逆向工程汽车驾驶室曲面重构

1、 逆向工程汽车驾驶室曲面重构1.课题研究背景及意义    我国是一个人口大国和汽车大国。随着人们生活水平的不断提高，对汽车的需求已不在仅仅满足于其性能，开始对汽车的多样性和个性化提出了更高的需求。传统的汽车设计方法一不能满足人们的个性需求，而且还制约着汽车的更新速度和汽车产业的发展。在我国汽车使用者当前更多的是看重车身的外观造型，在汽车设计中，车身设计也是关键之术之一。为满足消费者的需求，一种新的技术逆向工程技术，在制造业迅速发展并应用到汽车领域。逆向工程技术作为一种新兴的技术在产品设计、开发、优化、定型等方面，都有很大的作用，能提高工业产品设计水平，缩

2、短研发周期，增强产品的市场竞争力。 我国现代汽车产品设计尤其是汽车曲面造型设计已经广泛使用逆向工程技术。该技术可以快速的重现国外的先进车身模型设计，进而快速地吸收国内外汽车车身设计的先进技术和设计理念，并经过车身设计师的二次开发，达到快速响应市场的目的。但是我国在该领域还与国外先进国家有着很大的差距，本课题就是在这种背景下开展研究的。2.逆向工程概述 逆向工程(Reverse Engineering, RE)也称反求工程,它是相对传统的设计而言。传统的产品实现通常是从概念设计到图样,再制造出产品,称之为正向工程,而产品的逆向工程是从一个存在的零件或原型入

3、手,首先对其进行数字化处理,然后构造CAD模型,经检查满意后,最后制造产品。目前大多数有关逆向工程技术的研究和应用都集中在几何形状即重建产品实物的CAD模型和最终产品的制造,称为实物逆向工程1,2。反求工程的基本流程如图 1 所示3。 逆向工程一般包括五大关键技术：数据获取，数据预处理，数据分块与曲面重构，CAD模型构造，快速原型制造。3.课题研究背景及意义      我国是一个人口大国和汽车大国。随着人们生活水平的不断提高，对汽车的需求已不在仅仅满足于其性能，开始对汽车的多样性和个性化提出了更高的需求。

4、传统的汽车设计方法一不能满足人们的个性需求，而且还制约着汽车的更新速度和汽车产业的发展。在我国汽车使用者当前更多的是看重车身的外观造型，在汽车设计中，车身设计也是关键之术之一。为满足消费者的需求，一种新的技术逆向工程技术，在制造业迅速发展并应用到汽车领域。逆向工程技术作为一种新兴的技术在产品设计、开发、优化、定型等方面，都有很大的作用，能提高工业产品设计水平，缩短研发周期，增强产品的市场竞争力。 我国现代汽车产品设计尤其是汽车曲面造型设计已经广泛使用逆向工程技术。该技术可以快速的重现国外的先进车身模型设计，进而快速地吸收国内外汽车车身设计的先进技术和设计理念，并经过车身设计师的二次开

5、发，达到快速响应市场的目的。但是我国在该领域还与国外先进国家有着很大的差距，本课题就是在这种背景下开展研究的。 逆向工程一般包括五大关键技术：数据获取，数据预处理，数据分块与曲面重构，CAD模型构造，快速原型制造。 4.国内外逆向工程的应用历史和现状  通用汽车公司早在20世纪六七十年代就开始了逆向工程软件的开发使用，这一时期软件都是企业内部开发，应用范围也局限于汽车外形的处理。日本也在20世纪六十年代开始使用逆向工程技术，并为日本的经济振兴，进而创造和开发各种新产品奠定了良好的基础。逆向工程技术的使用减少了产品开发的风险，提高了产品的研发周期，降低了开发成本。国

6、内外很多学者对反求工程技术进行了大量的研究。从蔚敬斌逆向工程技术及应用一文中了解到：在目前市场产品中较为著名的四大逆向工程软件是美国EDS的Imageware、美国雨滴公司的Geomagic Studio、英国DELCAM公司的CopyCAD和韩国NUS 公司出品的逆向工程软件 Rapid Form4。CATIA 软件是由法国 Dassault 公司开发的产品，由于其良好的集成环境及强大的曲面设计能力，越来越多的人开始用 CATIA 软件进行逆向工程设计。逆向工程在汽车产业的使用更丰富了国外的一些大型企业

7、和汽车设计公司的汽车车身创意和造型能力。他们在一个月内可以开发几时或者上百款汽车车身，大大增加了市场竞争力，繁荣了自己的品牌。 同样的在国内一些学者和研发单位也开展了对逆向工程的研究，但是由于起步较晚，大部分市场依然被国外技术占领。而且国内的逆向工程研究主要在高校，较为代表性的有上海交通大学国家工程模具中心的集成系统和自动建模技术、西安交通大学CIMS 中心的面向CMM 的逆向工程测量方法和基于线结构光视觉传感器的光学坐标测量机的研究、南京航空航天大学CAD/CAM 工程研究中心的基于海量散乱点三角网络面重建和自动建模方法、浙江大学生产工程研究所的三角面

