逆向工程技術(shù)在汽車車身設(shè)計中的應(yīng)用與分析

1、第4卷 第12期 中 國 水 運(yùn) Vol.4 No.12 2006年 12月 China Water Transport December 2006逆向工程技術(shù)在汽車車身設(shè)計中的應(yīng)用與分析姚 楠 鄧亞東摘 要：論述了逆向工程技術(shù)在汽車車身開發(fā)技術(shù)中的重要意義，闡述了逆向工程技術(shù)的基本概念及其應(yīng)用。結(jié)合車身覆蓋件設(shè)計制造的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹和分析了實(shí)際工作中所采用的逆向工程設(shè)備、軟件及相關(guān)方法和技巧，還介紹了曲面重構(gòu)后的檢測和評價方法。關(guān)鍵詞：逆向工程 車身設(shè)計 計算機(jī)輔助設(shè)計中圖分類號：U270.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-7973（2006）12-0149-02一、前言在復(fù)雜的車身產(chǎn)

2、品開發(fā)程序中，廣義的三維造型既是設(shè)計工作的起點(diǎn)，又是工程目標(biāo)的最終體現(xiàn)。隨著新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，特別是CAD/CAM技術(shù)的日臻完善，幾乎將傳統(tǒng)的汽車開發(fā)周期縮短了三分之一，其中最大的改進(jìn)就在于汽車車身的造型階段。將“逆向工程”（Reverse Engineering簡稱RE）技術(shù)應(yīng)用于汽車車身造型階段，它可以快速地提供樣品的外形特征，從而能夠?qū)ζ鋷缀瓮庑芜M(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速改形，加快設(shè)計進(jìn)程，使之滿足多樣化、個性化、系列化等方面的需求。二、逆向工程技術(shù)及其原理工業(yè)產(chǎn)品的傳統(tǒng)開發(fā)方式均是遵循嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)流程，從產(chǎn)品的需求、構(gòu)思、功能與預(yù)期規(guī)格指標(biāo)的確定，進(jìn)而到各個組件的設(shè)計、制造、組裝、性能測試

3、等。每個組件都保留有原始的設(shè)計圖，此類設(shè)計圖目前通常以CAD文件來保存。這種開發(fā)模式被稱為“規(guī)范模式”（Prescriptive Model），此類開發(fā)工程亦被稱為“順向工程”（Sequential Engineering）?！澳嫦蚬こ獭庇址Q反求工程，它與傳統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程存在質(zhì)的不同。狹義上，它是指在沒有設(shè)計圖紙或者設(shè)計圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，利用3維數(shù)字化測量儀（3D Digital Scanner俗稱抄數(shù)機(jī)），測量出Sample（即零件原形或者塑造出的模型）表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，傳至CAD/ CAM系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成所需要的CAD 模型和設(shè)計圖紙，并由CAD/CAM 系統(tǒng)計

4、算出加工路徑，最后通過CNC（Computer Numerical Control 計算機(jī)數(shù)字控制）機(jī)械加工設(shè)備制作模具生產(chǎn)成品。其另一種批量生產(chǎn)方式則是先用快速原形制造技術(shù)（Rapid Prototyping快速原形，簡稱RP）將樣品模型制作出來，然后再以快速模具（Rapid Tooling）進(jìn)行產(chǎn)品量產(chǎn)?！绊樝蚬?shù)據(jù)測量是逆向工程的基礎(chǔ)，測得數(shù)據(jù)的質(zhì)量事關(guān)最終模型質(zhì)量，測量儀器的選擇將直接影響到整個工程的效率和質(zhì)量。測量儀器主要分為：接觸式測量儀和非接觸式測量儀兩類。為了高效率高精度的采集汽車車身表面的數(shù)據(jù)，多使用非接觸式測量儀，它是利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象，如聲、光、電磁

5、波等，來獲取物體表面的三維坐標(biāo)信息。其中利用光學(xué)原理發(fā)展起來的測量方法應(yīng)用最為廣泛，如激光三角行法、結(jié)構(gòu)光法、工業(yè)CT法等。圖1 順向和逆向工程設(shè)計流程對比三、應(yīng)用實(shí)例1測試設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件針對車身覆蓋件體積大，需求精度高的特點(diǎn)，我們采用了非接觸式3維數(shù)字化測量儀系統(tǒng)來進(jìn)行掃描，采集大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)用以描述完整的車身外形。該系統(tǒng)由德國GOM公司生產(chǎn)的ATOS模塊（光學(xué)測量系統(tǒng)）、TRITOP模塊（照相測量定位系統(tǒng)）組成。CATIA V5軟件系統(tǒng)可用于數(shù)字化轎車設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，程”和“逆向工程”的基本設(shè)計流程如圖1所示。 包括數(shù)字化轎車造型設(shè)計、數(shù)字化轎車車身設(shè)計、數(shù)字化轎收稿日期：2006-10

