淺談逆向工程技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用

張倩穎　路有

摘 要：當(dāng)今社會(huì)，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的迅速發(fā)展，很多的產(chǎn)品都需要一體化的解決方案，這一過程就是從樣品—數(shù)據(jù)—產(chǎn)品的過程，通過逆向工程技術(shù)可以將異形曲面轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字建模，使得新產(chǎn)品面世速度加快，產(chǎn)品外觀復(fù)雜性、新穎性及制造的精度提升，與此同時(shí)，也使得產(chǎn)品研發(fā)成本極大降低。逆向工程是一種重構(gòu)手段，它更新了加工制造業(yè)的加工方法，并且變得更加高效，實(shí)現(xiàn)了將實(shí)際物體轉(zhuǎn)變成幾何模型這一過程，當(dāng)今此技術(shù)已是現(xiàn)代企業(yè)更新開發(fā)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要手段。當(dāng)今，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維造型這一技術(shù)，特別是利用逆向工程技術(shù)，這一技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)上已得到廣泛的應(yīng)用。為了解決汽車在造型方面上的難題，本文主要是借助三維掃描儀這一工具通過逆向工程對(duì)汽車進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，并介紹了逆向工程的定義、應(yīng)用等。主要講述了逆向工程在汽車造型設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，使人們更加深刻認(rèn)識(shí)與了解逆向工程的具體流程，同時(shí)更加全面的了解逆向工程的應(yīng)用。本文利用光學(xué)掃描儀的非接觸測(cè)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得汽車外形表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Geomagic軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行汽車造型表面構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)汽車的曲面重構(gòu)，得到汽車外形的三維實(shí)體模型和二維圖。這種過程與傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)的方法相比較，提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率，縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：逆向工程 數(shù)字建模 點(diǎn)云 造型設(shè)計(jì)

Discussion about the Application of Reverse Engineering Technology in Automobile Modeling Design

Zhang Qianying，Lu You

Abstract：Today， with the rapid development of advanced manufacturing technology， many products require integrated solutions. This process is a process from sample to data to product. Through reverse engineering technology， the special-shaped surface can be transformed into digital construction. The mold speeds up the launch of new products， improves the appearance complexity， novelty and manufacturing precision of products， and at the same time， greatly reduces the cost of product research and development. Reverse engineering is a reconstruction method. It updates the processing methods of the manufacturing industry and becomes more efficient. It realizes the process of transforming actual objects into geometric models. Today， this technology is an important means that updates and develops new product designs. Nowadays， the technology of using computers to carry out three-dimensional modeling， especially the use of reverse engineering technology， has been widely used in automobile modeling design. In order to solve the problem of automobile modeling， this article mainly uses the tool of 3D scanner to design automobile modeling through reverse engineering， and introduces the definition and application of reverse engineering. It mainly describes the application of reverse engineering in automobile styling design， so that people have a deeper understanding of the specific process of reverse engineering， and a more comprehensive understanding of the application of reverse engineering. In this paper， the non-contact measurement of the optical scanner is used for data collection to obtain the point cloud data of the car shape surface， and the Geomagic software is used to process the point cloud data， and the car shape surface structure is carried out to realize the surface reconstruction of the car and obtain the three-dimensional shape of the car. Compared with the traditional design method， this process improves the work efficiency of designers and shortens the development cycle of new products.

Key words：reverse engineering， digital modeling， point cloud， modeling design

1 引言

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大多都是根據(jù)市場(chǎng)的需求，通過工程師創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)勞動(dòng)，設(shè)計(jì)總體及零部件結(jié)構(gòu)，并且制訂加工工藝和進(jìn)行夾具的設(shè)計(jì)，加工完成后進(jìn)行裝配，最終檢驗(yàn)產(chǎn)品和測(cè)試其性能，將頭腦中的設(shè)計(jì)理念變成真實(shí)的產(chǎn)品。這一過程一般都需要進(jìn)行大量的市場(chǎng)調(diào)研，而且需要投入很大的人力和物力，產(chǎn)品面向市場(chǎng)也需要很多次的修改與完善，大大延長(zhǎng)了產(chǎn)品的制造周期。

逆向工程屬于軟件工程，是其中一個(gè)新興的分支，他是對(duì)已有物品相關(guān)信息進(jìn)行充分的吸收和消化，在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新和改型，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，重新構(gòu)建實(shí)體的三維模型，極大地縮短了產(chǎn)品面向市場(chǎng)的周期。逆向工程主要的作用是利用測(cè)量的設(shè)備獲取產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一整套的編輯，獲得和掃描文件相匹配的曲線或者曲面模型，存儲(chǔ)成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式，將其模型數(shù)據(jù)傳輸至CAD/CAM中，最終獲得產(chǎn)品造型的數(shù)據(jù)。

