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逆向工程就是指在沒有設(shè)計圖紙或設(shè)計圖紙不全、不完整以及沒有CAD模型的情況下，按照現(xiàn)有的目標(biāo)產(chǎn)品模型，利用各種數(shù)字化技術(shù)重構(gòu)零件三維CAD數(shù)學(xué)模型的過程。隨著計算機(jī)技術(shù)和CAD技術(shù)的迅速發(fā)展，以測量技術(shù)為基礎(chǔ)、曲面重構(gòu)技術(shù)為支撐的逆向工程技術(shù)在汽車工業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的正向工程相比，它具有設(shè)計精度高，新產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計周期短，以及易于開展后續(xù)有限元分析、優(yōu)化設(shè)計以及運動學(xué)仿真工作等優(yōu)點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
1 車身逆向工程設(shè)計概念
Imageware作為著名的逆向工程軟件，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、家電、模具、計算機(jī)零部件領(lǐng)域。Imageware采用先進(jìn)的NURBS曲面模型，具有強(qiáng)大的點云處理和曲面重構(gòu)功能，并且可以和UG軟件進(jìn)行無縫鏈接。Imageware逆向工程軟件的主要產(chǎn)品有：①Surfacer逆向工程工具和Class I曲面生成工具；②Verdict用于對測量數(shù)據(jù)和CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行對比評估；③Build it用于提供實時測量能力，驗證產(chǎn)品的制造性；④RPM用于生成快速成型數(shù)據(jù)；⑤ View其功能與Verdict相似，主要用于提供三維報告。
車身結(jié)構(gòu)的特點在于組成車身外形的各個零件多為尺寸大而形狀復(fù)雜的空間曲面，這些大型覆蓋件不能用一般的機(jī)械制圖方法將它們完整、清晰地表達(dá)出來，不得不依靠三維立體模型作為設(shè)計的依據(jù)。傳統(tǒng)的車身設(shè)計方法在其每個設(shè)計階段都要反復(fù)進(jìn)行平面圖形和立體模型的制作過程，以致新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計周期長、工作量大。
此次設(shè)計開發(fā)的基于逆向工程的車身流程如圖1所示。車身逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)在于兩個方面：一方面是實物模型表面數(shù)據(jù)獲取技術(shù)以及處理技術(shù)，即數(shù)字化掃描測量技術(shù)和測量數(shù)據(jù)的處理技術(shù)；另一方面是車身零部件的曲面重建技術(shù)。
2 車身三維數(shù)據(jù)的獲取及處理
在產(chǎn)品的逆向開發(fā)中，樣件的三維數(shù)據(jù)獲取主要通過三坐標(biāo)測量機(jī)完成。三坐標(biāo)測量機(jī)分為接觸式和非接觸式兩種，非接觸式三坐標(biāo)測量因為具有測量速度快、適用范圍廣的特點得到了廣泛應(yīng)用。英國3DSCANNER公司生產(chǎn)的REVERSA激光掃描頭掃描速度達(dá)15000點／秒，精度達(dá)到0.025 mm。文中所研究的轎車車身就是采用此技術(shù)而獲得的車身三維數(shù)據(jù)。
由于采人的數(shù)據(jù)都不可避免地會帶人噪聲點，特別是尖角和邊界附近較為明顯。另外，激光掃描所獲取的海量數(shù)據(jù)，會嚴(yán)重影響曲面重建算法的效率，因而必須對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于許多測量系統(tǒng)軟件本身可以對點云進(jìn)行預(yù)處理，包括排除噪聲數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)壓縮和歸并多余數(shù)據(jù)，遺失點補(bǔ)齊，三角面片化等；因此可以根據(jù)需要對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化，截面獲取和坐標(biāo)變換等操作。
文中將測得的IGES數(shù)據(jù)格式的文件，輸人到Imageware系統(tǒng)中，輸人之后在Imageware軟件系統(tǒng)中可以立即作渲染顯示，如圖2所示。由圖2可見出現(xiàn)一破洞Imageware提供了6種不同的曲面構(gòu)建命令，文中通過“輔助面”的方法來處理，處理后的曲面如圖3所示。
3 NURBS曲面重構(gòu)
自由曲面一般用參數(shù)曲面表示，常用的方法有Bezier, B-Spline和NURBS等表示方式。NURBS曲面是標(biāo)準(zhǔn)解析形狀和自由曲面，非有理B樣條、Bezier曲面都是NURBS的特例表示。其由下式定義
式中Vij為控制頂點；Wij為權(quán)因子;Bik（u）和Bjl（w）分別為沿u向的k次和沿w向的l次B樣條基函數(shù)。
u向和w向的節(jié)點矢量為：
NURBS曲面可通過控制點和權(quán)值方便靈活地控制曲面形狀，能有效進(jìn)行插人節(jié)點、修改、分割和幾何插值等處理，并具有透視變換和放射變換的不變性等優(yōu)點。NURBS曲面重構(gòu)框圖如圖4所示。通過Imageware軟件中的重構(gòu)曲面命令進(jìn)行曲面重構(gòu)，經(jīng)過處理后的車身前罩、車身框架和車門部分零部件的重構(gòu)曲面如圖5、圖6所示。
4 結(jié)論
文中基于逆向工程技術(shù)，運用Imageware逆向工程軟件成功地對汽車車身造型進(jìn)行了設(shè)計開發(fā)，有效地改進(jìn)了車身設(shè)計的水平，大大縮短了設(shè)計周期。同時所采用的數(shù)字技術(shù)，具有很強(qiáng)的柔性，效率高，也為后續(xù)的有限元分析、優(yōu)化設(shè)計以及多體動力學(xué)分析提供了基礎(chǔ)。因此，逆向工程的實際應(yīng)用具有較強(qiáng)的理論和實踐指導(dǎo)意義。
（轉(zhuǎn)載）
