逆向工程在汽车设计中的应用

1 逆向工程简介

逆向工程(Reverse Engineering)也称反求工程，是针对现有工件(样品或模型，尤其是复杂不规则的自由曲面)，利用3D数字化测量仪器准确、快速地测量出工件轮廓坐标值，通过数据处理、重构曲线曲面、编辑及修改后，将图档转至一般的CAD／CAM系统，再由加工机制做所需模型，或者用快速成型机将样品模型制作出来，这一流程称为逆向工程。它运用系统工程学、产品设计方法学及计算机辅助技术的理论和方法，探索支持产品全生命周期设计、制造及管理关键技术。逆向工程是对已有产品原型消化吸收，并挖掘蕴含在产品中的涉及产品设计、制造和管理等技术，它是分析方法与技术的综合，是对已有设计的再设计。但逆向工程不是简单的产品复制，它特别强调再设计是逆向工程的灵魂。

2 逆向工程的发展状况

目前，我国汽车设计制造水平与发达国家还有一定的差距，如何在借鉴国外先进成熟产品的基础上进行适当和必要的改进，以便快速、高效的得到有自主知识产权的产品投放市场，对于节省费用，缩短研发周期，提高竞争力和减少风险有着非常重要的意义。利用逆向工程的现代车身设计方法可以充分吸收国外先进的设计制造成果，使我国的产品设计立足于更高的起点，同时加速某些产品的国产化速度。目前，逆向工程在汽车设计过程中的应用，主要体现在以下几个方面：

1)汽车车身及相关零部件(车身饰板、仪表台等)形状独特而复杂的自由曲面的建立。

2)由于工艺、美观及使用效果等方面的原因，人们经常要对已有的车身构造做局部修改。以已有产品为基准点(bench marking)进行设计已经成为当今车身设计的一条设计理念。在原始设计没有三维CAD模型的情况下，若能将实物构件通过数据测量与处理产生与实际相符的CAD模型，对CAD模型进行修改以后再进行加工，将显著提高生产效率。逆向的车身设计方法在改形设计方面可以发挥不可替代的作用。

3)利用逆向工程手段，可以方便地产生基于模型的计算机视觉，可以在车身设计的前期对车身造型进行反复的评审，获得最佳造型效果，减少后期不必要的浪费。

4)通过实物模型产生CAD模型，可以使产品设计充分利用CAD技术的优势，并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。

3 逆向工程前景

当今世界，在经济全球化、贸易自由化及社会信息化的新形势下，全球制造企业之间的竞争日趋激烈，制造业对市场的快速响应(交货期)在工业发达国家已经成为竞争的焦点。随着汽车制造业保护年限的日益迫近，国内轿车生产企业要想赢得竞争，就要以市场为中心，以满足顾客需求为主线，以技术创新为驱动力，最快速的响应市场变化，并迅速赢得市场和用户。换句话说，就是企业必须以最短的产品开发时间、最优的产品质量、最低廉的制造成本和销售价格、最好的技术支持和全过程服务、最佳的环保效果以及最快速的市场适应性来生产适销对路的产品，使其进入市场、占领市场，进而领导市场。

4 逆向工程流程

4．1 概念草图和效果图

经过大量的市场调查和分析，接下来是创意阶段，是设计师天马行空发挥想象力，思维发散的阶段。此时的主要任务是设计者将自己的构思和灵感用手绘的形式快速地表现出来，是记录过程形成的结果，被称作构思草图，这些草图只是对汽车整体造型的感觉和方向的概括，无需向他人展示传达。因为构思草图不必描绘过多的细节，所以要求的数量很大，一般情况下1个设计者1天之内要画60张草图。草图画得越多，设计师的思路越开阔，对设计任务理解的程度越深刻。当构思草图达到一定数量时，需要对一些可行性概念进行整理和深化发展，进入创意的第2个阶段，即概念效果图阶段。此阶段的方案用于内部交流，必须画出较为清晰和完整的概念效果图，它要求描绘出汽车的整体形态、尺寸比例、材质及色彩。概念效果图是构思草图的完善与深入，但不是最终效果，须求质又求量，并要求一定的绘制速度，但一些细节可以忽略。概念效果图适用于深入分析、评价推敲方案及与他人沟通交流，同时也是绘制精细效果图的前期准备。渲染效果图是对确定了的方案在形态、色彩及材质肌理上进行正确和精密的描述，使任何人看了都能一目了然。逼真的渲染效果图可吸引更多评审者的眼球，也可使决策者下决心肯定设计方案。

