1、精品 料推薦汽車車身逆向工程設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用逆向工程設(shè)計方法是汽車車身設(shè)計過程中的一個重要環(huán)節(jié)， 也是一種快速設(shè)計的工程方法。逆向工程設(shè)計主要包括如下過程：三維測量獲得點云數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、特征的提取、曲面重構(gòu)和曲面評價等。 逆向設(shè)計并不是簡單地復制， 而是要在逆向過程中增加一些特征要素，設(shè)計出工藝性更好，質(zhì)量更高的產(chǎn)品的過程。該文主要探討汽車車身逆向設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)特點。在汽車的整體設(shè)計中，車身占整車總成本的40%以上。汽車更新的速度主要體現(xiàn)在車身方面，人們對汽車的關(guān)注首先就是汽車的外觀質(zhì)量。因此車身設(shè)計是轎車開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。日益成熟的 cad/cae/cam一體化產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)在汽車

2、車身設(shè)計領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著三維測量技術(shù)逐漸成熟， 逆向工程設(shè)計技術(shù)能夠快速將車身油泥模型或其他實物模型，快速地轉(zhuǎn)變?yōu)槿S曲面等數(shù)模，從而可以快速地進行模具設(shè)計，快速地生產(chǎn)車身，極大地縮短了車身的設(shè)計周期。同時該方法也可以快速地吸收國內(nèi)外汽車車身設(shè)計的先進技術(shù)，然后經(jīng)過我們的再設(shè)計，快速響應(yīng)市場，達到事半功倍的效果。逆向設(shè)計的核心思想是將實物模型轉(zhuǎn)化為計算機能夠表達的三維數(shù)模的一種過程。簡單地說就是從實物到圖樣的過程。逆向工程設(shè)計的核心思想是以實物模型為參考，增加我們自己的創(chuàng)新知識，設(shè)計出符合要求，又要高于原來實物的設(shè)計過程。這就相當于我們過去常講的類比設(shè)計。其實任何設(shè)計都是在一定的參考基礎(chǔ)

3、之上，逐步發(fā)展完善的過程。在從事逆向工程設(shè)計的過程中，人們可能會發(fā)現(xiàn)，雖然同是一個模型，但是不同的人，設(shè)計的效率和質(zhì)量可能有比較大的差別。本文就是基于這樣的目的，探討逆向工程設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。一、車身模型的測量車身的測量根據(jù)測頭與車身模型是否接觸分為接觸式測量與非接觸式測量。接觸式測量主要采用三坐標測量機，非接觸式測量又包括激光測量和結(jié)構(gòu)光測量。接觸式測量優(yōu)點是精度高，缺點是效率比較低。測頭的大小與接觸力的大小對測量的精度都有影響。非接觸式測量優(yōu)點是效率高，缺點是精度低一些。比如對于圖 1 所示的吉普車車身，采用非接觸測量的方法只需要一兩天的時間即可。為了提高測量的效果和精度，一般要在車身上噴上

4、顯影增強劑，如圖2 所示。1精品 料推薦圖 1 吉普車圖 2 噴顯影劑的車身1. 車身模型坐標系的確定為了方便測量及測量后的數(shù)據(jù)處理，首先要確定車身坐標系。對于轎車車身，一般以汽車前軸的中心為坐標原點，向后為x 軸，向右為 y軸，向上為 z 軸。具體的做法是將車2精品 料推薦身支撐固定在單臂或雙臂的劃線機 ( 三坐標測量機 ) ，如圖 3 所示。根據(jù)測量的結(jié)果，調(diào)整車身的前、后、左、右等位置，最后確定車身沒有發(fā)生大的扭曲變形，直到正確為止。圖 3 車身定坐標系2. 貼車身 mark 點對于汽車車身，現(xiàn)在通常的做法是采用非接觸測量方法，比較常用的是采用結(jié)構(gòu)光的照相法。照相法的測量的核心就是點云片

