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本文通过对LZ6470油泥模型扫描测量及三维模型构建这一具体设计实例，介绍了逆向工程的概念、基本原理、系统构成、方法与思路；阐明了在LZ6470改款车型开发过程中，逆向工程技术在LZ6470改款车型数据处理、专用零部件的开发、新产品检测等实际设计过程中的具体应用。
汽车工业是全球制造业的支柱产业之一。随着市场需求的改变，汽车更新换代的速度日趋加快，其设计、制造速度的快慢直接影响着新品上市的速度。风行汽车作为一款多功能MPV，自02年入市以来，在外观方面未做过较大的改动，式样相对陈旧，为了在后续激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须不断推陈出新，并加快更新换代的速度。为此，笔者所在的公司05年对风行汽车前脸进行了全新的造型改进，借以提高整车档次，突出表现前围魁伟、结实、外形饱满、流畅的特点。为了提高产品设计的一次成功率、缩短产品设计周期、减少风险、提高质量，在对LZ6470前脸改型设计中笔者全程引入了逆向工程技术。
一、逆向工程简介
逆向工程（Reverse Engineering）也称反求工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法，重构实物的CAD模型，从而实现产品设计与制造的过程。与传统的设计制造方法不同，逆向工程是在没有设计图纸或图纸不完整、而有样品的情况下，利用三维扫描测量仪，准确快速地测量样品或轮廓外形的表面数据，加以点数据处理、曲面创建、三维实体模型重构，再通过数控加工或快速成型来制造试制样品，然后通过CAM数控系统编程加工产品。
逆向工程在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容：
(1)新零件的设计，主要用于产品的改型、仿形设计及创新开发；
(2)现成零部件测量及复制，再现原产品的设计意图及重构三维数字化模型；
(3)受损零部件的还原，以便修复或重制；
(4)产品的检测与加工误差分析。
逆向工程技术主要包括两方面内容：数字化技术和曲面重构技术。数字化技术是利用三维扫描测量仪采集实物或模型表面数据。曲面重建技术是根据测量所得到的一系列点云数据，构造出型体曲线、曲面，最终重构三维模型。
逆向工程技术为零部件开发提供了很好的技术支持，成为创新开发的重要途径之一，而其在汽车工业中的应用，着眼于实际问题即汽车设计，特别是汽车外观造型改款设计。 （图片） 二、风行LZ6470外观造型的开发
风行汽车前脸改款的开发流程如图1所示，其逆向工程部分流程如图2所示。（图片） 1.油泥模型三维数据采集（模型表面数字化）
(1)数据采集设备的选择
随着传感技术、控制技术、图像处理和计算机视觉等相关技术的发展，出现了各种各样的物体表面几何数据获取方法。其中，非接触式光学测量因与被测物体不直接接触，不容易碰、划伤零部件的表面，同时具有操作性强及机动便捷等特点，并因使用高能量光源照明，可以在自然环境下工作，抗杂光干扰能力强，因而特别适合于对大型零部件的表面轮廓度进行测量，尤其在油泥模型三维数据的采集过程中较为常用。
在LZ6470油泥模型三维数据采集过程中，我们选择了德国 GOM公司非接触式光学原理的ATOS便携式三维扫描仪与TRITOP数码相机，二者结合使用，可完成对大型工件的测量，实现三维扫描高速化，并使测量达到较高的精度。
(2)模型表面数据采集
为了方便车身扫描和保证扫描的精确性，需对油泥车身做必要的前期准备。测量前，为防止车身表面过于吸收光成过于反光，以免影响计算机对图像信息转换为数值的要求，首先对零件表面进行处理，如粘贴参考点、在物体表面喷涂显像剂等。然后对处理后的车身表面进行扫描，因车身宽大，前脸造型复杂，无法对其一次扫描完成，为了减少扫描照片的拼接误差，需事先利用TRITOP数码相机系统拍到多视点云间的参考点坐标位置，然后利用这些参考点建立各点云间的对应关系，再利用ATOS进行分片扫描。