6、-11作者簡介：姚 楠 男（1981-） 武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院 車輛工程專業(yè) 碩士研究生 （430070） 研究方向：逆向工程技術(shù)和汽車車身設(shè)計150 中 國 水 運(yùn) 第4卷車發(fā)動機(jī)和底盤零部件設(shè)計、數(shù)字化轎車管路和電子線路設(shè)計以及數(shù)字化轎車電子樣機(jī)設(shè)計。由于CATIA V5的全面性，可以充當(dāng)起轎車總體設(shè)計的支撐平臺，故選用了CATIA 進(jìn)行逆向工程階段的建模工作。任意空間曲面可以看作是無數(shù)點(diǎn)的集合，在V方向通過選擇特征點(diǎn)，用逼近的方法生成B樣條曲線。采用同樣的方法在U方向的不同截面也生成一組B樣條曲線。由U、V兩兩組曲線可求得B樣條曲面。任意復(fù)雜空間曲面的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：N(u,v)=i=0m

7、n圖4 數(shù)據(jù)處理步驟3測量及數(shù)據(jù)處理由于車身部分面積過大，且形狀復(fù)雜，需要配合TRITOP模塊輔助ATOS模塊進(jìn)行定位。開始測量后，由于ATOS 系統(tǒng)測量范圍有限，每次測量只能夠得到的部分車身表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要將測量得到的單張點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)設(shè)的基準(zhǔn)點(diǎn)拼接成整張點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因為整合后的車身表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)極其龐大，所以本文只選取了發(fā)動機(jī)罩部分為例進(jìn)行后續(xù)處理。將所獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA軟件中進(jìn)行相關(guān)處理。綜合使用數(shù)字化外形編輯器（DSE）、創(chuàng)成式曲面設(shè)計模塊（GSD）、汽車A級曲面造型模塊（ACA）的各種功能，進(jìn)行如下步驟的數(shù)據(jù)處理工作。（主要步驟見圖4）4車身校核經(jīng)過上述步驟處理后，我們得到了

8、發(fā)動機(jī)罩的模型，如圖5所示，接下來采用等光亮度曲線來檢驗曲面的光順性。該方法是由日本豐田汽車公司開發(fā)出來的，簡單直觀、一目了然。該方法的原理是：向被檢驗的曲面上投射一束光線，計算機(jī)系統(tǒng)能根據(jù)被檢驗曲面的形狀及曲率的分布情況，生成一族能確定被檢驗曲面特性的等光亮度曲線。如生成的等光亮度曲線連續(xù)光順和分布均勻，則被檢驗的曲面為光順曲面。如圖6所示，生成的斑馬線分布均勻、紋路清晰，且無不良波動情況產(chǎn)生?？梢娝鶛z測的發(fā)動機(jī)罩曲面是光順的，并且曲面之間是光滑過渡的。圖5 發(fā)動機(jī)罩的模型 圖6 等光亮度曲線檢查圖PN(u)N(v)j=0i,ji,kj,l在汽車零部件復(fù)雜曲面設(shè)計中，一般采用的B樣條曲面為雙

9、三次B樣條曲面，CATIA的曲面造型的原理就是基于上述曲面數(shù)學(xué)模型來描述任意空間曲面。另外，CATIA應(yīng)用在轎車車身逆向工程方面的應(yīng)用模塊主要有如下3種，各有其自身特點(diǎn)： CATIA V5數(shù)字化外形編輯器（DSE），用于導(dǎo)入多種格式的點(diǎn)云文件，如：Ascii free、Atos、Cgo等十余種，并對點(diǎn)云進(jìn)行處理，根據(jù)處理后的點(diǎn)云直接生成車身覆蓋件的曲面。 CATIA V5創(chuàng)成式曲面設(shè)計模塊（GSD），基于特征的設(shè)計方法提供了高效直觀的設(shè)計環(huán)境。智能化工具和定律（law）功能允許用戶對設(shè)計方法和技術(shù)規(guī)范進(jìn)行捕捉并再用。 針對汽車A級曲面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)曲面曲率三階可導(dǎo)的難題，CATIA V5汽車A級曲面

10、設(shè)計（ACA）采用其獨(dú)有的逼真造型、自由曲面相關(guān)性造型和設(shè)計意圖捕捉等曲面造型技術(shù)，構(gòu)造出優(yōu)美的轎車車身外形。2測量準(zhǔn)備及點(diǎn)云獲取除了在ATOS 系統(tǒng)校準(zhǔn)后，方可開始測量外，在正式測量開始前，我們還應(yīng)當(dāng)注意： 要保證外界光線穩(wěn)定，還要注意電風(fēng)扇和穿堂風(fēng)的影響。 對于薄板覆蓋件，必須按其最終的安裝位置固定好，再進(jìn)行掃描，并且在掃描全過程中不得移動他們，否則支點(diǎn)的移動將帶來被測物體數(shù)據(jù)的形變。 對于玻璃類和反光性極強(qiáng)的表面必須進(jìn)行白色亞光處理。（通常使用金屬） 對于大的光順表面要貼磁性數(shù)碼標(biāo)志點(diǎn)（注：不要貼成直線，盡量不要在孤立位置和曲率變化較大處）。（如圖2所示，已進(jìn)行白色亞光處理并貼上磁性數(shù)碼標(biāo)志點(diǎn)的發(fā)動機(jī)罩左上角部分。圖3即為圖2所示的發(fā)動機(jī)罩左上角圓圈處的點(diǎn)云數(shù)