4．2 比例模型

渲染效果图通过评审，选择优秀的设计方案进行比例模型制作。比例模型是设计师将二维图形转化成三维实体造型的过程，是再设计的过程，在比例模型上设计师可以反复的推敲汽车造型的型面和一些细节，更真实的表达自己的设计意图。1)按尺寸分，缩小比例模型有3种，即：1：5，1：4和l：2。对于轿车，1：5和1：4是比较合适的尺寸比例，一般轿车长度为4 m左右，比例模型的尺寸为800～l000 mm，制作工作量不大，便于修改，曲线和曲面不用花费很大的力气就能达到光滑顺畅的效果。而1：2的尺寸比例就相对大一些，线面的表现更直观，但尺寸较大，手工制作起来费时、费力，是非主流的比例。2)按材料分，可分为油泥模型、石膏模型和仿真模型3种。油泥是油脂、填料、改性添加剂及颜料等的混合物，便于反复修改，不易风化干燥和变形龟裂，因而模型尺寸较稳定，是目前汽车造型最广泛应用的材料。石膏较便宜，但强度低且不易于反复修改。仿真模型具有逼真的材质和效果，不能用于推敲造型，常作为车型档案保存之用。评审需要的模型完成后，要进行仿真处理，表面进行喷涂油漆或敷上具有真车表面效果的薄膜，车窗、散热器罩及前后灯等真车上具有的细节一样都不能少，可谓麻雀虽小五脏俱全。

胶带图是设计师根据汽车总布置图，在带有坐标网格线的薄膜上利用专用的不干胶带贴出设计方案的造型线图，它由多个视图组成(侧视图、俯视图、前视图、后视图)。各个视图的线条都能够一一对应且误差要求很小，这个环节要求设计师要具备良好的三维空间想象能力及扎实的机械制图功底。胶带图是将效果图转化成模型的桥梁纽带，比例模型也是依据比例胶带图展开加工制作的。胶带图的另一个重要作用是，它可以作为造型可行性分析的依据，1：1胶带图能够真实地反映出实车的尺寸比例和造型特点。因此，在贴制的过程中，需要有其他的工程技术人员进行配合，检验胶带图所表达的线面是否与内部结构干涉，如果发现问题，设计师要和工程技术人员进行协商，确定是修改内部结构还是修改胶带图。 

4．3 整车油泥模型

比例模型是1：1全尺寸模型的试验及准备阶段，是确定1：1模型造型方向的前提，不能代替全尺寸模型，因为比例模型的直观性不如全尺寸模型。例如在缩小比例模型，一条看起来比较舒展的腰线，等比缩放成实际尺寸后，会显得弧度过大或拘谨。比例模型这个环节是不能省略的，如果把效果图直接制作成全比例模型，中间就缺少了推敲的过程，在1：1模型上反复推敲方案将费时、费力。因为全尺寸模型的制作工作量很大，首先要根据总布置图的要求，精确的制作模型骨架，留足所需的油泥加工量及修改量。需要将近1．5t的油泥用手工碾压在模型骨架上，然后由经验丰富的油泥模型师以手工的形式把模型雕塑得光顺，整个过程的尺寸控制是非常严格的，要精确到毫米或零点几毫米。1：1模型不适合整体造型的反复大幅度修改，整体造型的大改动只能在比例模型上进行。

