1、20041 FOTON Technology 逆向工程技術(shù)及其在福田車(chē)身開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用張志亮逆向工程技術(shù)及其在福田車(chē)身開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用北汽福田 技術(shù)研究院 張志亮【摘要】進(jìn)入21世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)已成為主導(dǎo)經(jīng)濟(jì)，制造業(yè)面臨新的環(huán)境。為了適應(yīng)新的變化，各國(guó)政府、產(chǎn)業(yè)界和科技界提出了各種先進(jìn)的制造技術(shù)，其中逆向工程技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)之一，得到各國(guó)普遍重視。我國(guó)汽車(chē)開(kāi)發(fā)，尤其是車(chē)身開(kāi)發(fā)技術(shù)目前遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家水平，如何利用先進(jìn)的制造技術(shù)提升我國(guó)汽車(chē)車(chē)身開(kāi)發(fā)技術(shù)水平，這正是本課題研究的出發(fā)點(diǎn)：即探索利用逆向工程技術(shù)來(lái)提升我國(guó)汽車(chē)車(chē)身開(kāi)發(fā)水平。本文首先將闡述逆向工程的基本概念，其次介紹車(chē)身逆向工程的基本原理、車(chē)

2、身逆向工程中測(cè)量技術(shù)與原理,以及車(chē)身三維數(shù)學(xué)曲面模型建立的理論基礎(chǔ)、車(chē)身外形曲面光順?lè)椒?，和?chē)身逆向工程中點(diǎn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)、曲線(xiàn)曲面重建技術(shù)，最后結(jié)合福田重卡車(chē)身逆向開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，重點(diǎn)闡述車(chē)身逆向工程技術(shù)的應(yīng)用與流程。關(guān)鍵詞：車(chē)身 汽車(chē)開(kāi)發(fā) 逆向工程1概述441.1 逆向工程技術(shù)的簡(jiǎn)要描述傳統(tǒng)以來(lái)，工業(yè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)均是遵循序列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拈_(kāi)發(fā)流程，從產(chǎn)品的功能與規(guī)格的指標(biāo)確定開(kāi)始，構(gòu)思產(chǎn)品的零組件需求，再由各元件的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、零件分裝、整機(jī)總裝、性能測(cè)試等程序來(lái)完成。這種開(kāi)發(fā)模式，被稱(chēng)為正向工程FE(Forward Engineering)。近十幾年來(lái)，隨著測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，有別于傳

3、統(tǒng)正向工程的一門(mén)新技術(shù)正在蓬勃興起，這種技術(shù)在東南亞工業(yè)界已廣泛應(yīng)用，它就是逆向工程RE(Reverse Engineering)。所謂逆向工程就是指在沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙或設(shè)計(jì)圖紙不全、不完整以及沒(méi)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)重新構(gòu)造零件三維CAD數(shù)學(xué)模型的過(guò)程，包括目標(biāo)產(chǎn)品原型數(shù)字化和三維CAD模型重建兩個(gè)主要階段。1.2 逆向工程在車(chē)身開(kāi)發(fā)中應(yīng)用的可能眾所周知，車(chē)身的開(kāi)發(fā)它需要大量資金的積累、技術(shù)的積累、人才的積累。我國(guó)汽車(chē)業(yè)尚沒(méi)有形成很強(qiáng)的研發(fā)能力，很多專(zhuān)家認(rèn)為：過(guò)去多年我們走的開(kāi)發(fā)思路，一是完全自主開(kāi)發(fā)，一切從零開(kāi)始，這種開(kāi)發(fā)思路實(shí)踐證明不成功，因?yàn)槲覀儧](méi)

