逆向工程在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

祝珂

（武漢理工大學(xué)）

由于車身的開發(fā)過程需要大量資金、技術(shù)及人才的積累，目前許多汽車生產(chǎn)廠家還沒有形成很高的研發(fā)能力。如果完全依靠正向開發(fā)，則設(shè)計(jì)過程進(jìn)展慢，設(shè)計(jì)能力在短時間內(nèi)也不會有明顯提高，并且產(chǎn)品品質(zhì)跟國外現(xiàn)有的汽車品質(zhì)相比會有較大差別，沒有市場競爭力。但是，如果完全靠國外技術(shù)，就永遠(yuǎn)不可能形成自己的研發(fā)能力。所以，現(xiàn)在各汽車企業(yè)提升自主開發(fā)能力，趕上世界先進(jìn)水平的唯一辦法是站在巨人的肩膀上，對國際上的新技術(shù)進(jìn)行消化、吸收及改進(jìn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

1 逆向工程簡介

逆向工程（Reverse Engineering）也稱反求工程，是針對現(xiàn)有工件（樣品或模型，尤其是復(fù)雜不規(guī)則的自由曲面），利用3D數(shù)字化測量儀器準(zhǔn)確、快速地測量出工件輪廓坐標(biāo)值，通過數(shù)據(jù)處理、重構(gòu)曲線曲面、編輯及修改后，將圖檔轉(zhuǎn)至一般的CAD/CAM系統(tǒng)，再由加工機(jī)制做所需模型，或者用快速成型機(jī)將樣品模型制作出來，這一流程稱為逆向工程。它運(yùn)用系統(tǒng)工程學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法學(xué)及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的理論和方法，探索支持產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)、制造及管理關(guān)鍵技術(shù)。逆向工程是對已有產(chǎn)品原型消化吸收，并挖掘蘊(yùn)含在產(chǎn)品中的涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和管理等技術(shù)，它是分析方法與技術(shù)的綜合，是對已有設(shè)計(jì)的再設(shè)計(jì)。但逆向工程不是簡單的產(chǎn)品復(fù)制，它特別強(qiáng)調(diào)再設(shè)計(jì)是逆向工程的靈魂。

2 逆向工程的發(fā)展?fàn)顩r

目前，我國汽車設(shè)計(jì)制造水平與發(fā)達(dá)國家還有一定的差距，如何在借鑒國外先進(jìn)成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)和必要的改進(jìn)，以便快速、高效的得到有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品投放市場，對于節(jié)省費(fèi)用，縮短研發(fā)周期，提高競爭力和減少風(fēng)險(xiǎn)有著非常重要的意義。利用逆向工程的現(xiàn)代車身設(shè)計(jì)方法可以充分吸收國外先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造成果，使我國的產(chǎn)品設(shè)計(jì)立足于更高的起點(diǎn)，同時加速某些產(chǎn)品的國產(chǎn)化速度。目前，逆向工程在汽車設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）汽車車身及相關(guān)零部件（車身飾板、儀表臺等）形狀獨(dú)特而復(fù)雜的自由曲面的建立。

2）由于工藝、美觀及使用效果等方面的原因，人們經(jīng)常要對已有的車身構(gòu)造做局部修改。以已有產(chǎn)品為基準(zhǔn)點(diǎn)（bench marking）進(jìn)行設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)今車身設(shè)計(jì)的一條設(shè)計(jì)理念。在原始設(shè)計(jì)沒有三維CAD模型的情況下，若能將實(shí)物構(gòu)件通過數(shù)據(jù)測量與處理產(chǎn)生與實(shí)際相符的CAD模型，對CAD模型進(jìn)行修改以后再進(jìn)行加工，將顯著提高生產(chǎn)效率。逆向的車身設(shè)計(jì)方法在改形設(shè)計(jì)方面可以發(fā)揮不可替代的作用。

3）利用逆向工程手段，可以方便地產(chǎn)生基于模型的計(jì)算機(jī)視覺，可以在車身設(shè)計(jì)的前期對車身造型進(jìn)行反復(fù)的評審，獲得最佳造型效果，減少后期不必要的浪費(fèi)[1]。

4）通過實(shí)物模型產(chǎn)生CAD模型，可以使產(chǎn)品設(shè)計(jì)充分利用CAD技術(shù)的優(yōu)勢，并適應(yīng)智能化、集成化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中的信息交換。