2 逆向工程的定義

逆向工程（也稱為反求工程）是產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中的再現(xiàn)，也就是說研究和逆向的分析所需設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，進(jìn)而推導(dǎo)并且獲得產(chǎn)品的功能特性、技術(shù)規(guī)格、加工流程和組織結(jié)構(gòu)，從而生產(chǎn)出產(chǎn)品的過程。逆向工程起源于軍事和商業(yè)領(lǐng)域的硬件分析，是后續(xù)進(jìn)行逆向建模最主要的步驟。他的主要目的在于通過分析成品，直接推導(dǎo)出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的原則。逆向工程（RE）是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程進(jìn)行描述。在工程設(shè)計(jì)人員的思想概念中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程是從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)過程，也就是設(shè)計(jì)人員要先在頭腦中構(gòu)思產(chǎn)品的性能、形狀和主要技術(shù)參數(shù)，然后進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，建造并完成各類模型數(shù)據(jù)，并將模型轉(zhuǎn)入研發(fā)的階段，從而實(shí)現(xiàn)完整的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程，這個(gè)完整的過程稱之為“正向設(shè)計(jì)”。逆向工程設(shè)計(jì)的過程可以看作是正向設(shè)計(jì)的反向過程，他是從產(chǎn)品到設(shè)計(jì)的完整過程。也就是說，逆向工程是在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，進(jìn)行逆向推導(dǎo)，得到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（其中包括各種所設(shè)計(jì)的二維、三維圖紙或者其數(shù)據(jù)模型）的過程。當(dāng)今，在工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，逆向工程已經(jīng)應(yīng)用了很長(zhǎng)的時(shí)間。比如說，早先在造船領(lǐng)域中船體放樣設(shè)計(jì)就是利用逆向工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的一個(gè)比較不錯(cuò)的例子。

逆向工程是一項(xiàng)技術(shù)，他基于精密測(cè)量和質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，是從現(xiàn)存產(chǎn)品的零件或我們周邊實(shí)物的原形入手，使用三維數(shù)字測(cè)量?jī)x器對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地測(cè)量，再利用所測(cè)量數(shù)據(jù)使用CAD幾何數(shù)模技術(shù)重建模型，在重建的過程中，也是對(duì)已有產(chǎn)品分析、深化和再創(chuàng)造的過程。逆向工程的建模過程包括幾方面，一般來說包括獲取和處理產(chǎn)品數(shù)據(jù)，重建產(chǎn)品三維數(shù)字化模型以及將三維模型進(jìn)行再設(shè)計(jì)等。在設(shè)計(jì)方式方面，逆向工程和傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)截然相反，逆向工程是有實(shí)際的物體作為參考，通過實(shí)際物體能夠既快速又準(zhǔn)確地建立起產(chǎn)品CAD模型，尤其是對(duì)于復(fù)雜形狀的模型更加方便，有效地縮短產(chǎn)品研發(fā)的周期。當(dāng)今逆向工程在很多方面都應(yīng)用廣泛，已經(jīng)成為新產(chǎn)品開發(fā)的重要手段，與此同時(shí)，也成為消化和吸收先進(jìn)技術(shù);實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速的發(fā)展的重要技術(shù)。

3 逆向工程的應(yīng)用

隨著社會(huì)的發(fā)展，逆向工程的應(yīng)用越來越廣泛，主要用于飛機(jī)、汽車、模具、玩具、家電等相關(guān)領(lǐng)域，他是利用現(xiàn)有的資源，實(shí)現(xiàn)了制造數(shù)字化的技術(shù)，更加方便、快捷地開發(fā)新的產(chǎn)品，使得開發(fā)和生產(chǎn)的成本大大降低，設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期大大縮短。其有如下幾方面的主要應(yīng)用：

3.1 沒有零件設(shè)計(jì)圖條件下通過逆向生成樣件數(shù)據(jù)

有很多情況下，實(shí)物都沒有設(shè)計(jì)圖紙，尤其是通過改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)物，進(jìn)行再設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)用最多。在此種情況下，通過對(duì)實(shí)物的原型進(jìn)行掃描，測(cè)量分析，最終得出測(cè)量數(shù)據(jù)，再利用相關(guān)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，并重新構(gòu)建模型，得到新的產(chǎn)品，并加工出來。

3.2 利用實(shí)驗(yàn)的模型作為依據(jù)來反求其模具

有很多飛機(jī)和汽車等零配件要通過試驗(yàn)測(cè)試才能夠進(jìn)行定型，這些一般都是通過逆向工程，等到模型實(shí)驗(yàn)合格之后，再反求他的模具。

3.3 模具相關(guān)行業(yè)

