運(yùn)用逆向設(shè)計(jì)的原理，以保時(shí)(shí)捷汽車(chē)模型車(chē)身為研究對象，利用激光掃描獲得車(chē)身表面的點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)；用Geomagic Wrap(原Studio)軟件對點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)(jìn)行體外孤點(diǎn)(diǎn)、噪聲點(diǎn)(diǎn)的去除以及點(diǎn)(diǎn)云拼接與對齊；然后用軟件進(jìn)(jìn)行由點(diǎn)(diǎn)—線(xiàn)—面的曲面重構(gòu)過(guò)程，并對曲面進(jìn)(jìn)行連續(xù)性和光順性分析，得到質(zhì)(zhì)量良好的汽車(chē)車(chē)身CAD模型，完成了逆向工程在車(chē)身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用初步研究。

逆向工程（又稱(chēng)反求工程），是一種產(chǎn)(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)(shù)再現(xiàn)過(guò)程，即對一項(xiàng)目標(biāo)產(chǎn)(chǎn)品進(jìn)(jìn)行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產(chǎn)(chǎn)品的處理流程、組織結(jié)構(gòu)、功能特性及技術(shù)(shù)規(guī)格等設(shè)計(jì)要素，以制作出功能相近，但又不完全一樣的產(chǎn)(chǎn)品。逆向工程的應(yīng)用范圍遍及大多數(shù)行業(yè)(yè)，從汽車(chē)、航空航天、藝術(shù)(shù)與科學(xué)(xué)到醫(yī)療等。目前國內(nèi)外有關(guān)(guān)逆向工程的研究方向主要集中在幾何外形的逆向，即重建產(chǎn)(chǎn)品實(shí)(shí)物的CAD模型，稱(chēng)為“實(shí)(shí)物逆向工程”。逆向工程系統(tǒng)主要包括3個(gè)(gè)方面：實(shí)(shí)物幾何外形的數(shù)字化、CAD模型建立、產(chǎn)(chǎn)品的制造。

現(xiàn)代車(chē)身設(shè)計(jì)采用的都是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，然而，汽車(chē)外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，曲面很多，要用一般的機(jī)械圖紙把它完全表達(dá)出來(lái)需要大量的人力物力，相當(dāng)浪費(fèi)時(shí)(shí)間。不過(guò)，在逆向工程設(shè)計(jì)方法引進(jìn)(jìn)到汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)時(shí)(shí)，它改變了以前的設(shè)計(jì)理念，縮短了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)(fā)周期，獲得高質(zhì)(zhì)量的車(chē)身結(jié)構(gòu)。逆向工程的研究日益引人注目，在數(shù)據(jù)處理、曲面擬合、幾何特征識別和坐標(biāo)測量機(jī)的研究上已經(jīng)(jīng)取得了很大的成就。但是，在實(shí)(shí)際應(yīng)用中，整個(gè)(gè)過(guò)程仍然不能完全保證曲面的光順性。

針對這些特點(diǎn)(diǎn)，本文研究的關(guān)(guān)鍵有：1）曲面數(shù)據(jù)的獲取以及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理等；2）車(chē)身曲面的重構(gòu)技術(shù)(shù)及質(zhì)(zhì)量檢測等。

1. 點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與處理

1.1 點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

    點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，如圖1所示。

圖1 測量設(shè)備

    為了獲得質(zhì)(zhì)量較好的點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先進(jìn)(jìn)行一些前期處理，如確定模型參考位置、表面噴涂顯像溶劑及軟件的校核等。汽車(chē)模型由前、后、上、左、右側(cè)面組成，由于不能一次性測量，因此要分別測量各個(gè)(gè)表面，對于側(cè)面，只需要測量一側(cè)就行，因?yàn)櫧?chē)视H笥覍ΨQ(chēng)的產(chǎn)(chǎn)品，可以利用軟件鏡像。圖2、圖3為采集的未處理的車(chē)身點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖2 車(chē)身側(cè)面和頂部的點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 車(chē)身前部和尾部的點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.2 點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

    在測量點(diǎn)(diǎn)云的時(shí)(shí)候，難免會(huì )(huì)有一些外界因素影響點(diǎn)(diǎn)云質(zhì)(zhì)量，如設(shè)備的震動(dòng)(dòng)、溫度、濕度等，而且點(diǎn)(diǎn)云不能一次性測量，需要分為幾步，最后把幾部分拼接起來(lái)，這就要求在進(jìn)(jìn)行模型建立之前對點(diǎn)(diǎn)云進(jìn)(jìn)行處理。主要分為以下幾步：體外孤點(diǎn)(diǎn)、噪聲點(diǎn)(diǎn)的去除、點(diǎn)(diǎn)云拼接與對齊。利用Geomagic Wrap(原Studio)軟件進(jìn)(jìn)行處理，處理拼接后的整車(chē)點(diǎn)(diǎn)云如圖4所示。

圖4 拼接后的整車(chē)

2. 車(chē)身模型曲面重構(gòu)

