程設(shè)計的核心思想是以實物模型為參考，增加我們自己的創(chuàng)新知識，設(shè)計出符合要求，又要高于原來實物的設(shè)計過程。這就相當于我們過去常講的類比設(shè)計。本文就是基于這樣的目的，探討逆向工程設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。

一、車身模型的測量

車身的測量根據(jù)測頭與車身模型是否接觸分為接觸式測量與非接觸式測量。接觸式測量主要采用三坐標測量機，非接觸式測量又包括激光測量和結(jié)構(gòu)光測量。接觸式測量優(yōu)點是精度高，缺點是效率比較低。測頭的大小與接觸力的大小對測量的精度都有影響。非接觸式測量優(yōu)點是效率高，缺點是精度低一些。

1.車身模型坐標系的確定

為了方便測量及測量后的數(shù)據(jù)處理，首先要確定車身坐標系。對于轎車車身，一般以汽車前軸的中心為坐標原點，向后為X軸，向右為Y軸，向上為Z軸。具體的做法是將車身支撐固定在單臂或雙臂的劃線機（三坐標測量機）。根據(jù)測量的結(jié)果，調(diào)整車身的前、后、左、右等位置，最后確定車身沒有發(fā)生大的扭曲變形，直到正確為止。

2.貼車身Mark點

對于汽車車身，現(xiàn)在通常的做法是采用非接觸測量方法，比較常用的是采用結(jié)構(gòu)光的照相法。照相法的測量核心就是點云片的拼接技術(shù)。首先在車身的表面噴灑乳白色顯像劑，然后在上面貼Mark標記點。Mark標記點實際上是后序測量的點云片的拼接所用的定位點。

標志點不要貼成直線，貼標記點的原則是三維掃描的每幅幅面的范圍內(nèi)應(yīng)該擁有四個標記點，四個標記點盡量能夠分散，盡量不要在孤立位置和曲率變化較大處。分散的目的就是將來依據(jù)標記點拼接的時候，可以將拼接誤差盡量地減小。標記點貼的質(zhì)量直接影響測量的精度。隨著計算機技術(shù)和圖像處理技術(shù)的提高，單幅點云的精度一般都比較高，但是不同的掃描系統(tǒng)之所以出現(xiàn)比較大的質(zhì)量差別，就是因為點云片的拼接技術(shù)存在差別。

3.測量車身Mark點

標記點是用于點云片的定位的。因此，標記點測量的準確與否對整個車身的測量精度至關(guān)重要。測量的方法一般是采用高精度的相機，在車身上一般還要放置一些測量基準桿件，作為圖像處理時的標定。對車身上的所有標記點從不同角度進行大量的拍攝。然后進行圖像處理，獲得標記點的三維數(shù)據(jù)。

4.車身曲面片測量

采用三維掃描儀測量，當標記點測量之后，一般在進行這部分測量的時候，測量的順序就沒有過高的要求，因為測量的每一片點云是靠上面的標記點進行拼接的。也就是點云片之間沒有誤差累積的問題。測量的時候，要注意的是測量的每一片點云至少要包含三到四個標記點，包含的越多，拼接的精度越高。因為拼接時是點云片上標記點要與已經(jīng)測量的標記點框架匹配。因為兩次測量，就是對與同一個標記點也會存在測量誤差。所以在拼接的時候，點云片上的標記點都要參與標記點框架的匹配，這樣測量誤差就會減小。

二、車身點云的數(shù)據(jù)處理

1.數(shù)據(jù)預(yù)處理

在車身測量的過程中，由于光線的明暗、輔助工具的介入、測量儀器的偶然因素、操作者的操作水平等因素，如果采用接觸式測量，測量時的震動等都會對測量出來的數(shù)據(jù)點產(chǎn)生一定的影響，測到的點是錯誤的，我們可以認為是測量噪聲或壞點。不論采用什么方法測量都會產(chǎn)生壞點，一般是不可能全部避免的，關(guān)鍵是要掌握如何剔除的方法。

（1）首先要反復(fù)觀察被測量的物體與已經(jīng)測量的點云數(shù)據(jù)，壞點非常容易判斷，比如測量車身，有些數(shù)據(jù)點跑到車身的外面或內(nèi)部，這就是壞點，必須手工刪除或采用軟件刪除。

（2）軟件剔除，比如剔除遠離的分散點等，但是有時效果不太好。

（3）有時直接觀察離散點，因為沒有消隱，分辨起來有一定的困難，這時可以將點云進行鋪面（做成三角面）渲染，使點云看起來比較像實體，就非常方便消除壞點了。

2.點云的渲染

對點云鋪面渲染，點云看起來比較像實體。這樣操作的目的是便于后續(xù)在做曲面的時候，容易分析曲面的大小，方便曲面規(guī)劃設(shè)計等。

三、車身曲面逆向工程設(shè)計

1.設(shè)計的基本流程

（1）車身坐標系的確定。根據(jù)車身在測量前的固定位置和汽車車身坐標系的規(guī)范等，要采用坐標轉(zhuǎn)換的方法，確定汽車車身坐標系。以汽車的前軸中心為坐標原點、向后為X軸、向右為Y軸、向上為Z軸。

（2）分析被測量車身的部位與功用，這點非常關(guān)鍵。比如如果車身是外覆蓋件，那么，一般要求車身的表面是A級面，曲面要求光順。對于車身的內(nèi)板件，一般不要求A級面，但是要求在滿足功能的前提下，要滿足沖壓、焊接等工藝性的要求。這時做出的面可能與點云有比較大的誤差。

（3）分析是否變形。這個車身是否變形，變形量大概有多少要了解。因為車身零件是薄壁件，變形是非常正常的情況，那么在設(shè)計的時候必須分析出來。如果按點云來做，可能會將原來件上的毛病也制造出來了，這種情況一般會出現(xiàn)在制造和設(shè)計經(jīng)驗不足的設(shè)計人員身上。

（4）要從全局來分析曲面的大小。在車身上有時經(jīng)常出現(xiàn)，不同部位的車身，理論上應(yīng)該是一個大面，而不是幾個小面。如果幾個小面單獨做，這樣制造出來后，在曲面分析的時候會發(fā)現(xiàn)車身曲面的光順性和美觀程度有毛病，因為理論上應(yīng)該是一個大面的情況下，先做的幾個小面不可能共面。因此會出現(xiàn)問題?？傊?，曲面盡量要做大面，要揣摩正向設(shè)計的設(shè)計思路，從根上來從事設(shè)計，更能抓住本質(zhì)，抓住設(shè)計的靈魂。

四、車身逆向?qū)嵗?/p>

在構(gòu)造曲面的過程中，根據(jù)車身的各部分的功能分析，如果是部分曲面可以是簡單曲面，比如平面、圓柱面、圓錐面和球面等。那么我們就可以采用快速構(gòu)造曲面的方法快速構(gòu)面，并且根據(jù)需要盡量擴大曲面，便于曲面的裁剪。

構(gòu)造曲面不一定非要提取特征線。對于車身的自由曲面，雖然有些文獻介紹各種提取特征線的方法，但是在實際使用的過程中，應(yīng)該還有很大的局限性，有的獲得曲線使用起來對我們的設(shè)計反而造成困難。比如有的文獻可以提取兩個曲面的交線，但是實際上，在正向設(shè)計的過程中，一般的情況下，曲面的交線是兩個曲面互相裁剪而得到。如果我們采用提取的邊界進行構(gòu)造曲面，這時可能造成構(gòu)造的曲面的參數(shù)線是扭曲的。