5、的拼接技術(shù)。首先在車身的表面噴灑乳白色顯像劑，然后在上面貼 mark 標記點。 mark 標記點實際上是后序測量的點云片的拼接所用的定位點，如圖 4 所示。圖 5 車身 mark 點標志點不要貼成直線，貼標記點的原則是三維掃描的每幅幅面的范圍內(nèi)應(yīng)該擁有四個標記點，四個標記點盡量能夠分散，盡量不要在孤立位置和曲率變化較大處。分散的目的就是將將來依據(jù)標記點拼接的時候，可以將拼接誤差盡量地減小。標記點貼的質(zhì)量直接影響測量的精度。隨著計算機技術(shù)和圖像處理技術(shù)的提高，單幅點云的精度一般都比較高，但是不同的掃描系統(tǒng)之所以出現(xiàn)比較大的質(zhì)量差別就是因為點云片的拼接技術(shù)存在差別。同樣的掃描系統(tǒng)，標記點的貼的技巧

6、如果沒有充分掌握，測量出來的結(jié)果可能也有比較大的差別。3. 測量車身 mark 點3精品 料推薦標記點是用于點云片的定位的。因此，標記點測量的準確與否對整個車身的測量精度至關(guān)重要。測量的方法一般是采用高精度的相機，在車身上一般還要放置一些測量基準桿件，作為圖像處理時標定。對車身上的所有標記點從不同角度進行大量的拍攝。然后進行圖像處理，獲得標記點的三維數(shù)據(jù)，如圖 6 所指示。圖 6 三維 mark 點4. 車身曲面片測量采用三維掃描儀測量，當標記點測量之后，一般在進行這部分測量的時候，測量的順序就沒有過高的要求，因為測量的每一片點云是靠上面的標記點進行拼接的。也就是點云片之間沒有誤差累積的問題。

7、測量的時候，要注意的是測量的每一片點云至少要包含三到四個標記點，包含的越多，拼接的精度越高。因為拼接時是點云片上標記點要與已經(jīng)測量的標記點框架要匹配。因為兩次測量，就是對與同一個標記點也會存在測量誤差。所以在拼接的時候，點云片上的標記點都要參與標記點框架的匹配，這樣測量誤差就會減小。這部分的技術(shù)關(guān)鍵主要有：(1) 測量的角度與距離要嚴格按照掃描儀器上所要求的操作規(guī)范;(2) 測量環(huán)境，如環(huán)境光線的強弱要滿足測量要求 ;(3) 測量的每一片點云范圍要包含盡量多的標記點 ;(4) 相臨的點云片的重疊部分以 30mm為基準即可。一般的三維掃描系統(tǒng)，在測量的過程，點云就可以自動拼接到標記點框架子上了。

8、也有測量系統(tǒng)要其他的軟件進行拼接。不管采用何種辦法拼接，關(guān)鍵是能否保證測量的精度和效率，這是關(guān)鍵。車身測量完成之后，可以獲得asc 碼、 stl碼等格式的數(shù)據(jù)文件，里面包含的就是車身的三維點數(shù)據(jù)(x,y,z)。如圖 7 所示4精品 料推薦圖 7 車身點云數(shù)據(jù)二、車身點云的數(shù)據(jù)處理1. 數(shù)據(jù)預處理在車身測量的過程中，由于光線的明暗、輔助工具的的介入、測量儀器的偶然因素、操作者的操作水平等因素，如果采用接觸式測量，測量時的震動等都會對測量出來的數(shù)據(jù)點都可能產(chǎn)生一定的影響，測到的點是錯誤的，我們可以認為是測量噪聲或壞點。不論采用什么方法測量都會產(chǎn)生壞點，一般是不可能全部避免的， 關(guān)鍵是要掌握如何剔除