4、有那么大規(guī)模支持，更沒(méi)有那么多的技術(shù)、管理積累；二是圖省事，簡(jiǎn)單“拿來(lái)主義”，這樣技術(shù)永遠(yuǎn)在別人的手里，不可能形成開(kāi)發(fā)能力。逆向工程技術(shù)就是迅速解決提升我們汽車(chē)車(chē)身研發(fā)水平重要手段之一。我們提升汽車(chē)自主開(kāi)發(fā)能力，趕上世界水平唯一的辦法，必須采取站在巨人的肩膀上，要消化、吸收、創(chuàng)新。韓國(guó)、日本都曾經(jīng)走這條路，他們不是簡(jiǎn)單的把別人的車(chē)拿來(lái)裝配，而是真正地消化、吸收，通過(guò)消化、吸收學(xué)習(xí)，縮短和世界水平的差距，逐步培養(yǎng)起自己的自主開(kāi)發(fā)能力，因此成為今天的世界汽車(chē)五大強(qiáng)國(guó)之一。逆向工程技術(shù)正是消化、吸收先進(jìn)技術(shù)重要方法之一，尤其在車(chē)身開(kāi)發(fā)方面，逆向工程技術(shù)是送我們走上巨人肩膀的強(qiáng)大武器。我們福田公司車(chē)身

5、開(kāi)發(fā)人員正是利用這先進(jìn)技術(shù)開(kāi)展了歐曼重卡車(chē)身的研發(fā)，并取得了成功。2 車(chē)身逆向工程的原理與基本理論2.1 車(chē)身正向工程開(kāi)發(fā)與車(chē)身逆向工程的原理2.1.1車(chē)身正向工程開(kāi)發(fā)過(guò)程汽車(chē)車(chē)身正向工程開(kāi)發(fā)走過(guò)了兩個(gè)歷史發(fā)展階段。一是20世紀(jì)70年代以前屬于傳統(tǒng)的正向開(kāi)發(fā)，二是70年代末至今的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)正向開(kāi)發(fā)。 現(xiàn)代的車(chē)身正向開(kāi)發(fā)：隨著70年代末計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)車(chē)身輔助設(shè)計(jì)逐步在車(chē)身正向開(kāi)發(fā)中得到應(yīng)用?，F(xiàn)代的車(chē)身正向開(kāi)發(fā)流程總的來(lái)說(shuō)與傳統(tǒng)正向開(kāi)發(fā)流程相似，但其中應(yīng)用了大量的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，具體如下流程： 1：1油土模型修改新產(chǎn)品規(guī)劃與概念設(shè)計(jì)修改原設(shè)計(jì)1：1三維效果圖1：1模型表面數(shù)據(jù)數(shù)字化手

6、工1：5車(chē)身效果圖1：1三維CG動(dòng)畫(huà)效果CAM：模夾具制造表面光順處理1：5三維效果圖NC加1：1油泥模型三維CG動(dòng)畫(huà)效果車(chē)身三維總布置計(jì)算機(jī)模擬風(fēng)洞試驗(yàn)零部件三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1：1油泥模型風(fēng)洞試驗(yàn) 零部件三維虛擬裝配與檢查車(chē)身的CAE分析RP快速成型件試制、試驗(yàn)圖1 車(chē)身正向開(kāi)發(fā)流程從上述流程圖可以看出，現(xiàn)代車(chē)身正向設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，更加精細(xì)，其中最大特點(diǎn)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，在造型階段應(yīng)用CAS技術(shù)（Computer Aided Styling ）， 在模型制作階段應(yīng)用計(jì)算機(jī)NC技術(shù)（Numerical Control），在總布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段采用三維CAD，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段采用了CAE（C

7、omputer Aided Engineering）以及R P（Rapid Prototyping）技術(shù)，在制造階段采用CAM（Computer Aided Manufacturing）。2.1.2 車(chē)身逆向工程開(kāi)發(fā)流程車(chē)身逆向工程開(kāi)發(fā)，其基本思路是：經(jīng)過(guò)廣泛選擇與對(duì)比分析，確定世界上最新推出的產(chǎn)品，且這種產(chǎn)品已獲得用戶(hù)的廣泛認(rèn)同，以此車(chē)型作為我們要研究的模型樣車(chē)。一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)技術(shù)先進(jìn)的公司，每推出新一代產(chǎn)品，它都蘊(yùn)涵著該公司多年研究的最新技術(shù)成果，例如日本卡車(chē)車(chē)身每58年換代一次，通過(guò)研究，我們發(fā)現(xiàn)：每次產(chǎn)品換型都是一次技術(shù)飛躍。各公司都有各自的技術(shù)成果或是技術(shù)機(jī)密（Know-how），這

