作者：范仲伟  李卓（武汉理工大学汽车工程学院）

　　摘要  为有效改进车身设计的水平，缩短设计周期，文章以某款轿车车身造型设计为研究对象，运用了逆向工程产品设计方法，通过激光扫描仪的非接触测量获取零件表面的云状数据，并利用CATIA 软件对测量数据进行处理，且基于曲面重构理论进行车身造型表面重构，最终实现车身零部件的曲面重构，成功地对汽车车身造型进行了逆向设计开发。指出在此设计过程中，所采用的数字技术具有很强的柔性且效率高，也为后续的有限元分析、优化设计以及多体动力学分析提供了基础。

　　关键词 逆向工程  车身  云状数据  曲面重构

　　Study of Vehicle Body Modeling in Reverse Engineering

　　Abstract：This paper adopts Reverse Engineering (RE) as products design method. According to the existed product model, we can obtain product data in a reverse way. This paper takes some vehicle body design as research object to get the data cloud of body surface through a laser scanner. At the same time, the survey data is carried into processing by using of the software CATIA and into the vehicle body modeling based on the curved surface theory of the modeling of this part reconstructed. In this way, the reverse engineering design and development of vehicle body design is done successfully, which not only effectively enhances the level of vehicle body design, but also greatly shortens the design cycle. Therefore, RE is of significant meanings in both the fields of theory and practice. This research lays a solid foundation for the future research and analysis in related fields.  

　　Keywords：Reverse engineering   Vehicle body   Data cloud   Surface reconstruction

　　引言

　　逆向工程(Reverse Engineering, RE)是对产品设计过程的一种描述。在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程，即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后通过绘制图纸建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入到制造流程中，完成产品的整个设计——制造周期。这样的产品设计过程我们称为“正向设计”过程。而逆向工程的产品设计可以认为是一个“从有到无”的过程，它是将实物转变为CAD模型的相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型或概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再造的过程。简单地说，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据(包括设计图纸或数字模型)的过程。

　　1 零件表面数据采集方法

　　逆向工程中，数据采集是关键的一步，只有获得测量数据，才能进行下一步的逆向工作，如复杂曲面的建模、误差分析及制造等等。因而，如何高效和高精度地对样件表面数据加以采集，一直是逆向工程的主要研究内容之一。随着传感器技术、控制技术、计算机技术和制造技术等相关技术的发展，出现了各种各样的数字化技术和方法。根据数字化设备的数据采集方式，数据采集技术可分为接触式数据采集和非接触式数据采集两大类，如图1所示。

　　接触式方法主要有基于力—变形的触发式和连续扫描式数据采集以及基于磁场和超声波的数据采集等。而非接触式方法主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法及断层扫描法等。获得密集的测量数据称之为“点云”，如图1所示。

　　2 车身曲面重构过程

　　在CATIA软件中，利用专门用于逆向工程建模的工具模块对测量数据进行车身曲面重构，基本上可以分为数据预处理、测量点云数据的分割及曲面拟合和重构3个部分。

　　2.1 数据预处理
　
    首先去除扫描时所扫描零件以外的多余点，然后去除坏点，补充缺少点，消除测量误差，去除数据缝合时重迭的冗余数据等。从图2中可以看到，不仅有所要的零件的点云，还包括了一些零件以外的点云，这些点云是所扫描零件周围物体的点云。因为扫描时，扫描系统有一个有效作用范围，凡是这一范围内的物体都会被扫描到，因而也就产生了这种情况。在CATIA软件中，利用Remove工具经过多余点云全部删除后只剩下所需要的零件点云，如图3所示。

　　使用网格化工具 Mesh Creation使点云网格化，网格化可以使点云看起来比较像实体，便于后续处理。点云网格化以后，可以使用Mesh Smoothing工具对其进行平滑处理，调整拉杆选取合适的平滑度，使平滑效果达到最佳，注意不能使平滑值过大，否则会造成曲面上一些细微的特征丢失，平滑后的零件如图4所示。被测物体很难只用一个曲面模型表示，必须将点云数据进行分割，形成多个曲面模型，曲面片之间光滑过渡，才能较好进行物体模型重构，减少计算量，便于修改，同时保证精度。面片划分的好，不仅使数据处理变得简单，而且可以很好的保证曲面的最终精度，否则可能使重构工作变得烦琐且很难保证精度。分割原则为:数据块的凸凹性一致，曲面重构时态性较好。

　　2.2 点云数据的分割

　　分割方法有：1)基于曲率法(规则数据)；2)基于边(散乱数据)(边界特征)；3基于面(散乱数据)(面特征)。使用CATIA中Planar  Sections工具，使一个平面与零件相交得到交线，还可以对交线在空间中的曲率进行调整，从而使其最精确地划分不同曲面。根据需要可以选择交线的条数，从而使零件在划分后逆合时达到最佳的效果和精确度。划分后如图5所示。注意，对交线的调整是这一步也是曲面拟合过程中的一个难点，因为交线划分曲面是否精确直接影响拟合的曲面和实际零件的贴合程度。

　　2.3 曲面拟合重构

　　曲面重构分为两类：1)代数法曲面重构—用代数法描述曲面形体，局限性较大；2)参数法曲面重构——在跨界连续性、曲面约束及局部控制上表现良好，被普遍采用。常用有：Bezier、B样条、NURBS及三角Bezier方法。 在参数化曲面重构中，根据源数据特征分为：1)栅格数据重构一—Bezier.、B样条、NURBSO；2)散乱数据重构——三角Beziero和NURBS。曲面重构的难点有：1)权值、节点、参数和控制点值的确定；2)先后顺序和约束准则的确定往往不明确。

　　首先进入创成式曲面设计模块，然后使用Power  Fit工具，在其中设置好公差、阶数及段数等。选择要拟合的曲面边界(封闭的边界)进行拟合，这样逐块拟合每一个小曲面直到完成整个曲面的拟和为止，拟合完成后的曲面如图6所示。在曲面拟合完成后，直接进行曲面联合和加厚得到的实体。可以看出，实体有一定的质量缺陷，这主要有两方面因素造成，一是用来作为逆向设计对象的零件模型与其理想模型之间的误差；二是在进行数据采集时，由于设备以及其它原因，会造成所提取的数据与实物原形之间的误差。

　　3  结论

　　文中基于逆向工程技术，运用逆向工程软件成功地对汽车车身造型进行了逆向设计开发，有效地改进了车身设计水平，大大缩短了设计周期，同时所采用的数字技术具有很强的柔性，且效率高，也为后续的有限元分析、优化设计以及多体动力学分析提供了基础，因此，逆向工程的实际应用具有较强的理论和实践指导意义。

　　参考文献

　　1姜元庆,刘佩军. 逆向工程培训教程. 北京：清华大学出版社,2003

　　2 刘惟信. 汽车设计. 北京：清华大学出版社,2001

　　3 金涛,童水光. 逆向工程技术 .北京：机械工业出版社,2003

　　4 朱心雄. 自由曲线曲面造型技术. 北京：科学出版社,1998