4．4 数模构建

4．4．1 点测量

测量方法的选用是逆向工程中一个非常重要的问题，它不仅决定了测量数据的质量和测量效率，而且直接影响后续工作，即造型方法的选取及建模的质量和精度。根据调查可以选用ATOS三维光学测量仪来获取样件表面的三维坐标信息。

4．4．2 点的处理

无论是接触法还是非接触法获取的数据，由于受各种因素的影响，都会存在各种测量误差，如错误数据、噪声数据等，不可避免地引入不合理的噪声点，这部分数据约占数据总量的0．1％～5％。这些噪声点将直接影响特征点云的精度、重建模型的质量，其结果将导致重构曲线、曲面不光滑，降低模型重构的精度，因而在模型重建之前，需对点云数据滤去噪声点。

采用激光扫描法采集的数据往往十分密集，数据量一般都在数兆字节，甚至高达数十兆字节，即使处理了噪声点，数据量仍然很大，一般不会直接使用这些数据进行曲线或曲面的重构。因为那样做，会使计算效率大大降低，消耗更多内存，而且重构出的曲线、曲面的精度并不一定高，甚至误差很大。因此，有必要对点云数据进行压缩处理。数据精简的目的是压缩不必要的数据点，在保证精度的前提下生成适合于后续拟合的结构，故而不产生新点，只是简单地对原始点云中的点进行删节，并尽可能多地保留原始数据点的形状特征川。

4．5 曲面拟合

采用何种造型技术将二维坐标数据形式转化为曲线和曲面形式，并获得良好曲面造型效果，一直是通用CAD软件研究的重要问题。在车身逆向工程中，曲面结构有其自身特点：

1)曲面数据散乱且曲面对象边界和形状有时极其复杂，因而一般不便直接运用常规的曲面构造方法。

2)曲面对象往往不是简单地由一张曲面构成，而是由多张曲面经过延伸、过渡、裁减及缝合等形成。

3)由于数字化技术的限制，在车身逆向工程中还存在一个“多视数据”问题。为了保证数字化的完整性，并视为之间还有一定的重叠，这就引来一个被称为“多视拼合的问题”。

因此，曲面拟合目前在车身逆向工程应用中，主要有以下几种方案：

1)以B—Spline为主的参数曲面法；

2)以NURBS曲面为基础的曲面拟合方法；

3)以三角曲面为基础的曲面拟合法。

在实际应用过程中，曲面拟合方法的选择对曲面生成的最终结果有着重要的影响。通常要考虑的因素：1)反求软件的曲面生成功能模块的选择；2)在该曲面生成方法中，其软件内部的算法及拓扑结构形式。

在对曲面的处理检查平顺之后，即有三维体上的表面数据，再以此数据对产品进行具体的模具设计。

5 存在的问题

纯逆向工程不仅时间周期较长、整车扫描导致需要处理的数据量很大、点云数据量很大、处理时间非常长及效果与设计概念图相差较远等缺点外，某些东西还不能单纯靠逆向完成，如公差、材料性能及平台思想等，而且造型上的改动也是不可避免的。另外，逆向虽然是依靠技术来模仿，但也对品牌造成不可避免的影响，所以，日后是否使用逆向与怎样合理使用逆向来处理汽车设计问题，需要给予认真的思考。结合顺、逆向也许是一条可行的方法。不过，为追求现在的快速发展，逆向工程是必须要经过的一项能快速提高制造设计水平，追求经济高速增长与产品实力的良好方法，但随之带来的问题与技术更新换代也是需要我们考虑的。

6 结语

逆向工程为制造业提供了一种全新、高效的重构手段，实现了从实际物体到几何模型的转换。通过应用软件对曲面进行重建，获得了较为满意的曲面。当然，逆向工程不只是简单地重构，而是要通过各种方法手段去改进和提高，这也是我国汽车设计领域追赶世界领先技术的有效途径。因此，在汽车设计中，逆向工程技术是一项体现先进性、创造性和综合性于一体的系统工程。