9、的方法。(1) 首先要反復觀察被測量的物體與已經(jīng)測量的點云數(shù)據(jù)， 壞點非常容易判斷， 比如測量車身，有些數(shù)據(jù)點跑到車身的外面或內(nèi)部， 這就是壞點， 必須手工刪除或采用軟件刪除，如圖 8 所示。圖 8 壞點剔除(2) 軟件剔除，比如剔除遠離的分散點等，但是有時效果不太好。(3) 有時直接觀察離散點， 因為沒有消隱， 分辨起來有一定的困難， 這時可以將點云進行鋪面 ( 做成三角面 ) 渲染，使點云看起來比較像實體，就非常方便消除壞點了。數(shù)據(jù)點過濾， 在測量的過程中， 特別是采用非接觸法測量車輛， 數(shù)據(jù)點數(shù)量非常龐大。在做逆向過程中，點云是做參考使用的，因此，有些位置的數(shù)據(jù)點沒有必要太多，比如平5精

10、品 料推薦面、平坦的曲面等。在不影響逆向設(shè)計的情況下，要將測量的數(shù)據(jù)點過濾掉一部分?？梢源蠓鹊販p少占用計算機的內(nèi)存，處理的速度和效率都可以大幅度地提高。過濾主要采用等半徑區(qū)域過濾和定弦高方法兩種方法。等半徑區(qū)域過濾過濾方法主要適合，曲面比較平坦的場合。定弦高方法主要適合曲面變化比較大的場合，該方法處理的效果是曲面比較平坦的地方，點比較稀疏，曲面變化劇烈的地方，點的數(shù)量比較多一些。通常采用這種方法的時候，仍然要限制相臨點之間的距離，以方便以后的操作，過濾之后結(jié)果如圖9 所示。圖 9 點云數(shù)據(jù)精簡2. 點云的渲染對點云鋪面渲染， 點云看起來比較像實體， 如圖 10 所示。這樣操作的目的是便于后續(xù)

11、在做曲面的時候，容易分析曲面的大小，方便曲面規(guī)劃設(shè)計等。圖 10 渲染效果三、車身曲面逆向工程設(shè)計1. 設(shè)計的基本流程(1) 車身坐標系的確定6精品 料推薦根據(jù)車身在測量前的的固定位置和汽車車身坐標系的規(guī)范等，要采用坐標轉(zhuǎn)換的方法，確定汽車車身坐標系。以汽車的前軸中心為坐標原點、向后為x 軸、向右為 y 軸、向上為z 軸。(2) 分析被測量車身的部位與功用這點非常關(guān)鍵。比如如果車身是外覆蓋件，那么，一般要求車身的表面是 a 級面，曲面要求光順。 對于車身的內(nèi)板件， 一般要求不要求 a 級面，但是要求在滿足功能的前提下，要滿足沖壓、焊接等工藝性的要求。這時做出的面可能與點云有比較大的誤差。(3)

12、 分析是否變形這個車身是否變形，變形量大概有多少要了解。因為車身零件是薄壁件，變形是非常正常的情況，那么在設(shè)計的時候必須分析出來。如果按點云來做，可能會將原來件上的毛病也制造出來了，這種情況一般會出現(xiàn)在制造和設(shè)計經(jīng)驗不足的設(shè)計人員身上。(4) 要從全局來分析曲面的大小在車身上有時經(jīng)常出現(xiàn)， 不同部位的車身， 理論上應(yīng)該是一個大面， 而不是幾個小面。如果幾個小面單獨做，這樣制造出來后，在曲面分析的時候會發(fā)現(xiàn)車身曲面的光順性和美觀程度有毛病，因為理論上應(yīng)該是一個大面的情況下，先做的幾個小面不可能共面。因此會出現(xiàn)問題。 總之，曲面盡量要做大面， 要揣摩正向設(shè)計的設(shè)計思路， 從根上來從事設(shè)計，更能抓住