8、些技術(shù)成果各公司都不會(huì)以任何技術(shù)方式向外公布或傳播。但通過(guò)對(duì)其新產(chǎn)品分析與研究，我們不僅能消化、吸收這些技術(shù)機(jī)密，還可以推出不低于模型樣車(chē)水平的新產(chǎn)品，這樣既彌補(bǔ)了我們?nèi)萝?chē)身產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)、開(kāi)發(fā)驗(yàn)證手段與方法不足的弱點(diǎn)，又可以使開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品水平不低于世界水平。樣車(chē)選擇三維數(shù)學(xué)模型虛擬裝配與檢查參考樣車(chē)局部修改效果圖制作參考車(chē)身局部修改模型制作三維數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)模具夾具的CAM試生產(chǎn)及量產(chǎn)模型表面掃描、測(cè)量參考樣車(chē)與車(chē)身拆解與掃描測(cè)量、掃描數(shù)據(jù)的處理圖2 車(chē)身逆向開(kāi)發(fā)的流程車(chē)身外表的光順處理及表面制作車(chē)身零部件三維數(shù)學(xué)模型曲面、曲線(xiàn)重建在車(chē)身逆向工程開(kāi)發(fā)中，由于我們選擇了其它汽車(chē)公司的最新產(chǎn)品作為

9、我們的目標(biāo)參考樣車(chē)，我們將以此車(chē)身的基本架構(gòu)作為不變的對(duì)象，但由于外觀知識(shí)產(chǎn)權(quán)的問(wèn)題，以及本土化消費(fèi)者欣賞觀點(diǎn)不同，我們不能直接沿襲參考車(chē)身，有必要對(duì)參考樣車(chē)做局部的造型調(diào)整與修改，這些工作與全新車(chē)身開(kāi)發(fā)相比工作量小得很多，風(fēng)險(xiǎn)也小的多。這些工作如果做得好，不僅可以繼承參考樣車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，還可以創(chuàng)新出差別化、規(guī)避知識(shí)產(chǎn)權(quán)等問(wèn)題。實(shí)踐證明，完全可以做到“青出于藍(lán)而勝于藍(lán)”。參考車(chē)身局部改型：在對(duì)參考樣車(chē)與車(chē)身做局部選型修改時(shí)，必須考慮不能影響原車(chē)身結(jié)構(gòu)的可靠性、結(jié)構(gòu)工藝性。盡可能延用原車(chē)身的結(jié)構(gòu)分塊思想與聯(lián)接方式，對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件要延用，并做出必要分析，這樣就可以繼承原車(chē)身的可靠性與工藝性，不產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。

10、模型樣車(chē)的測(cè)量、掃描：在參考樣車(chē)定位找正后，并按已確定的造型方案在局部用油土做 1：1修改、評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后，用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x以及激光掃描系統(tǒng)對(duì)改型后的參考樣車(chē)進(jìn)行內(nèi)外表面測(cè)量、掃描，獲得車(chē)身內(nèi)外表面三維點(diǎn)數(shù)據(jù)。參考樣車(chē)車(chē)身拆解及測(cè)量掃描：由于參考樣車(chē)車(chē)身是一個(gè)裝配總成，要獲得所有零部件全面三維信息，必須對(duì)樣車(chē)“進(jìn)行拆解”，一方面獲得每一個(gè)零件的全面數(shù)據(jù)，另一方面取得裝配（焊）工藝過(guò)程。測(cè)量、掃描數(shù)據(jù)的處理：由于車(chē)身有些零部件很大，如側(cè)圍外板，激光掃描儀不能通過(guò)一次定位就可以取得全部數(shù)據(jù)，必須多次移位掃描，得到多個(gè)文件，把同一零件分多次掃描得到的文件合成。并將多余的數(shù)據(jù)除去，這是數(shù)據(jù)處理工作之一；此外