3 逆向工程前景

當(dāng)今世界，在經(jīng)濟(jì)全球化、貿(mào)易自由化及社會信息化的新形勢下，全球制造企業(yè)之間的競爭日趨激烈，制造業(yè)對市場的快速響應(yīng)（交貨期）在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)成為競爭的焦點(diǎn)。隨著汽車制造業(yè)保護(hù)年限的日益迫近，國內(nèi)轎車生產(chǎn)企業(yè)要想贏得競爭，就要以市場為中心，以滿足顧客需求為主線，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動力，最快速的響應(yīng)市場變化，并迅速贏得市場和用戶。換句話說，就是企業(yè)必須以最短的產(chǎn)品開發(fā)時間、最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量、最低廉的制造成本和銷售價(jià)格、最好的技術(shù)支持和全過程服務(wù)、最佳的環(huán)保效果以及最快速的市場適應(yīng)性來生產(chǎn)適銷對路的產(chǎn)品，使其進(jìn)入市場、占領(lǐng)市場，進(jìn)而領(lǐng)導(dǎo)市場[2]。

4 逆向工程流程

4.1 概念草圖和效果圖

經(jīng)過大量的市場調(diào)查和分析，接下來是創(chuàng)意階段，是設(shè)計(jì)師天馬行空發(fā)揮想象力，思維發(fā)散的階段。此時的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)者將自己的構(gòu)思和靈感用手繪的形式快速地表現(xiàn)出來，是記錄過程形成的結(jié)果，被稱作構(gòu)思草圖，這些草圖只是對汽車整體造型的感覺和方向的概括，無需向他人展示傳達(dá)。因?yàn)闃?gòu)思草圖不必描繪過多的細(xì)節(jié)，所以要求的數(shù)量很大，一般情況下1個設(shè)計(jì)者1天之內(nèi)要畫60張草圖。草圖畫得越多，設(shè)計(jì)師的思路越開闊，對設(shè)計(jì)任務(wù)理解的程度越深刻。當(dāng)構(gòu)思草圖達(dá)到一定數(shù)量時，需要對一些可行性概念進(jìn)行整理和深化發(fā)展，進(jìn)入創(chuàng)意的第2個階段，即概念效果圖階段。此階段的方案用于內(nèi)部交流，必須畫出較為清晰和完整的概念效果圖，它要求描繪出汽車的整體形態(tài)、尺寸比例、材質(zhì)及色彩。概念效果圖是構(gòu)思草圖的完善與深入，但不是最終效果，須求質(zhì)又求量，并要求一定的繪制速度，但一些細(xì)節(jié)可以忽略。概念效果圖適用于深入分析、評價(jià)推敲方案及與他人溝通交流，同時也是繪制精細(xì)效果圖的前期準(zhǔn)備。渲染效果圖是對確定了的方案在形態(tài)、色彩及材質(zhì)肌理上進(jìn)行正確和精密的描述，使任何人看了都能一目了然。逼真的渲染效果圖可吸引更多評審者的眼球，也可使決策者下決心肯定設(shè)計(jì)方案。

4.2 比例模型

渲染效果圖通過評審，選擇優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比例模型制作。比例模型是設(shè)計(jì)師將二維圖形轉(zhuǎn)化成三維實(shí)體造型的過程，是再設(shè)計(jì)的過程，在比例模型上設(shè)計(jì)師可以反復(fù)的推敲汽車造型的型面和一些細(xì)節(jié)，更真實(shí)的表達(dá)自己的設(shè)計(jì)意圖。1）按尺寸分，縮小比例模型有 3 種，即：1：5，1：4 和 1：2。對于轎車，1：5 和 1：4是比較合適的尺寸比例，一般轎車長度為4 m左右，比例模型的尺寸為800～1 000 mm，制作工作量不大，便于修改，曲線和曲面不用花費(fèi)很大的力氣就能達(dá)到光滑順暢的效果。而1：2的尺寸比例就相對大一些，線面的表現(xiàn)更直觀，但尺寸較大，手工制作起來費(fèi)時、費(fèi)力，是非主流的比例。2）按材料分，可分為油泥模型、石膏模型和仿真模型3種。油泥是油脂、填料、改性添加劑及顏料等的混合物，便于反復(fù)修改，不易風(fēng)化干燥和變形龜裂，因而模型尺寸較穩(wěn)定，是目前汽車造型最廣泛應(yīng)用的材料。石膏較便宜，但強(qiáng)度低且不易于反復(fù)修改。仿真模型具有逼真的材質(zhì)和效果，不能用于推敲造型，常作為車型檔案保存之用。評審需要的模型完成后，要進(jìn)行仿真處理，表面進(jìn)行噴涂油漆或敷上具有真車表面效果的薄膜，車窗、散熱器罩及前后燈等真車上具有的細(xì)節(jié)一樣都不能少，可謂麻雀雖小五臟俱全。

