汽車工業(yè)是全球制造業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著市場需求的改變，汽車更新?lián)Q代的速度日趨加快，其設(shè)計、制造速度的快慢直接影響著新品上市的速度。風(fēng)行汽車作為一款多功能MPV，自02年入市以來，在外觀方面未做過較大的改動，式樣相對陳舊，為了在后續(xù)激烈的市場競爭中立于不敗之地，就必須不斷推陳出新，并加快更新?lián)Q代的速度。為此，筆者所在的公司05年對風(fēng)行汽車前臉進(jìn)行了全新的造型改進(jìn)，借以提高整車檔次，突出表現(xiàn)前圍魁偉、結(jié)實、外形飽滿、流暢的特點。為了提高產(chǎn)品設(shè)計的一次成功率、縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、減少風(fēng)險、提高質(zhì)量，在對LZ6470前臉改型設(shè)計中筆者全程引入了逆向工程技術(shù)。
本文通過對LZ6470油泥模型掃描測量及三維模型構(gòu)建這一具體設(shè)計實例，介紹了逆向工程的概念、基本原理、系統(tǒng)構(gòu)成、方法與思路；闡明了在LZ6470改款車型開發(fā)過程中，逆向工程技術(shù)在LZ6470改款車型數(shù)據(jù)處理、專用零部件的開發(fā)、新產(chǎn)品檢測等實際設(shè)計過程中的具體應(yīng)用。
一、逆向工程簡介
逆向工程（Reverse Engineering）也稱反求工程，是指用一定的測量手段對實物或模型進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法，重構(gòu)實物的CAD模型，從而實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與制造的過程。與傳統(tǒng)的設(shè)計制造方法不同，逆向工程是在沒有設(shè)計圖紙或圖紙不完整、而有樣品的情況下，利用三維掃描測量儀，準(zhǔn)確快速地測量樣品或輪廓外形的表面數(shù)據(jù)，加以點數(shù)據(jù)處理、曲面創(chuàng)建、三維實體模型重構(gòu)，再通過數(shù)控加工或快速成型來制造試制樣品，然后通過CAM數(shù)控系統(tǒng)編程加工產(chǎn)品。
逆向工程在工業(yè)領(lǐng)域的實際應(yīng)用中，主要包括以下幾個內(nèi)容：
(1)新零件的設(shè)計，主要用于產(chǎn)品的改型、仿形設(shè)計及創(chuàng)新開發(fā)；
(2)現(xiàn)成零部件測量及復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計意圖及重構(gòu)三維數(shù)字化模型；
(3)受損零部件的還原，以便修復(fù)或重制；
(4)產(chǎn)品的檢測與加工誤差分析。
逆向工程技術(shù)主要包括兩方面內(nèi)容：數(shù)字化技術(shù)和曲面重構(gòu)技術(shù)。數(shù)字化技術(shù)是利用三維掃描測量儀采集實物或模型表面數(shù)據(jù)。曲面重建技術(shù)是根據(jù)測量所得到的一系列點云數(shù)據(jù)，構(gòu)造出型體曲線、曲面，最終重構(gòu)三維模型。
逆向工程技術(shù)為零部件開發(fā)提供了很好的技術(shù)支持，成為創(chuàng)新開發(fā)的重要途徑之一，而其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用，著眼于實際問題即汽車設(shè)計，特別是汽車外觀造型改款設(shè)計。
二、風(fēng)行LZ6470外觀造型的開發(fā)
1.油泥模型三維數(shù)據(jù)采集（模型表面數(shù)字化）
(1)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的選擇
隨著傳感技術(shù)、控制技術(shù)、圖像處理和計算機(jī)視覺等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的物體表面幾何數(shù)據(jù)獲取方法。其中，非接觸式光學(xué)測量因與被測物體不直接接觸，不容易碰、劃傷零部件的表面，同時具有操作性強(qiáng)及機(jī)動便捷等特點，并因使用高能量光源照明，可以在自然環(huán)境下工作，抗雜光干擾能力強(qiáng)，因而特別適合于對大型零部件的表面輪廓度進(jìn)行測量，尤其在油泥模型三維數(shù)據(jù)的采集過程中較為常用。
在LZ6470油泥模型三維數(shù)據(jù)采集過程中，我們選擇了德國 GOM公司非接觸式光學(xué)原理的ATOS便攜式三維掃描儀與TRITOP數(shù)碼相機(jī)，二者結(jié)合使用，可完成對大型工件的測量，實現(xiàn)三維掃描高速化，并使測量達(dá)到較高的精度。
(2)模型表面數(shù)據(jù)采集