11、，每個(gè)零件的邊緣及孔位信息，用掃描儀無(wú)法準(zhǔn)確獲得，必須靠接觸測(cè)量獲得點(diǎn)文件，將點(diǎn)文件與掃描得到的“點(diǎn)云”式數(shù)據(jù)合成，這是數(shù)據(jù)處理工作之二；由于測(cè)量點(diǎn)文件與下一步表面曲面光順處理軟件格式的不一致，為了保證二者有正確對(duì)接，必須對(duì)文件格式轉(zhuǎn)換。車(chē)身表面曲面光順處理及表面制作：經(jīng)過(guò)掃描測(cè)量并處理后的文件是每一個(gè)零件的三維點(diǎn)文件，尚不能做為零件的全面數(shù)字化信息，尚存在很多缺陷，必須對(duì)其曲面進(jìn)行光順處理，使得車(chē)身表面達(dá)到光滑、順暢。車(chē)身零部件曲線(xiàn)、曲面重建：在表面光順及測(cè)量點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)原有零件特征，利用基于Bezier、B樣條、NURBS曲線(xiàn)、曲面理論設(shè)計(jì)而編制成的三維曲面建模軟件，對(duì)零件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)

12、建模，從而獲得每一個(gè)零件全面的數(shù)字化信息，它可以作為零件加工的依據(jù)。三維數(shù)學(xué)模型虛擬裝配與檢查：不同于正向工程，車(chē)身逆向工程中，很多零件可能由很多工程師同時(shí)進(jìn)行曲面三維重新建模，為了保證這些零部件準(zhǔn)確無(wú)誤地表達(dá)原參考樣車(chē)的裝配（焊）關(guān)系，必須在計(jì)算機(jī)中對(duì)各零部件數(shù)學(xué)模型進(jìn)行虛擬裝配，以檢查協(xié)調(diào)各部件、零件之間的關(guān)系。2.1.3 車(chē)身逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)從上述逆向工程流程可知，車(chē)身逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)在于兩個(gè)方面：一方面是實(shí)物模型表面數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，即數(shù)字化掃描測(cè)量技術(shù)；另一方面是車(chē)身表面光順處理技術(shù)以及零件的曲面重建技術(shù)（曲面構(gòu)造技術(shù)）。這兩個(gè)方面技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)理論，將在下面討論。2.2車(chē)身逆向

13、工程中測(cè)量技術(shù)2.2.1 各種三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的方法及原理按照測(cè)量?jī)x與被測(cè)樣品是否接觸，可將三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)分為接觸式與非接觸式，具體分類(lèi)見(jiàn)圖3。在非接觸式測(cè)量系統(tǒng)問(wèn)世前，硬式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（即CMM-Coordinate Measuring Machine）是逆向工程早期必備工具，它是一種機(jī)械式的系統(tǒng)，通過(guò)探針直接與被測(cè)物體接觸，得到三坐標(biāo)信息。非接觸式三坐標(biāo)測(cè)量方法，它是利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象來(lái)獲取其三維信息，如聲、光、電磁等。其中應(yīng)用物理光學(xué)原理發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代三維形狀測(cè)量方法應(yīng)用最為廣泛，如三角法等由于具有測(cè)量過(guò)程非接觸和測(cè)量迅速等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視。硬接觸式激光三角

14、法單獨(dú)觸發(fā)式接觸式結(jié)構(gòu)光連續(xù)觸發(fā)式 激學(xué)干涉ICT三坐標(biāo)測(cè)量激光衍射聲立體視覺(jué)圖像法非接觸式電磁距離法光學(xué) 圖3 非接觸式三坐標(biāo)測(cè)量方法激光干涉法是通過(guò)測(cè)量?jī)墒喔晒獾墓獬滩顏?lái)計(jì)算物體的高度分布，測(cè)量精度相當(dāng)高，但測(cè)量范圍小，抗干擾能力弱，不適合測(cè)量凹凸變化大的復(fù)雜曲面。激光衍射法的情況與干涉法基本相同，激光三角法原理是采用激光作為光源，照射到被測(cè)物體上，利用CCD（Charge Coupled Device）接受漫射光成像點(diǎn)，根據(jù)光源物體表面反射點(diǎn)、成像點(diǎn)之間的三角關(guān)系計(jì)算出表面反射點(diǎn)的三維坐標(biāo)。此方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，目前已廣泛使用。如果采用線(xiàn)光源，激光掃描測(cè)量方法可以達(dá)到很高的測(cè)量速度。英國(guó)