8、片建模和华中科技大学的曲面测量与重建和等。在逆向技术软件研究上，国内主要也是集中在高校（如清华大学、西北工业大学、浙江大学等）。 另外在国内，逆向工程技术的使用不全面，范围小。很少企业使用三维造型软件，而且在企业中也仅有一部分人员会应用。对大多数人来说逆向工程技术还是比较陌生的。在这CAD的使用太单一，未能把所有的功能结合起来应用到产品开发。 因此，逆向工程在国内的发展还有更长的路要走。必须快速的接纳和吸收国外的在该领域的先进技术，使得我们在未来的产品设计开发上立于不败之地。 5.逆向工程工作流程  （1）曲面测量是逆向工程的第一步，一般是利用三坐标测量

9、机等测量设备将物体的表面数据转换成几何数据点的过程。常用方法主要有接触式和非接触式两大类。还有一种方法是逐层扫描测量法,如工业CT法、核磁共振法等。       接触式数据采集方法包括基于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描数据采集、磁场法、超声波法等。齐宝军.的CADCAE在汽车覆盖件成形中的应用提到非接触式数据采集方法主要运用光学原理采集数据，它分为以下几类测量方法：(1)激光扫描法(2)距离方法(3)结构光法(4)密栅云纹法(5)投影栅相位法(6)超声波法5.下面图2表示接触式和非接触式测量系统的优缺点6。  (2）点

10、云的预处理  导入点云数据，林有娣的汽车车身逆向工程关键技术的研究及应用中说道为了直观方便地进行数据处理，通常希望“点云"数据是对应于原始坐标系的值，这就涉及到测量坐标系与原始坐标系的坐标变换问题7。还可以删除对称部分较少工作量，还要对点云数据中的“噪声”点通过过滤方法进行预处理8。   （3）生成网格化数据并对其优化。赵宇明等人在逆向设计中点云处理的应用技术研究中提到划分上部网格的时候，在保证网格曲线可以很好地表示出结构曲面特征的基础上，将垂直于车轮轴向的曲线做了变密度分布处理。在曲率变化不大的平滑区域相对疏一些，在曲率变化较大的区域则相对密

11、一些，这样既保证了精度又减少了计算时间9。  （4）特征曲线提取和创建曲线  特征线是用来划分曲面特征的关键曲线，CATIA中建立云点特征的曲线有6种方法，曲线投影、平面交线、云点交线、网格面边线、空间曲线和交线曲线。创建曲线就是基于点云截面线创建曲线，另外通过对交线的拟合创建构成曲面必须的边界曲线。王正如、梁晋等人的基于逆向工程的汽车覆盖件CAD建模技术研究中提到：在创建曲线之前，首先应该对工件进行整体分析，根据工件不同部位的特征对点云选择和分块，为方便点云处理过程，可以根据需要建立不同的层，在活动层由已存在的点创建曲线构造曲线时应该遵循以下原则10： 

12、;1）控制点数量适当原则 在选在控制点时，不应只为追求与点云数据的高度吻合丢失曲线的光顺性 流畅性，反之，数据点过少会使构建的曲线与实际有较大偏差 2）曲线最优原则 构造的曲线应当通过点云最有序 最能反映工件特征的区域 点云数据的边界地区往往会存在大量的噪声点和冗余点，通常所构造的曲线不通过点云数据的整个曲面，只是通过数据最优点，然后利用Tangent、Curvature、Natural延伸曲线。  （5）曲率分析、曲线光顺及距离分析  距离分析，分析两个物件之间的距离并用色阶形式显示，能够检查出重构模&

13、#160;型曲面与数据点云之间误差。曲率分析，通过高斯曲率 截面曲率切矢双向曲率法向矢量等分析方法来检查曲线曲面质量 。  （6）曲面重构和光顺  曲面重构是逆向工程的关键，首先通过点云网格化数据进行分块，然后分别构建出曲面，最后所有曲面拟合成为完整的曲面。CATIA的曲面造型的原理就是基于上述曲面数学模型来描述任意空间曲面,在汽车零部件复杂曲面设计中,一般采用的B样条曲面为双三次B样条曲面11。      CATIA曲面造型技术主要有规则曲面造型和复杂曲面造型两种,复杂曲面的造型设计是产品设计