為了方便車身掃描和保證掃描的精確性，需對油泥車身做必要的前期準(zhǔn)備。測量前，為防止車身表面過于吸收光成過于反光，以免影響計算機(jī)對圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)值的要求，首先對零件表面進(jìn)行處理，如粘貼參考點、在物體表面噴涂顯像劑等。然后對處理后的車身表面進(jìn)行掃描，因車身寬大，前臉造型復(fù)雜，無法對其一次掃描完成，為了減少掃描照片的拼接誤差，需事先利用TRITOP數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)拍到多視點云間的參考點坐標(biāo)位置，然后利用這些參考點建立各點云間的對應(yīng)關(guān)系，再利用ATOS進(jìn)行分片掃描。
根據(jù)車身的形狀，把油泥車身分成上、下兩部分（以雨槽裝飾條為界）分別進(jìn)行掃描。然后再在ATOS軟件中，通過公共參考點將掃描得到的各片拼接起來，形成完整的物體面。掃描完成后，經(jīng)過點云拼合、對齊、三角網(wǎng)格化、光順和稀化，得到油泥車身外形點云文件。接下來輸出*.asc文件，以便Imageware軟件對點云進(jìn)行后續(xù)處理。
2.數(shù)據(jù)處理與三維整體曲面構(gòu)建（最大外觀包絡(luò)面）
由于本次LZ6470改款造型主要集中在外觀方面，為了追求外型的美觀、突出大方并富有流線型觀感，因而對外觀表面質(zhì)量提出了較高的要求，所有外觀大面必須達(dá)到A級曲面的要求即滿足相鄰曲面間之間隙(gap)在0.005mm以下，切率改變(Tangency Change)在0.16度以下，曲率改變(Curvature change)在0.005度以下，至少達(dá)到曲率連續(xù)(也稱為G2連續(xù))，符合這樣的標(biāo)準(zhǔn)才能確保表面的環(huán)境反射不會有問題。為此需要對外型面進(jìn)行分析，需要分清哪些是重要的外觀主型面（發(fā)動機(jī)罩、前保外弧型面、側(cè)翼子板）、哪些是構(gòu)造特征面與過渡面（前格柵、牌照板面等），同時需要并確定合理的A面輔設(shè)順序。
(1)利用Imageware軟件對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將掃描所得點云文件調(diào)入Imageware軟件，并依據(jù)車身對稱的特征，建立標(biāo)準(zhǔn)車身輔助基準(zhǔn)平面及三維坐標(biāo)系統(tǒng)，以便把油泥點云進(jìn)行方位對齊（利用軟件中的逐步對齊法stepwise功能），為后續(xù)A面的輸出及截面線的提取提供方便，并同時針對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，刪除不必要的數(shù)據(jù)點，并適當(dāng)降低點云的密度，這樣可以加快計算機(jī)處理的速度，提高A面構(gòu)建效率，同時對小的過渡結(jié)構(gòu)與特征體如孔、溝槽等點云進(jìn)行預(yù)先刪除，以保證A面輔設(shè)質(zhì)量。
(2)A級曲面輔設(shè)。輔設(shè)時應(yīng)遵循“點→曲線→曲面”的原則，同時盡可能以大曲面整體進(jìn)行，先不考慮具體零部件分塊，并按先大后小，先重要外觀主型面、后普通特征面與過渡面順序進(jìn)行構(gòu)建。先抽取點云截面，提取構(gòu)建截面曲線所需的點云。再進(jìn)行截面特征曲線的構(gòu)建（U、V方向）。
期間需對擬合曲線進(jìn)行編輯與光順，在得到光順的擬合曲線后，再按圖8所示進(jìn)行大型基礎(chǔ)面的輔設(shè)，要求所輔設(shè)的基礎(chǔ)面盡量大，并以四邊域的形式構(gòu)建，U、V方向控制點不超過8個，階數(shù)控制在6以內(nèi)，以方便于后續(xù)曲面的調(diào)整。
依據(jù)上述方法， 最終完成的LZ6470前圍三維造型曲面。
3.曲面檢查與光順分析
在A級曲面輔設(shè)完畢后，需要對所構(gòu)CLASS-A進(jìn)行誤差分析(與油泥點云對比)和曲面光順分析，看是否達(dá)到原設(shè)定誤差要求與A級曲面的標(biāo)準(zhǔn)要求。這時需要綜合考慮，全盤權(quán)衡偏差與曲面光順之間的關(guān)系。
為了追求A級曲面效果，在保證曲面G2曲率連續(xù)的情況下，在允許的公差范圍內(nèi)，可適當(dāng)放大偏差。
從上圖可以看出：左側(cè)發(fā)動機(jī)蓋與側(cè)翼子板處A面與點云局部區(qū)域最大誤差達(dá)3.7mm，大部分區(qū)域A面與點云的偏差在2mm以內(nèi)，符合設(shè)定誤差△α≤4mm的要求。
對于曲面光順，目前檢查方法主要有以下幾種：
(1)渲染上光（Shade）
主要檢查數(shù)模是否與造型一致、是否有遺丟失面現(xiàn)象、表面是否有局部凸起或凹陷，以及層疊或扭曲等質(zhì)量缺陷。此外，還可以通過旋轉(zhuǎn)模型或變換光源角度來檢查數(shù)模的光影效果。
(2)工藝脫模（Draft）
主要針對有脫模要求的表面，如側(cè)圍和門內(nèi)飾板等。
(3) 高斯曲率（ G a u s s i a n Curvature）
對于單凸基礎(chǔ)面，高斯曲率必須恒為正（球形面）或恒為負(fù)（鞍形面），對于S形過渡面，高斯曲率須有明顯的正負(fù)區(qū)域性。
(4)高光（Highlight）
通過關(guān)鍵矢量來檢查曲面及曲面間的光順效果。
(5)斑馬線（Isophote）