膠帶圖是設(shè)計(jì)師根據(jù)汽車總布置圖，在帶有坐標(biāo)網(wǎng)格線的薄膜上利用專用的不干膠帶貼出設(shè)計(jì)方案的造型線圖，它由多個視圖組成（側(cè)視圖、俯視圖、前視圖、后視圖）。各個視圖的線條都能夠一一對應(yīng)且誤差要求很小，這個環(huán)節(jié)要求設(shè)計(jì)師要具備良好的三維空間想象能力及扎實(shí)的機(jī)械制圖功底。膠帶圖是將效果圖轉(zhuǎn)化成模型的橋梁紐帶，比例模型也是依據(jù)比例膠帶圖展開加工制作的。膠帶圖的另一個重要作用是，它可以作為造型可行性分析的依據(jù)，1：1膠帶圖能夠真實(shí)地反映出實(shí)車的尺寸比例和造型特點(diǎn)。因此，在貼制的過程中，需要有其他的工程技術(shù)人員進(jìn)行配合，檢驗(yàn)?zāi)z帶圖所表達(dá)的線面是否與內(nèi)部結(jié)構(gòu)干涉，如果發(fā)現(xiàn)問題，設(shè)計(jì)師要和工程技術(shù)人員進(jìn)行協(xié)商，確定是修改內(nèi)部結(jié)構(gòu)還是修改膠帶圖[3]。

4.3 整車油泥模型

比例模型是1：1全尺寸模型的試驗(yàn)及準(zhǔn)備階段，是確定1：1模型造型方向的前提，不能代替全尺寸模型，因?yàn)楸壤Ｐ偷闹庇^性不如全尺寸模型。例如在縮小比例模型，一條看起來比較舒展的腰線，等比縮放成實(shí)際尺寸后，會顯得弧度過大或拘謹(jǐn)。比例模型這個環(huán)節(jié)是不能省略的，如果把效果圖直接制作成全比例模型，中間就缺少了推敲的過程，在1：1模型上反復(fù)推敲方案將費(fèi)時、費(fèi)力。因?yàn)槿叽缒Ｐ偷闹谱鞴ぷ髁亢艽?，首先要根?jù)總布置圖的要求，精確的制作模型骨架，留足所需的油泥加工量及修改量。需要將近1.5 t的油泥用手工碾壓在模型骨架上，然后由經(jīng)驗(yàn)豐富的油泥模型師以手工的形式把模型雕塑得光順，整個過程的尺寸控制是非常嚴(yán)格的，要精確到毫米或零點(diǎn)幾毫米。1：1模型不適合整體造型的反復(fù)大幅度修改，整體造型的大改動只能在比例模型上進(jìn)行[4]。

4.4 數(shù)模構(gòu)建

4.4.1 點(diǎn)測量

測量方法的選用是逆向工程中一個非常重要的問題，它不僅決定了測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量和測量效率，而且直接影響后續(xù)工作，即造型方法的選取及建模的質(zhì)量和精度。根據(jù)調(diào)查可以選用ATOS三維光學(xué)測量儀來獲取樣件表面的三維坐標(biāo)信息。

4.4.2 點(diǎn)的處理

無論是接觸法還是非接觸法獲取的數(shù)據(jù)，由于受各種因素的影響，都會存在各種測量誤差，如錯誤數(shù)據(jù)、噪聲數(shù)據(jù)等，不可避免地引入不合理的噪聲點(diǎn)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)約占數(shù)據(jù)總量的0.1%～5%[5]。這些噪聲點(diǎn)將直接影響特征點(diǎn)云的精度、重建模型的質(zhì)量，其結(jié)果將導(dǎo)致重構(gòu)曲線、曲面不光滑，降低模型重構(gòu)的精度，因而在模型重建之前，需對點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾去噪聲點(diǎn)[6]。