14、的难点和重点。曲面构造的方式,可分为以下几类11: 1)扫描曲面:发生线沿“脊线”运动扫过形成的曲面; 2)截面驱动曲面:控制各截面形状/面积,按“脊线”运动形成的曲面; 3)连接曲面:以确定的控制线对两个曲面倒圆形成的曲面; 4)填充曲面:在已有的曲面围成的区域的空白处填充形成的曲面; 5)布尔运算:对几个曲面的布尔运算形成的曲面。     冉险生等人在基于CATIAV5的ATV曲面逆向设计中提到：在逆向设计中,要构建A级曲面,必须对曲面进行人工干预,使用调接曲面控制点的方法,构建出真实反映造

15、型设计师意图的完美曲面12。控制顶点的修正方法是曲面造型中最常用的功能。光顺的曲面不一定是CLASSA曲面,要达到A级曲面必须满足12: 1) 曲面与曲面间二阶连续(G2连续)。 2) 曲面控制点均匀,具有良好的延展性。 3) 相邻曲面间的间隙在0. 005mm以下,切率改变在0. 16°以下,曲率改变在0. 005°以下。 4) 曲面应光顺,单块曲面(patch)单调,即单调凹或单调凸;避免表面突然凸起、凹陷等缺陷。 5) 与目标物体的误差需控

16、制在规定的范围内。     赵宇明博士论文汽车造型设计中曲面重建方法的应用研究提到B样条及NURBS曲面表示是目前成熟的商品化CADCAM系统中广泛采用的曲面表示方法，这类曲面可以应用四边形参数曲面片插值、拉伸、旋转、放样(Lofting)或蒙皮(Skining)、扫掠(Sweeping)、混合(Blend)和四边界方法(Boundaries)构造，也称矩形域的参数曲面或四边曲面，依此为基础，已经形成一套完整的曲面延伸、求交、裁剪、变换、光滑拼接及曲面光顺等算法。三角曲面也称三边曲面，在逆向工程中，如果面对的型值点数据是密集的“点云”散乱数据，

17、而且曲面对象边界和形状极其复杂时，一般运用三角曲面。由于其构造灵活、边界适应性好，具有构造复杂形状的潜力，在研究中逐渐受到重视13。赵柳等人在逆向工程中点云数据的曲面重构方法研究中提出了一种新的曲面重构方法：Bezier 法和 B-样条法在自由造型设计中具有良好性质 : 光滑性、局部性和保形性，但是也存在不足 : Bezier法的光滑拼接条件苛刻，B-样条法不具有插值性功能。基于以上观点。我们提出一种兼备 Bezier 法和 B- 样条法优点的 C2 插值五次样条法，产生的样

18、条参数曲线具有局部性、保形性和可调控 性。不论从方法的产生还是其具有的功能讲。都可以说它是 Bezier 法和 B- 样条法的结合 14。徐家川等人在汽车车身 A级曲面的表示与次数选择分析了汽车车身在光顺过程中曲线（曲面）的 Bézier 表示方法和 B 样条表示方法，并对 2 种方法表示的曲线（曲面）品质进行了对比分析。 在此基础上，提出选用 Bézier 表示方法光顺汽车车身 A 级曲面，同时

19、根据高次曲线（曲面）的振荡性和光顺要求，将曲线（曲面）的次数限制在 27 次。 试验表明，采用 Bézier 方法得到的某汽车车身曲面符合造型要求，其曲面之间的斑马线光滑过渡，达到了 A 级曲面的要求15。 曲面的品质检测及调整  利用计算机软件曲面检查功能进行表面质量检查，主要利用光顺表面反射斑马线、反射云图、任意断面线二阶导数连续等。目前常用的光顺方法有：能量法最小二乘法，圆率法，磨光法。张欣宇的基于逆向工程的汽车外形设计方法的应用研究提到：能量法是手工光顺曲线的进一步模拟，是把曲

20、线视为弹性梁，依据变形能量极小的原理反复修正，使每次修正后的能量均小于前一次，直至曲线光顺为止。最小二乘法是使用某一相似的函数，逼进测量点，且使测量数据与函数的相应计算值的平方和为最小，这种方法需要预先规定其大偏差值，如果偏差过小，曲线贴近测量点，光顺性不好，如果偏差过大，虽可以使曲线达到光滑，但也容易使曲线背离设计思想。圆率法是一种选点修改法，其基础是承认极大多数点是好的或比较好的点，不需要插值曲线，其光顺的过程就是从离散的大量型值点分布的几何位置出发直接判断点列的光顺性，进而把少数坏点排出来，逐个予以修正。它特别适合几何外形的光顺问题16。 6.总结与展望     逆向工程为制造业提供了一个全新高效的重构手段，实现了从实际物体到几何模型的转换。逆向工程技术在国内的应用更能加快我国制造业的发展，减少国外的技术垄断，还可以学习和吸收国外在产品设计和开发的先进技术，赶追世界先进水平。  参考文献: 1 栗全庆,王 宏,张英杰,等.实物反求工程的关键技术分析J.机械设计,1999,6(6):4-7. 2&