15、3D SCANNER公司生產(chǎn)的REVERSA激光掃描頭掃描速度達(dá)15000點(diǎn)/秒，精度達(dá)到0.025mm。本文下面所述的福田重卡車(chē)身逆向工程，就是利用此技術(shù)。結(jié)構(gòu)光投影測(cè)量法被認(rèn)為是目前三維形狀測(cè)量中最好的方法，它的原理是將具有一定模式的光源，如柵狀條投射到物體表面，然后用兩個(gè)鏡頭獲取不同角度的圖像，通過(guò)圖像處理的方法得到整幅圖像上像素的三維坐標(biāo)，這種方法具有速度快、無(wú)需運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)。德國(guó)GOM公司ATOS光學(xué)掃描測(cè)量系統(tǒng)可以在1min內(nèi)完成一幅包括430000點(diǎn)的圖像測(cè)量，精度可達(dá)0.03mm。但存在圖像獲取和處理時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量量程短等問(wèn)題。莫爾等高線(xiàn)以及其他方法在車(chē)身逆向工程基本不用，本文

16、就不作介紹。2.3 車(chē)身逆向工程中零件曲面建模理論我們從車(chē)身逆向工程流程中可知，車(chē)身表面及其零件計(jì)算機(jī)三維造型建模是逆向工程工作的關(guān)鍵工作之一。 當(dāng)今主要流行的三維CAD軟件如UG、IMAGEWARE、CATIA、I-DEAS、Pro/Engineer其自由曲面造型模塊，主要采用Bezier、B-Spline、NURBS作為數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ),本文下節(jié)將對(duì)Bezier理論、B-Spline理論、NURBS理論做介紹。2.3.1 Bezier曲線(xiàn)、曲面理論Bezier理論是1971年由雷諾（Renault）汽車(chē)公司工程師P.Bezier發(fā)展的一種以逼近為基礎(chǔ)的構(gòu)造曲線(xiàn)和曲面的方法。Bezier曲線(xiàn)參數(shù)

17、表達(dá)為： （0u1） 其中：Bi，u (u)為Bezier基函數(shù)（即Bernstein基）；Pi為控制點(diǎn)；n為階數(shù)；u為參數(shù)值；i為頂數(shù)點(diǎn)；2.3.2 B-Spline曲線(xiàn)、曲面數(shù)學(xué)模型由于Bezier曲線(xiàn)缺乏局部控制的能力，20世紀(jì)70年代便興起了有局部控制功能的B-Spline曲線(xiàn)，其曲面方程如下：ri（u）=其中：Pi為控制頂點(diǎn)；n+1是控制頂點(diǎn)數(shù)；Ni，p為B-Spline基函數(shù)；u為參數(shù)值；p為階數(shù)；B-Spline基函數(shù)不同于Bezier基函數(shù)之處是，它增加了節(jié)點(diǎn)向量在B-Spline基函數(shù)中的定義，使得當(dāng)控制頂點(diǎn)改變時(shí)，只會(huì)影響部分曲線(xiàn)，因此具有較好局部控制性，此外通過(guò)改變控制點(diǎn)

18、的位置或重置多個(gè)控制點(diǎn)于同一位置或選擇不同階次來(lái)改變曲線(xiàn)的形狀，階數(shù)越大控制點(diǎn)越遠(yuǎn)離曲線(xiàn)而重置多個(gè)控制點(diǎn)則將增加控制點(diǎn)附近的曲率，重置控制點(diǎn)越多，使得曲線(xiàn)越接近控制頂點(diǎn)。2.3.3 NURBS曲線(xiàn)、曲面數(shù)學(xué)模型NURBS曲線(xiàn)（Non-Uniform Rational B-Spline Cure）方程式如下：=Ri（u）=式中：Pi為控制點(diǎn)；u：參數(shù)值；Ni,p（u）為p階B-Spline基函數(shù)；wi為加數(shù)值；p：為階數(shù)；Ri,p（u）為有理基函數(shù)，除了具有與B-Spline基函數(shù)相同的性質(zhì)外，更多了加權(quán)值的影響力，由于加權(quán)值的加入，使得控制點(diǎn)對(duì)曲線(xiàn)、曲面的控制產(chǎn)生了不同比例的影響力，當(dāng)加數(shù)值修