13、本質(zhì)，抓住設(shè)計的靈魂。(5) 整體考慮對于車身的外覆蓋件，在逆向設(shè)計的時候不要考慮車身的分片等因素，要把車身作為一個整體考慮，等車身全部設(shè)計完成之后，然后再考慮車身的分界問題，例如車門與側(cè)圍等部分。(6) 車身曲面的評價與修改對于車身的外覆蓋件一般要求 a 級曲面。對于一個曲面的光順性不是靠評價獲得的，而是靠曲面的設(shè)計技巧來獲得，曲面的關(guān)順性要貫穿在設(shè)計的過程之中。曲面的評價只是一種驗證工作。 如果曲面的關(guān)順性靠驗證， 然后修改，那么曲面設(shè)計的效率就會大打折扣。曲面的光順性思想要體現(xiàn)在曲面設(shè)計的具體步驟上，比如構(gòu)造曲面的曲線必須是光順的。(7) 車身曲面的細節(jié)處理曲面的倒角處理是車身曲面構(gòu)造的

14、一個重要環(huán)節(jié)，同樣的幾個曲面，不同的倒角順序和方法獲得的效果是不一樣的。設(shè)計人員一定要根據(jù)曲面的成形性和美觀等方面的要求去考慮，采用不同的方法和步驟。對于車身的內(nèi)板件，也就是結(jié)構(gòu)件，倒角的半徑一般要圓整，比如如果測量點云獲得的半徑數(shù)值比如是 3.3 ，我們一定要將倒角半徑修改為 3.5 或 4。其原因也是為了制造的工藝性。 因為在加工沖壓模具的時候， 圓整后的刀具我們?nèi)菀踪I到，如果圓角半徑不是標準的數(shù)據(jù)，制造的時候就必須采用比較小的刀具來處理，這樣會造成加工效率的低下。另外車身曲面，特別是結(jié)構(gòu)件，能夠是平面的，盡量采用平面設(shè)計，只要滿足剛度和強度的設(shè)計即可。也就是盡量結(jié)構(gòu)簡化。車身的外覆蓋件也

15、并不是各處都要7精品 料推薦求 a 級曲面，有的局部故意要求棱角分明，這要根據(jù)設(shè)計者的理念去分析，確定相應(yīng)的方法。車身曲面上的孔和洞的處理，一般要在車身曲面構(gòu)造完成之后，再根據(jù)功能的要求去處理。對于曲面上的孔，盡量將孔開在平坦的曲面上，這樣車身零件的工藝性比較好。需要注意的是，盡量采用一種軟件進行逆向設(shè)計工作，如果采用兩種或兩種以上的軟件來處理的話，可能會出現(xiàn)因為格式的轉(zhuǎn)化，帶來曲面邊界的誤差，給曲面設(shè)計帶來不必要的麻煩。四、車身逆向?qū)嵗鶕?jù)圖 1 中的吉普車車身我們進行了測量和構(gòu)造曲面的工作， 如圖 11 所指示。關(guān)于設(shè)計細節(jié)，在這里就不一一探討了。下面就設(shè)計的思路和里面用到的技巧問題在這里

16、簡單探討一下。在構(gòu)造曲面的過程中，根據(jù)車身的各部分的功能分析，如果是部分曲面可以是簡單曲面，比如平面、圓柱面、圓錐面和球面等。那么我們就可以采用快速構(gòu)造曲面的方法快速構(gòu)面，并且根據(jù)需要盡量擴大曲面，便于曲面的裁剪。構(gòu)造曲面不一定非要提取特征線。對于車身的自由曲面，雖然有些文獻介紹各種提取特征線的方法，但是在實際使用的過程中，應(yīng)該還有很大的局限性，有的獲得曲線我們使用起來對我們的設(shè)計反而造成困難。 比如有的文獻可以提取兩個曲面的交線。 但是實際上，在正向設(shè)計的過程中，一般的情況下，曲面的交線是兩個曲面互相裁剪而得到。如果我們采用提取的邊界進行構(gòu)造曲面，這時可能造成構(gòu)造的曲面的參數(shù)線是扭曲的。要將這樣的曲面調(diào)整成光順或光滑地與其他曲面連接，或者倒角可能造成比較大的困難。有的時候特征線可能還不好確定。在這樣的情況下，我們要采用正向設(shè)計的思維形式來解決這種問題。如果正向設(shè)計，這個位置的曲面的構(gòu)造方法應(yīng)該是什么樣的，我們應(yīng)該清楚。否則的話，這個曲面