    在逆向工程中，曲面重構(gòu)有2種方法：一是直接由點(diǎn)(diǎn)云生成面；二是遵循由點(diǎn)(diǎn)—線(xiàn)—面的過(guò)程。第1種方法要求點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)(zhì)量足夠好，這樣生成的曲面質(zhì)(zhì)量才會(huì )(huì)滿(mǎn)足要求，它遵循點(diǎn)(diǎn)—多邊形—曲面幾個(gè)(gè)階段，運(yùn)用的是Geomagic Wrap(原Studio)軟件；第2種方法是傳統(tǒng)的方法，可以處理各種點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到的曲面精度也很高。本文主要采用的是第2種方法。數(shù)據(jù)處理主要有以下3個(gè)(gè)過(guò)程：點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、曲線(xiàn)處理、曲面處理。由于在Geomagic Wrap(原Studio)中已經(jīng)(jīng)對點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)(jìn)行了處理，可以直接進(jìn)(jìn)行后面2個(gè)(gè)步驟。

2.1 點(diǎn)(diǎn)云直接生成曲面

    所謂的直接生成曲面是指不需要構(gòu)線(xiàn)，對點(diǎn)(diǎn)云進(jìn)(jìn)行處理就可以生成曲面。直接生成的NURBS曲面可以直接導(dǎo)入到CAD系統(tǒng)中進(jìn)(jìn)行下一步的處理，可以輸出很多種格式，如IGES、STEP等。圖5為生成的NURBS曲面。

圖5 NURBS曲面

2.2 由點(diǎn)(diǎn)、線(xiàn)、面的重構(gòu)過(guò)程

    點(diǎn)(diǎn)—線(xiàn)—面過(guò)程主要是利用3D曲線(xiàn)、3點(diǎn)(diǎn)圓弧構(gòu)建曲線(xiàn)，然后利用掃掠、橋接、倒圓角等命令對曲面進(jìn)(jìn)行處理。

    1）創(chuàng )(chuàng)建車(chē)身曲線(xiàn)。由于車(chē)身是對稱(chēng)模型，因此創(chuàng )(chuàng)建曲線(xiàn)之前需要截取一部分點(diǎn)(diǎn)云，最后通過(guò)鏡像得到整車(chē)模型。創(chuàng )(chuàng)建曲線(xiàn)是在已有的點(diǎn)(diǎn)云基礎(chǔ)上截取部分點(diǎn)(diǎn)云，然后由截取的點(diǎn)(diǎn)云生成曲線(xiàn)，最后調(diào)整曲線(xiàn)的控制點(diǎn)(diǎn)來(lái)控制精度，讓其和點(diǎn)(diǎn)云的誤差最小。生成的曲線(xiàn)要盡可能簡(jiǎn)單，能夠反映曲面的大致形狀，這樣才能保證重構(gòu)后的曲面有足夠的光順性，同時(shí)(shí)誤差也較小。圖6為截取的車(chē)身側(cè)面點(diǎn)(diǎn)云和由截取點(diǎn)(diǎn)云構(gòu)成的線(xiàn)。

圖6 截取的點(diǎn)(diǎn)云和構(gòu)成的線(xiàn)

    2）創(chuàng )(chuàng)建車(chē)身曲面。創(chuàng )(chuàng)建曲面通常光滑和精確是不能同時(shí)(shí)兼顧的，只能居其中或者擇其一。為了控制誤差，通常利用調(diào)節(jié)控制點(diǎn)(diǎn)來(lái)控制曲面與原始點(diǎn)(diǎn)云的距離，這種方法通常是手動(dòng)(dòng)調(diào)節(jié)，因此也是存在一定誤差，但是也基本可以滿(mǎn)足工業(yè)(yè)要求。圖7為車(chē)身側(cè)面控制點(diǎn)(diǎn)模型，圖8為重構(gòu)的車(chē)身側(cè)面曲面與原始點(diǎn)(diǎn)云之間的誤差。

圖7 車(chē)身側(cè)面控制點(diǎn)(diǎn)

圖8 車(chē)身側(cè)面與原始點(diǎn)(diǎn)云誤差

   由圖8可以看出：車(chē)身側(cè)面原始點(diǎn)(diǎn)云（藍(lán)色區(qū)域）和重構(gòu)的曲面（紅色區(qū)域）分布比較均勻，這樣就可以大致確保曲面與點(diǎn)(diǎn)云的誤差了。如果出現(xiàn)大面積紅色或者藍(lán)色區(qū)域，則說(shuō)明重構(gòu)的曲面與原始點(diǎn)(diǎn)云誤差較大，不能滿(mǎn)足需求。這種方法是通過(guò)調(diào)節(jié)控制點(diǎn)(diǎn)來(lái)控制誤差，本文車(chē)身逆向設(shè)計(jì)主要是利用這種方法。圖9為通過(guò)這種方法重構(gòu)的引擎蓋和車(chē)身頂部曲面。