19、改時(shí)會(huì)使曲線(xiàn)遠(yuǎn)離或接近控制多邊形，使得曲線(xiàn)的控制有了更大的空間。2.3.4 Bezier、B-Spline、NURBS關(guān)系現(xiàn)有的三維設(shè)計(jì)軟件UG、Pro/E、CATIA等，Bezier、B-Spline、NURBS數(shù)學(xué)模型是其基本、最常用的理論基礎(chǔ)，然而由以上可知，Bezier函數(shù)是B-Spline函數(shù)的一個(gè)特例，而當(dāng)加權(quán)值為1時(shí)，有理基函數(shù)將變成B-Spline基函數(shù)，因此B-Spline函數(shù)是NURBS函數(shù)的一個(gè)特例。當(dāng)加權(quán)值為1，又沒(méi)有內(nèi)部節(jié)點(diǎn)存在時(shí)，有理基函數(shù)又變成Bezier基函數(shù)，成為NURBS函數(shù)的特例，因此對(duì)于NURBS曲線(xiàn)而言，改變加權(quán)值為與內(nèi)部節(jié)點(diǎn)時(shí)，便可與Bezier函數(shù)

20、與B-Spline函數(shù)相容，這個(gè)特性在不同CAD/CAM系統(tǒng)中，對(duì)于資料的交換是很重要的（見(jiàn)圖4）。 NURBS B-SplineNURBS Bezier圖4 Bezier、B-Spline和NURBS的關(guān)系2.4 車(chē)身逆向工程中車(chē)身表面光順處理在車(chē)身逆向工程中由于汽車(chē)車(chē)身覆蓋件（或模型表面）的三坐標(biāo)測(cè)量得到的是龐大的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，缺乏必要的特征信息，另外往往存在數(shù)字化誤差，對(duì)離散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行表面光順處理，是逆向工程中重要的工作環(huán)節(jié)，是決定車(chē)身表面質(zhì)量的好壞重要標(biāo)準(zhǔn)。2.4.1 光順的概念 車(chē)身外形曲線(xiàn)曲面的設(shè)計(jì)既要保證良好的空氣動(dòng)力學(xué)特征，又要符合汽車(chē)造型的藝術(shù)原則，總是要求生產(chǎn)出的汽車(chē)產(chǎn)品的外

21、形是光順的。光順是工程上的術(shù)語(yǔ)，包括光滑與順眼兩方面含義。光滑是指空間曲線(xiàn)和曲面的連續(xù)階，數(shù)學(xué)上一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的曲線(xiàn)即為光滑的曲線(xiàn)。而順眼是人的主觀感覺(jué)評(píng)價(jià)，不同的外形設(shè)計(jì)人員按照同樣的設(shè)計(jì)要求，可能設(shè)計(jì)出不同的曲線(xiàn)曲面，看起來(lái)同樣光順。對(duì)于平面曲線(xiàn)，只要滿(mǎn)足下列三條要求準(zhǔn)則，即成為光順的，即：1）曲線(xiàn)二階連續(xù)；2）沒(méi)有多余拐點(diǎn)；3）曲率變化均勻?qū)?chē)身外表特征線(xiàn)，很多是空間曲線(xiàn)。對(duì)于空間曲線(xiàn)，目前尚沒(méi)有明確的光順性定義，我們只要把曲線(xiàn)投影到三個(gè)正交平面上（如車(chē)身的XY.YZ.XZ平面），用這三條投影曲線(xiàn)的光順性作為空間曲線(xiàn)光順性數(shù)據(jù)就可以了。2.4.2 車(chē)身曲線(xiàn)的光順在車(chē)身逆向工程中，我們對(duì)模型

