逆向工程技术在某皮卡车身开发中的应用*

冯兰芳，张 坤，惠延波，邢志伟，丰文燕

(河南工业大学 先进制造研究所，河南 郑州 450007)

逆向工程技术在某皮卡车身开发中的应用*

冯兰芳，张 坤，惠延波，邢志伟，丰文燕

(河南工业大学 先进制造研究所，河南 郑州 450007)

介绍了逆向工程技术的基本理论知识和在实际应用过程中一些关键技术处理方法，并依托某皮卡车身开发的流程，具体阐明了逆向工程技术在车身Class-A(造型)面和结构件设计过程中的实际应用方法，论述了逆向工程技术在某皮卡车身设计开发过程中的重要性。运用逆向工程技术可以大大缩短新产品开发周期，提高工作效率，是现在汽车工业领域最重要的产品设计方法之一，也是产品快速创新开发的重要途径。

逆向工程；车身；Class-A面；结构件

Abstract: In this paper，the basic theory of reverse engineering technology knowledge and some key technologies in the practical application process are introduced, and relying on a pickup body development process, the practical application of reverse engineering methods in Body Class-A (shape) surface and structural parts design process are specifically illustrated，the importance of reverse engineering technology in a pickup body design and development process is discussed. The application of reverse engineering technology can greatly shorten the development cycle of new products, and improve work efficiency, which is one of the most important product design method in the automotive industry now and is also an important way to the development of rapid product innovation.

Key words: reverse engineering；car body；Class-A surface；structural parts

0 引 言

一部汽车的车身，不仅直观的反映出了该车的整体质量，而且也反映出了其背后研发团队和支撑企业的综合实力，甚至能反映出一个国家的工业发展水平。车身工程一直是发展最为迅速而且生命力也最旺盛的一个分支，但车身的生存周期一般是3～5年，因此，谁能在最短的时间内推出具有外形美观，性价比高，经济适用等优点的竞争车型，谁就占领了市场，才能生存。在这种严峻的竞争压力下，逆向工程技术在新产品的开发中已是必须要采用的技术之一。

1 逆向工程技术概述[1]

逆向工程(Reverse Enginnering)也叫反求工程，广义上来说，逆向工程包括影像反求、软件反求和实物反求等三方面。现在我们所说的逆向工程大多指的是狭义上的逆向工程技术即实物反求工程，其主要包含三大关键部分，即：实物测量，数据(点云)处理，模型重构。其中，实物测量主要有两种方法：接触式和非接触式测量。前者使用的设备主要是三坐标测量机(CMM)或机械手臂式测量机，而后者主要使用的设备有两种：一种是基于激光测距法技术的三维扫描仪，如：加拿大Creaform公司的HandyScan 3D。另一种是基于白光(彩色)光栅编码法技术的三维扫描仪，如：德国Gom公司的ATOS。数据处理一般采用专业逆向软件，目前四大主流逆向软件是：Imageware，Geomagic Studio，Copy CAD，RapidForm。正向建模软件主要是：Catia，Ug，Pro/E，SolidWorks。各个软件主体功能相似但是也各有所长，各公司会依据本公司实际情况需要决定采用那种逆向和正向软件以及选择何种测量方法。

2 三维数据采集和数据处理[2-3]

基于车身开发流程，要对油泥模型和标杆车进行三维扫描。采用目前行业内普遍采用而且功能先进的三维光栅投影式测量仪-德国gom公司生产的Atos。图1所示为Atos正在采集零件表面三维数据。

但是在实际扫描中还经常会遇到一个问题就是一些构件表面非常光滑，对光线有很强反射能力，比如，标杆车车身，车玻璃，车灯等，如果不预处理，不但扫描的速度很慢，而且质量非常差。所以，为了加快扫描速度提高扫描质量一般都会对构件表面喷涂一层显像剂。喷涂后的物体(车身)效果如图2所示。

图1 ATOS扫描现场 图2 喷涂显影剂和贴有Mark 标记点的标杆车

扫描得到的初始点云数据不可避免带有噪声点，且点云数据量非常庞大，不能直接导入正向建模软件进行处理，一般都要将其导入专业逆向软件进行预处理。

点云处理的一般步骤可以归纳为如下几点。

(1) 物理性修剪，对点云数据中可用肉眼直接识别的坏点，散乱点，和非扫描对象的数据点利用Remove命令直接剔除。

(2) 多视对齐，在实际测量时，通常很难一次就能完整的测量出实物的表面，这就需要从不同的视角对实物进行多次测量，然后采用多视对齐技术将多次测量得到的点云统一起来，最终得到理想的完整实物点云数据。这是数据处理重要的一步。究其原理，可归纳成为一个高度非线性问题，点云对齐主要就是研究怎么样能找到快速有效的求解方法，其中最著名的是Besl和Mckay与1992年提出的ICP算法。

(3) 精简数据，利用Filter命令进行滤波处理，这样可以降低点云密度，滤除噪声点，常用的过滤方法有曲率过滤法(Adaptative)和球过滤法(Homogeneous)。经实验验证，本文采用第一种方法。因为曲率过滤法是根据曲面曲率变化确定点的取舍，在曲率变化小的部分过滤更多的点，而在曲率变化急剧区域过滤的点比较少，可以使特征更加明显。常用算法是根据弦偏差过滤点云(根据点与点间弦高差，把设置偏差量以内的点过滤掉)，设置的弦偏差数值越大，被过滤的点越多。而球过滤法适用于对某些较为规则的局部模型特征点云的处理。采用上述两种过滤方法处理后的效果如图3、4所示。