采用激光掃描法采集的數(shù)據(jù)往往十分密集，數(shù)據(jù)量一般都在數(shù)兆字節(jié)，甚至高達(dá)數(shù)十兆字節(jié)，即使處理了噪聲點(diǎn)，數(shù)據(jù)量仍然很大，一般不會直接使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線或曲面的重構(gòu)。因?yàn)槟菢幼?，會使?jì)算效率大大降低，消耗更多內(nèi)存，而且重構(gòu)出的曲線、曲面的精度并不一定高，甚至誤差很大。因此，有必要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。數(shù)據(jù)精簡的目的是壓縮不必要的數(shù)據(jù)點(diǎn)，在保證精度的前提下生成適合于后續(xù)擬合的結(jié)構(gòu)，故而不產(chǎn)生新點(diǎn)，只是簡單地對原始點(diǎn)云中的點(diǎn)進(jìn)行刪節(jié)，并盡可能多地保留原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的形狀特征[7]。

4.5 曲面擬合

采用何種造型技術(shù)將二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)形式轉(zhuǎn)化為曲線和曲面形式，并獲得良好曲面造型效果，一直是通用CAD軟件研究的重要問題。在車身逆向工程中，曲面結(jié)構(gòu)有其自身特點(diǎn)：

1）曲面數(shù)據(jù)散亂且曲面對象邊界和形狀有時極其復(fù)雜，因而一般不便直接運(yùn)用常規(guī)的曲面構(gòu)造方法。

2）曲面對象往往不是簡單地由一張曲面構(gòu)成，而是由多張曲面經(jīng)過延伸、過渡、裁減及縫合等形成。

3）由于數(shù)字化技術(shù)的限制，在車身逆向工程中還存在一個“多視數(shù)據(jù)”問題。為了保證數(shù)字化的完整性，并視為之間還有一定的重疊，這就引來一個被稱為“多視拼合的問題”。

因此，曲面擬合目前在車身逆向工程應(yīng)用中，主要有以下幾種方案：

1）以B-Spline為主的參數(shù)曲面法；

2）以NURBS曲面為基礎(chǔ)的曲面擬合方法；

3）以三角曲面為基礎(chǔ)的曲面擬合法。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，曲面擬合方法的選擇對曲面生成的最終結(jié)果有著重要的影響。通常要考慮的因素：1）反求軟件的曲面生成功能模塊的選擇；2）在該曲面生成方法中，其軟件內(nèi)部的算法及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式[8]。

在對曲面的處理檢查平順之后，即有三維體上的表面數(shù)據(jù)，再以此數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進(jìn)行具體的模具設(shè)計(jì)。

5 存在的問題

純逆向工程不僅時間周期較長、整車掃描導(dǎo)致需要處理的數(shù)據(jù)量很大、點(diǎn)云數(shù)據(jù)量很大、處理時間非常長及效果與設(shè)計(jì)概念圖相差較遠(yuǎn)等缺點(diǎn)外，某些東西還不能單純靠逆向完成，如公差、材料性能及平臺思想等，而且造型上的改動也是不可避免的。另外，逆向雖然是依靠技術(shù)來模仿，但也對品牌造成不可避免的影響，所以，日后是否使用逆向與怎樣合理使用逆向來處理汽車設(shè)計(jì)問題，需要給予認(rèn)真的思考。結(jié)合順、逆向也許是一條可行的方法。不過，為追求現(xiàn)在的快速發(fā)展，逆向工程是必須要經(jīng)過的一項(xiàng)能快速提高制造設(shè)計(jì)水平，追求經(jīng)濟(jì)高速增長與產(chǎn)品實(shí)力的良好方法，但隨之帶來的問題與技術(shù)更新?lián)Q代也是需要我們考慮的。

6 結(jié)語

逆向工程為制造業(yè)提供了一種全新、高效的重構(gòu)手段，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)際物體到幾何模型的轉(zhuǎn)換。通過應(yīng)用軟件對曲面進(jìn)行重建，獲得了較為滿意的曲面。當(dāng)然，逆向工程不只是簡單地重構(gòu)，而是要通過各種方法手段去改進(jìn)和提高，這也是我國汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域追趕世界領(lǐng)先技術(shù)的有效途徑。因此，在汽車設(shè)計(jì)中，逆向工程技術(shù)是一項(xiàng)體現(xiàn)先進(jìn)性、創(chuàng)造性和綜合性于一體的系統(tǒng)工程。