圖9 引擎蓋和車(chē)身頂部

2.3 各個(gè)(gè)曲面間的處理

    各部分曲面創(chuàng )(chuàng)建好了之后，需要對曲面進(jìn)(jìn)行倒圓角、修剪、橋接、縫合等操作，以得到連續(xù)性的曲面。倒圓角是一種基本的曲面間處理方式，圓角過(guò)渡不僅避免了應(yīng)力集中，提高了強(qiáng)度，而且直接影響產(chǎn)(chǎn)品的美觀(guān)程度。圖10為車(chē)尾曲面間倒圓角前后效果圖。

圖10 車(chē)尾曲面倒圓角前后效果

圖11 整車(chē)車(chē)身模型

3 車(chē)身曲面質(zhì)(zhì)量評估

3.1 曲面連續(xù)性分析

    對于車(chē)身而言，連續(xù)性就是指曲面間曲率均勻過(guò)渡、無(wú)壞點(diǎn)(diǎn)。曲面的連續(xù)性大致包括以下4個(gè)(gè)方面：位置連續(xù)（G0）、切線(xiàn)連續(xù)（G1）、曲率連續(xù)（G2）、曲率相切連續(xù)（G3）。一般情況下，只要滿(mǎn)足切線(xiàn)連續(xù)就可以，基本可以滿(mǎn)足工業(yè)(yè)上需求。在汽車(chē)行業(yè)(yè)有一個(gè)(gè)名詞：A面。所謂A面就是指必須滿(mǎn)足相鄰曲面間間隙在0.005mm以下，切率改變在0.16°以下，曲率改變在0.005°以下的曲面。一般通過(guò)曲率梳可以判斷曲面的連續(xù)性，曲率梳相鄰曲率針長(cháng)度和方向反應(yīng)曲面的曲率值和曲率方向。檢查U、V方向的曲率梳得到車(chē)尾和車(chē)頭的分析結(jié)果，如圖12所示。

圖12 車(chē)尾和車(chē)頭處連續(xù)性分析結(jié)果

    圖12中顯示車(chē)尾和車(chē)頭處多個(gè)(gè)曲面間連續(xù)性較好。

3.2 曲面光順性分析

   曲面光順性分析準(zhǔn)則是光順?lè )治龅囊罁?jù)。曲面光順準(zhǔn)則為：曲面的U、V等參數(shù)線(xiàn)分別平行于U、V方向2組等距離的平面與曲面相交得到的交線(xiàn)，通過(guò)檢查曲面上的相交線(xiàn)來(lái)判斷曲面的光順性，對于生產(chǎn)(chǎn)的曲面光順性分析主要有檢查U、V方向的曲率梳、高亮反射線(xiàn)等檢測方法。

   高亮線(xiàn)分析方法可以直觀(guān)地檢查曲面的光順性，通過(guò)觀(guān)察線(xiàn)條的均勻度來(lái)判斷曲面的光順性，越均勻曲面光順性越好。它是由1組平行光源投影到曲面上得到的1簇高光線(xiàn)。圖13、圖14為車(chē)身幾個(gè)(gè)主要大面的光順性檢查結(jié)果。

圖13 車(chē)頭引擎蓋和車(chē)身側(cè)面反射線(xiàn)分布圖

圖14 車(chē)頂和車(chē)身后圍板反射線(xiàn)分布圖

    可以看出：反射線(xiàn)分布比較均勻，曲面的光順性基本滿(mǎn)足要求。所以該逆向設(shè)計(jì)總體符合設(shè)計(jì)要求。

4. 結(jié)論

    本文基于逆向工程技術(shù)(shù)對汽車(chē)車(chē)身進(jìn)(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)研究，主要研究成果如下：1）利用Geomagic Wrap(原Studio)軟件對用3D測量?jì)x測取的點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)(jìn)行了處理，獲得拼接后的整車(chē)車(chē)身點(diǎn)(diǎn)云數(shù)據(jù)；再利用軟件進(jìn)(jìn)行了由點(diǎn)(diǎn)—線(xiàn)—面的曲面重構(gòu)，獲得整車(chē)車(chē)身曲面模型；2）對重構(gòu)的整車(chē)車(chē)身曲面模型進(jìn)(jìn)行連續(xù)性、光順性分析，最終得到符合設(shè)計(jì)要求的車(chē)身CAD模型，該模型可為后續(xù)的有限元分析優(yōu)(yōu)化設(shè)計(jì)以及多體動(dòng)(dòng)力學(xué)(xué)等分析提供基礎(chǔ)。

    從目前來(lái)看，逆向工程這項(xiàng)技術(shù)(shù)依然存在一些發(fā)(fā)展瓶頸，從而減緩了逆向工程的發(fā)(fā)展。但是相比正向設(shè)計(jì)，逆向設(shè)計(jì)的優(yōu)(yōu)點(diǎn)(diǎn)很明顯，能給企業(yè)(yè)帶來(lái)巨大的效益，所以具有廣闊的發(fā)(fā)展前景。

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