根据车身的形状， 如图3 所示，把油泥车身分成上、下两部分（以雨槽装饰条为界）分别进行扫描。然后再在ATOS软件中，通过公共参考点将扫描得到的各片拼接起来，形成完整的物体面。图4为扫描完成后，经过点云拼合、对齐、三角网格化、光顺和稀化，得到油泥车身外形点云文件。接下来输出*.asc文件，以便Imageware软件对点云进行后续处理。（图片） （图片） 2.数据处理与三维整体曲面构建（最大外观包络面）
由于本次LZ6470改款造型主要集中在外观方面，为了追求外型的美观、突出大方并富有流线型观感，因而对外观表面质量提出了较高的要求，所有外观大面必须达到A级曲面的要求即满足相邻曲面间之间隙(gap)在0.005mm以下，切率改变(Tangency Change)在0.16度以下，曲率改变(Curvature change)在0.005度以下，至少达到曲率连续(也称为G2连续)，符合这样的标准才能确保表面的环境反射不会有问题。为此需要对外型面进行分析，需要分清哪些是重要的外观主型面（发动机罩、前保外弧型面、侧翼子板）、哪些是构造特征面与过渡面（前格栅、牌照板面等），同时需要并确定合理的A面辅设顺序。
(1)利用Imageware软件对点云数据进行处理，将扫描所得点云文件调入Imageware软件，并依据车身对称的特征，建立标准车身辅助基准平面及三维坐标系统，以便把油泥点云进行方位对齐（利用软件中的逐步对齐法stepwise功能），为后续A面的输出及截面线的提取提供方便，并同时针对点云数据进行优化，删除不必要的数据点，并适当降低点云的密度，这样可以加快计算机处理的速度，提高A面构建效率，同时对小的过渡结构与特征体如孔、沟槽等点云进行预先删除，以保证A面辅设质量。
(2)A级曲面辅设。辅设时应遵循“点→曲线→曲面”的原则，同时尽可能以大曲面整体进行，先不考虑具体零部件分块，并按先大后小，先重要外观主型面、后普通特征面与过渡面顺序进行构建。如图5所示先抽取点云截面，提取构建截面曲线所需的点云。再按图6所示进行截面特征曲线的构建（U、V方向）。（图片） （图片） 期间需对拟合曲线进行编辑与光顺（如图7所示），在得到光顺的拟合曲线后，再按图8所示进行大型基础面的辅设，要求所辅设的基础面尽量大，并以四边域的形式构建，U、V方向控制点不超过8个，阶数控制在6以内，以方便于后续曲面的调整。（图片） （图片） 依据上述方法， 最终完成的LZ6470前围三维造型曲面，如图9所示。（图片） 3.曲面检查与光顺分析
在A级曲面辅设完毕后，需要对所构CLASS-A进行误差分析(与油泥点云对比)和曲面光顺分析，看是否达到原设定误差要求与A级曲面的标准要求。这时需要综合考虑，全盘权衡偏差与曲面光顺之间的关系。
为了追求A级曲面效果，在保证曲面G2曲率连续的情况下，在允许的公差范围内，可适当放大偏差。误差分析结果如图10、图11所示。（图片） （图片） 从上图可以看出：左侧发动机盖与侧翼子板处A面与点云局部区域最大误差达3.7mm，大部分区域A面与点云的偏差在2mm以内，符合设定误差△α≤4mm的要求。
对于曲面光顺，目前检查方法主要有以下几种：
(1)渲染上光（Shade）
主要检查数模是否与造型一致、是否有遗丢失面现象、表面是否有局部凸起或凹陷，以及层叠或扭曲等质量缺陷。此外，还可以通过旋转模型或变换光源角度来检查数模的光影效果。
(2)工艺脱模（Draft）
主要针对有脱模要求的表面，如侧围和门内饰板等。
(3) 高斯曲率（ G a u s s i a n Curvature）
对于单凸基础面，高斯曲率必须恒为正（球形面）或恒为负（鞍形面），对于S形过渡面，高斯曲率须有明显的正负区域性。