因?yàn)樵谀＞叩闹圃爝^程中，需要多次進(jìn)行試沖和修模，對(duì)于已經(jīng)修整好的模具，可以通過逆向工程一比一復(fù)制出一套和他一模一樣的模具，通過這項(xiàng)技術(shù)不僅可以節(jié)約時(shí)間，提高效率，還可以大大地降低模具的制造成本。

3.4 美學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域

通過逆向工程的技術(shù)，在改裝汽車外形，計(jì)算機(jī)仿形，新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)等方面應(yīng)用十分廣泛。

4 獲得汽車外形三維的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

我們?cè)谀嫦蚬こ讨?，?duì)需要被測(cè)物體的表面輪廓進(jìn)行特征掃描，并且獲取重建被測(cè)物體的CAD模型的三維形態(tài)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這是模型重建的基礎(chǔ)。我們通過特定的測(cè)量?jī)x器以及測(cè)量方法對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量，把物體表面的幾何形態(tài)轉(zhuǎn)換成幾何坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，用來作為建模的重要依據(jù)，我們只有獲取到正確的測(cè)量數(shù)據(jù)，才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的CAD建模。我們根據(jù)測(cè)量探頭或者傳感器是否和被測(cè)實(shí)物接觸，可以將常用的測(cè)量設(shè)備分為接觸式和非接觸式兩大類，接觸式的有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，非接觸式的有結(jié)構(gòu)光測(cè)量?jī)x、聲波定位儀等?，F(xiàn)在隨著光電檢測(cè)技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，測(cè)量技術(shù)有了很大的發(fā)展，我們這里運(yùn)用Handyscan 700手持掃描儀對(duì)汽車的外形輪廓進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。我們對(duì)汽車進(jìn)行掃描的時(shí)候，需要對(duì)掃描儀進(jìn)行標(biāo)定。若汽車為黑色或存在車燈等透明材質(zhì)，需要對(duì)汽車的表面進(jìn)行噴涂顯像劑并貼上標(biāo)志點(diǎn)，為了減小測(cè)量的誤差，我們先繞一個(gè)方向進(jìn)行掃描，掃描至車身四分之一處時(shí)，再往相反方向進(jìn)行掃描，或者直接使用遠(yuǎn)景測(cè)量系統(tǒng)，最終得到一組掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

5 汽車三維模型的重建以及再設(shè)計(jì)

當(dāng)我們完成了上述的對(duì)汽車的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取之后，我們就要對(duì)汽車三維模型的重建和再設(shè)計(jì)，這里汽車三維模型的重建主要有兩個(gè)步驟，主要應(yīng)用的是Geomagic Design X軟件。

首先我們要做的就是，根據(jù)我們所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中，結(jié)合掃描汽車的實(shí)體，再通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的優(yōu)化、編輯和面片處理分析來獲取汽車的原始設(shè)計(jì)意圖，我們可以通過確定曲面的重構(gòu)以及每個(gè)裝配組件之間的位置配合的關(guān)系等進(jìn)而建立汽車的外形曲面的造型，而且在我們進(jìn)行汽車模型重構(gòu)的時(shí)候需要考慮到制造工藝性，然后我們?cè)俳Y(jié)合其內(nèi)部結(jié)構(gòu)等實(shí)際情況進(jìn)行二次再設(shè)計(jì)。我們?cè)诟鶕?jù)所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)造汽車的外觀曲面的時(shí)候，需要將外觀表面按照幾何的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，分為主曲面和輔曲面這兩大類曲面，然后我們?cè)偻ㄟ^運(yùn)用一些簡(jiǎn)單的命令，例如拉伸等，進(jìn)行構(gòu)建每個(gè)主曲面，輔曲面我們可以通過像圓角面等命令進(jìn)行構(gòu)建。

在當(dāng)今社會(huì)中，很多企業(yè)都將逆向工程技術(shù)和CAD/CAM相互結(jié)合，這種應(yīng)用對(duì)于企業(yè)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)等用處很大。隨著此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用的日趨廣泛，這一點(diǎn)在我們對(duì)外進(jìn)行技術(shù)服務(wù)的過程中深有體會(huì)，尤其是汽車改裝、賽車制造等領(lǐng)域利用這項(xiàng)技術(shù)更加受歡迎。雖然工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員對(duì)逆向工程技術(shù)的了解時(shí)間比較短暫，只有十幾年甚至幾年的時(shí)間，但是當(dāng)今工程技術(shù)人員已經(jīng)越來越關(guān)注逆向工程技術(shù)的應(yīng)用前景，因?yàn)檫@對(duì)我們國(guó)家提升汽車制造行業(yè)的技術(shù)含量，對(duì)于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的提高有推波助瀾的重要作用。

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