通過斑馬線的走向及寬窄變化來檢查模型的等光亮效果，斑馬線實際上是模擬一組平行的光源照射到需要檢測的表面上所觀察到的反光效果。
(6) 連續(xù)性檢查（Connect Checker）
主要通過截面曲率梳與I S O曲率梳進(jìn)行輔助的G 3分析，但通常情況用得較多的是斑馬線與連續(xù)性檢查， 在LZ6470 改款造型的所有前圍A面中，我們均采用斑馬線與曲率連續(xù)性進(jìn)行檢查。
從上述檢查圖可以看出：前圍A面的曲率變化平緩，且面與面之間達(dá)到G2連續(xù)。經(jīng)高光斑馬線檢查也是相連且光順流暢，呈G2連續(xù)狀態(tài)，沒有出現(xiàn)不必要的反曲。
在連接處有過渡，沒產(chǎn)生尖銳的拐角，也沒錯位，達(dá)到了A級曲面的設(shè)定要求。
4.零部件三維結(jié)構(gòu)設(shè)計
在A面構(gòu)建完畢后，由于這些專用的逆向工程軟件的正向設(shè)計功能都很弱，所以需要將A面模型數(shù)據(jù)輸出至正向設(shè)計軟件UG中進(jìn)行零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。開始結(jié)構(gòu)設(shè)計前，首先理解油泥模型的設(shè)計思想，對油泥模型進(jìn)行系統(tǒng)分析，同時需要結(jié)合專業(yè)供應(yīng)商進(jìn)行結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝分析，得出結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體思路，確定模型構(gòu)成特征類型，分析所要設(shè)計的零部件與其他件的配合關(guān)系，找到配合面、基準(zhǔn)孔，并分清在一個具體實物中哪些是重要面，哪些是過渡面。優(yōu)先保證重要面，其他面此時不再根據(jù)原始點云數(shù)據(jù)、而只需根據(jù)配合關(guān)系及間隙面差要求進(jìn)行面的偏置。同時依據(jù)點云數(shù)據(jù)，事先構(gòu)建出各分塊面的邊界線。再進(jìn)行各零部件的分塊設(shè)計。
三、利用逆向工程技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品檢驗
利用逆向工程進(jìn)行產(chǎn)品檢驗是逆向工程技術(shù)應(yīng)用的另一個重要功能，特別在RP件與OTS件檢測中。尤其RP件，由于供應(yīng)商為了節(jié)約生產(chǎn)成本及受自身設(shè)備參數(shù)的制約，對大型件往往采取先行分散加工、事后拼接組合的方法，常會造成拼接累積誤差，如LZ6470車型前保險杠面罩RP件，經(jīng)事后測量與大燈配合弧彎過渡處，誤差竟高達(dá)12mm。同樣針對OTS送樣件，也往往存在同樣的問題，因而不論用何種方法加工，都需要對其加工精度進(jìn)行檢驗。但往往因其外型表面的復(fù)雜性，利用傳統(tǒng)的檢測手段很難準(zhǔn)確檢測，因此同樣可利用逆向工程技術(shù)對零件進(jìn)行準(zhǔn)確、高效率的檢測。
按照前述方法，首先對加工零件進(jìn)行掃描，然后把掃描所得的點云和原始設(shè)計的三維數(shù)模一起調(diào)入逆向工程軟件Imageware中。利用軟件中對齊功能，按照裝配關(guān)系、裝配順序、重要保證點等要素進(jìn)行“裝配”，分析比較二個模型間的偏差，用彩色云圖或偏差報告將差異顯示出來，從而檢測出零件的試制精度。逆向工程技術(shù)不但在單件試制上可以很方便地對復(fù)雜零部件進(jìn)行檢測，而且在批量生產(chǎn)和流水化生產(chǎn)中對產(chǎn)品的抽檢也顯得十分方便。如LZ6470改型前臉鈑金支架總成，就是利用逆向工程技術(shù)很快地完成檢測工作。
四、結(jié)束語
逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中是一項開拓性、實用性和綜合性很強(qiáng)的技術(shù)。利用光學(xué)掃描儀作為獲取空間三維數(shù)據(jù)的手段，用逆向工程軟件Imageware對獲取的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行A級曲面的構(gòu)建，進(jìn)而完成零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與開發(fā)。通過上述流程，筆者所在的公司已成功完成了LZ6470改款車型的所有數(shù)據(jù)測量及專用零部件的開發(fā)工作，并在后續(xù)新產(chǎn)品的開發(fā)、舊零件的改型以及新產(chǎn)品的檢測中更是得到推廣使用。
它一方面加快了公司新產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，提高了質(zhì)量，降低了成本；另一方面還縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品創(chuàng)新的成功率，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，發(fā)展前景十分誘人。
（轉(zhuǎn)載）