22、樣車(chē)的車(chē)身零件三坐標(biāo)測(cè)量，得到是龐大的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行車(chē)身表面光順是必不可少的。上面已論述過(guò)，曲面光順是很復(fù)雜的。導(dǎo)致曲面不光順的主要原因在于組成曲面的曲線(xiàn)不合理、不光順。解決曲面光順的方法是選擇合理的曲面造型方案，保證組成曲面的曲線(xiàn)都是光順的。目前常用的光順?lè)椒ㄓ校耗芰糠ㄗ钚《朔ǎ瑘A率法，磨光法。（篇幅所限，不一一詳述）工程中，我們?cè)诖止忭槻捎脠A率法，精光順采用能量法。車(chē)身曲線(xiàn)光順的步驟：1、尋找壞點(diǎn)，并修改壞點(diǎn)的坐標(biāo)值；2、粗光順，使曲線(xiàn)上各段的曲率符號(hào)均一致，保證曲線(xiàn)的單凸或單凹性；3、精光順，使曲線(xiàn)上各段的曲率變化均勻，滿(mǎn)足光順的要求。由微分幾何理論可知，曲面凸性的判據(jù)是曲率。由高斯

23、曲率幾何意義可知，當(dāng)給定的主曲率大于零時(shí)，曲面在給定切平面的一側(cè)，曲面為凸平面。當(dāng)給定的主曲率小于零時(shí)，曲面在給定切平面的兩側(cè)，給定點(diǎn)附近非凸。2.4.3 車(chē)身曲面光順曲面光順應(yīng)滿(mǎn)足在曲面上沒(méi)有多余的凸區(qū)和凹區(qū)。曲面可視為包容于若干縱橫截面線(xiàn)曲線(xiàn)網(wǎng)格中的實(shí)體。只要縱橫兩方向的任何截面線(xiàn)達(dá)到光順，那么光順的曲面就形成了。因而，如果對(duì)空間型值點(diǎn)陣pi(xi,yi)在縱橫兩方向分別進(jìn)行光順處理，再得到的這線(xiàn)新的空間點(diǎn)陣形成曲面，就是光順曲面。光順曲面的方法：先光順曲面的縱向曲線(xiàn)，在所有的縱向曲線(xiàn)光順完畢后，通過(guò)新的型值點(diǎn)生成橫向樣條曲線(xiàn)并光順。因光順橫向樣條曲線(xiàn)時(shí)，改變了某些型值點(diǎn)的位置，這樣會(huì)引起

24、縱向樣條曲線(xiàn)的波動(dòng)。這樣就要重新生成縱向樣條的曲線(xiàn)并重新光順曲線(xiàn)。這樣反復(fù)多次，直至所有的縱向、橫向樣條曲線(xiàn)都滿(mǎn)足曲線(xiàn)光順的準(zhǔn)則，最后形成光順的車(chē)身曲面。2.5 車(chē)身曲線(xiàn)、曲面間處理的方法前兩節(jié)中，我們論述了曲線(xiàn)、曲面的生成理論，以及曲線(xiàn)、曲面的光順理論與方法，依據(jù)這些理論和方法，我們可以得理想而光順的曲面，但這些只是單純的曲線(xiàn)與曲面。我們知道，無(wú)論車(chē)身外表，還是車(chē)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)件本身均不是單純的曲面。車(chē)身零部件的復(fù)雜性，決定了它不能用一塊或幾個(gè)單純曲面來(lái)構(gòu)成，它一般都是由幾十塊大小不等、形狀各異的曲面，通過(guò)一定的曲面間技術(shù)處理而得到。車(chē)身零部件曲面間常見(jiàn)的處理方法有：曲面間拼接技術(shù)、過(guò)渡面生成、