(4)高光（Highlight）
通过关键矢量来检查曲面及曲面间的光顺效果。
(5)斑马线（Isophote）
通过斑马线的走向及宽窄变化来检查模型的等光亮效果，斑马线实际上是模拟一组平行的光源照射到需要检测的表面上所观察到的反光效果。
(6) 连续性检查（Connect Checker）
主要通过截面曲率梳与I S O曲率梳进行辅助的G 3分析，但通常情况用得较多的是斑马线与连续性检查， 在LZ6470 改款造型的所有前围A面中，我们均采用斑马线与曲率连续性进行检查。检查分析结果如图1 2 、图13所示。（图片） （图片） 从上述检查图可以看出：前围A面的曲率变化平缓，且面与面之间达到G2连续。经高光斑马线检查也是相连且光顺流畅，呈G2连续状态，没有出现不必要的反曲。
在连接处有过渡，没产生尖锐的拐角，也没错位，达到了A级曲面的设定要求。
4.零部件三维结构设计
在A面构建完毕后，由于这些专用的逆向工程软件的正向设计功能都很弱，所以需要将A面模型数据输出至正向设计软件UG中进行零部件的结构设计。开始结构设计前，首先理解油泥模型的设计思想，对油泥模型进行系统分析，同时需要结合专业供应商进行结构与生产工艺分析，得出结构设计的整体思路，确定模型构成特征类型，分析所要设计的零部件与其他件的配合关系，找到配合面、基准孔，并分清在一个具体实物中哪些是重要面，哪些是过渡面。优先保证重要面，其他面此时不再根据原始点云数据、而只需根据配合关系及间隙面差要求进行面的偏置。同时依据点云数据，事先构建出各分块面的边界线，如图14所示。再进行各零部件的分块设计。各零部件最终完成效果如图15所示。（图片） 三、利用逆向工程技术进行产品检验
利用逆向工程进行产品检验是逆向工程技术应用的另一个重要功能，特别在RP件与OTS件检测中。尤其RP件，由于供应商为了节约生产成本及受自身设备参数的制约，对大型件往往采取先行分散加工、事后拼接组合的方法，常会造成拼接累积误差，如LZ6470车型前保险杠面罩RP件，经事后测量与大灯配合弧弯过渡处，误差竟高达12mm。同样针对OTS送样件，也往往存在同样的问题，因而不论用何种方法加工，都需要对其加工精度进行检验。但往往因其外型表面的复杂性，利用传统的检测手段很难准确检测，因此同样可利用逆向工程技术对零件进行准确、高效率的检测。
按照前述方法，首先对加工零件进行扫描，然后把扫描所得的点云和原始设计的三维数模一起调入逆向工程软件Imageware中。利用软件中对齐功能，按照装配关系、装配顺序、重要保证点等要素进行“装配”，分析比较二个模型间的偏差，用彩色云图或偏差报告将差异显示出来，从而检测出零件的试制精度。逆向工程技术不但在单件试制上可以很方便地对复杂零部件进行检测，而且在批量生产和流水化生产中对产品的抽检也显得十分方便。如LZ6470改型前脸钣金支架总成，就是利用逆向工程技术很快地完成检测工作，如图16、图17所示。（图片） （图片） 四、结束语
逆向工程技术在产品开发中是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术。利用光学扫描仪作为获取空间三维数据的手段，用逆向工程软件Imageware对获取的点云数据进行处理，并进行A级曲面的构建，进而完成零部件的结构设计与开发。通过上述流程，笔者所在的公司已成功完成了LZ6470改款车型的所有数据测量及专用零部件的开发工作，并在后续新产品的开发、旧零件的改型以及新产品的检测中更是得到推广使用。
它一方面加快了公司新产品更新换代的速度，提高了质量，降低了成本；另一方面还缩短了产品开发周期，提高了产品创新的成功率，应用领域十分广阔，发展前景十分诱人。
2/3/2007
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