图3 采用Homogeneous法过 图4 采用Adaptative法过滤 滤后的Class-A面点云 后的Class-A面点 数据 云数据

(4) 网格化：所谓网格化其实就是将三维点云数据三角化，增加可视性。图5为网格化的Class-A面点云数据图示。

图5 网格化后的Class-A面点云数据

3 车身曲面逆向工程设计[4-7]

3.1 标杆样车整车参数获取

笔者根据某公司的整车开发流程，首先根据标杆样车确定了整车坐标系，再通过对整车参数的测量，初步确定了底盘等关键部位的安装硬点。

3.2 确定数模构建基准

一般来说，汽车车身的结构都是左右对称的，所以Z-X平面可以作为一个基准面。首先在点云数据中找到一个与车身坐标系中的X-Y平面平行且面积最大的区域，在此区域做2个点的连线，间距尽量大，在次连线上取一点，将此点沿X轴方向拉伸得直线，再将此线沿Y轴拉伸，既得一个平面。并将此平面确定为基准面。

再根据此零件上的关建孔中心点确定一个与Y-Z平面平行的基准面，这样就确定了数模构建基准。

3.3 数模构建

有了以上的准备工作，就可以进行逆向建模了，但是，车身在逆向建模时首先进行Class A(造型面)建模然后结合车身制造四大工艺要求和已冻结的车身A面逆向标杆车的关键件和大件，最终完成整车数模结构件建模。

因为Class A大部分是由复杂的曲面和不规则三维曲面构成，曲率变化很大，很难用一般的正向设计方法去建模，而且对其建模要求又非常高非常严格。所以在逆向过程中采用的方法也与结构件的逆向有所差别，对于汽车A面的逆向建模，首先需要将网格化点云数据进行分块，分别构造基础曲面，然后通过桥接，过渡，裁剪等细节特征处理，最后在对曲面进行调整和光顺。最终得到成型曲面。

曲面重构主要采用NURBS曲线曲面技术。自由曲面一般是用参数曲面表示，常用的有Bezier、B-Spline和NURBS等表示方式。NURBS曲面是解析曲线曲面和自由曲面的综合曲面(非有理B样条、Bezier曲面都是NURBS的特例表示形式)，由双参数变量分段有理多项式定义的NURBS曲面是：

(1)

令:

(2)

若在非均匀参数轴上定义的结点矢量S,T则具有下述形式：

(3)

(4)

由S，T定义的曲面是非均匀、非周期的有理B样条曲面，简称NURBS曲面。

基于上述理论，CATIA提供了三种曲面重构方法，Sweep，Loft，和Blend。Stitch结合。综合利用这三种方法(第三种主要是过渡面的建立)，按照先做基础大面，再构建过渡面，最后添加特征，如：孔，翻边，圆角，凸台等的建模思路，最终得到的整车Class-A面。如图6所示。

在对白车身结构单件的逆向设计时，首先要确定本项目工作的性质(改型设计还是纯逆向等)及零件的性质(材料，厚度，坐标系，工艺，功用，周边关系等)，不能简单地就以点云为基准逆向，还要时刻注意原设计者的设计意图。做到不仅满足逆向工程标准，还要满足白车身制造的冲压，焊装，涂装，总装四大工艺要求。具体设计时，首先根据点云数据判断哪些面与基准面平行，哪些面可以通过偏置，移动，旋转，等方式得到，同时要判断那些特征是关于X-Z平面对称的，然后通过面与面的裁剪缝合等方法得到工艺数模，再经过倒圆角，增加料厚，最终得到产品数模。如图7、8所示。

综上，要想提高质量，快速地创建曲面数学模型，不仅需要设计人员具有非常熟练地三维建模软件应用能力，而且还应具有较丰富的冲压，焊接，涂装及总

装工艺知识。

图6 最终得到的整车 图7 网格化后的驾驶室地 Class-A面 板原始扫描数据

图8 最终产品数模

4 结 语

对逆向工程技术在车身Class-A面和结构件设计应用中的不同方法做了具体的论述。使逆向工程技术的基本理论知识在实际应用中得到了具体体现。更加突出逆向工程技术在现代汽车工业产品研发中心的实际作用和意义。随着CAD/CAM/CAE技术和计算机技术的不断发展，逆向工程技术和有限元分析技术的联合使用将更加突出其在现代工业产品开发中的实际意义和巨大作用。

[1] 张晋西，郭学琴，张甲瑞.逆向工程基础及应用实例教程[M].北京：清华大学出版社,2011.

[2] 刘伟军,孙玉文.逆向工程原理、方法及应用[M].北京：机械工业出版社,2009.

[3] 庞 剑,谌 刚,何 华.逆向建模技术与产品创新设计[M].北京：北京理工大学出版社,2006.

[4] 刘文祥. 基于逆向工程的现代车身设计方法的研究和应用[D].北京：中国农业大学，2005.

[5] 刘浩,程培元，杜华平. 逆向工程设计[J].汽车科技，2002(6)：4-5 .

[6] 李书生,徐万红，王韶春.汽车车身逆向设计法的研究[J].沈阳工业大学学报，2009，26(6):616-618.

[7] 赵 钱.基于CATZAV5的汽车车身逆向设计[J].机械，2010(7)：40-41.

Application of Reverse Engineering Technology in the Development of a Micro Bus

FENG Lan-fang， ZHANG Kun，HUI Yan-bo，XING Zhi-wei，FENG Wen-yan

(AdvancedManufacturingResearch,HenanUniversityofTechnology,ZhengzhouHenan450007，China)

2014-06-30

河南省科技基金资助项目(编号：112102210470)

冯兰芳(1964 -)，女，江西南昌人，副教授，主要从事逆向工程、有限元分析等研究工作。

U466

A

1007-4414(2014)04-0062-03