25、三角域曲面的生成、法向等距曲面生成、曲面間交線(xiàn)生成、車(chē)身任意特征線(xiàn)生成、車(chē)身曲線(xiàn)曲面的追加造型（含曲線(xiàn)寄生、曲面寄生、曲線(xiàn)的延拓、曲面的延拓、車(chē)身曲面加筋、車(chē)身曲面翻邊等）。（篇幅所限，不一一詳述）3 車(chē)身逆向工程開(kāi)發(fā)技術(shù)在福田重卡車(chē)身的應(yīng)用過(guò)程3.1掃描前的作業(yè)3.1.1參考樣車(chē)的準(zhǔn)備參考樣車(chē)五臺(tái):一臺(tái)作為標(biāo)準(zhǔn)車(chē)，作為設(shè)計(jì)參考標(biāo)本；一臺(tái)拆解、作車(chē)身逆向工程測(cè)繪用；一臺(tái)作為造型設(shè)計(jì)做1：1油土模型用,土模型允許對(duì)車(chē)身局部破壞，但不得使車(chē)身基準(zhǔn)有變化；一臺(tái)作為模具開(kāi)發(fā)單位提前對(duì)車(chē)身進(jìn)行解體，對(duì)車(chē)身鈑金件提前進(jìn)行沖壓工藝分析；一臺(tái)作為焊裝夾具設(shè)計(jì)制造單位解體、分析用。3.1.2 參考車(chē)身總成的掃描

26、、測(cè)繪前定位、找正 定位、找正設(shè)備； 車(chē)身初步找正； 車(chē)身坐標(biāo)系的精確再定位；3.2 車(chē)身總成內(nèi)外表面掃描、測(cè)繪（參見(jiàn)下圖5、6示例） 圖6 激光掃描時(shí)監(jiān)控掃描數(shù)據(jù)圖5 進(jìn)行外表面掃描 3.3 車(chē)身焊接總成的拆解、掃描3.3.1 拆解前工藝模型架的制作（參見(jiàn)下圖7、8示例） 圖7 工藝模型架制作 圖8 已制作完成的工藝模型架3.3.2 大塊焊接總成工藝模型架的制作、車(chē)身總成拆解(參考圖9、10示例)3.3.3 大焊接總成及其零部件的補(bǔ)充掃描、測(cè)量(參考圖11示例) 圖9鉆除焊點(diǎn)除去焊縫 圖10用大力鉗夾緊焊 圖11對(duì)各大總成再次進(jìn)行掃描 3.5 車(chē)身外表面的掃描數(shù)據(jù)處理及表面光順 工作流程：對(duì)

27、上述步驟掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理拼合掃描點(diǎn)云以點(diǎn)云產(chǎn)生初步的表面進(jìn)行表面光順表面分線(xiàn)。下面分別以福田重卡前圍外表面為例加以說(shuō)明。（見(jiàn)圖12、13、14示例）圖12拼合掃描點(diǎn)云 圖13以點(diǎn)云產(chǎn)生初步的表面 圖14 進(jìn)行表面光順、分塊3.6 車(chē)身外表面表面光順的質(zhì)量檢查3.6.1利用計(jì)算機(jī)軟件曲面檢查功能進(jìn)行表面質(zhì)量檢查主要利用光順表面反射斑馬線(xiàn)、反射云圖、任意斷面線(xiàn)二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)等。下面舉例說(shuō)明福田重卡車(chē)身前圍板表面質(zhì)量檢查情況，結(jié)果是斑馬線(xiàn)均勻、流暢，無(wú)多余褶皺，反射云圖自然、真實(shí)，任意斷面線(xiàn)二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，說(shuō)明光順的表面計(jì)算機(jī)檢查通過(guò)。檢查圖片如下圖15 水平斑馬線(xiàn)檢查 圖16 水平斑馬線(xiàn)檢查 圖17 反射云圖自然、真實(shí) 圖18 任意斷面線(xiàn)二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)（橫向） 圖19 任意斷面線(xiàn)二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)（垂直）3.6.2銑削1：1樹(shù)脂外表模型評(píng)價(jià) 在用計(jì)算機(jī)軟件車(chē)身外表面光順的質(zhì)量檢查合格后，為了更加詳細(xì)地評(píng)價(jià)表面光順處理的結(jié)果，確保表面光順處理以及表面分塊、縫線(xiàn)設(shè)計(jì)合理，一般須用光順后的三維數(shù)據(jù)NC加工1：1的外表面樹(shù)脂模型。福田重卡逆向工程車(chē)身的外表面樹(shù)脂模型見(jiàn)下圖圖20 福田重卡逆向工程車(chē)身1：1