逆向工程的实际应用

随着计算机技术和CAD技术的迅速发展，以测量技术为基础、曲面重构技术为支撑的逆向工程技术在汽车工业的新产品开发中得到了广泛的应用。逆向工程就是指在没有设计图纸或设计图纸不全、不完整以及没有CAD模型的情况下，按照现有的目标产品模型，利用各种数字化技术重构零件三维CAD数学模型的过程。与传统的正向工程相比，它具有设计精度高，新产品开发的设计周期短，以及易于开展后续有限元分析、优化设计以及运动学仿真工作等优点，因此得到了广泛的应用。

1 车身逆向工程设计概念

Imageware作为著名的逆向工程软件，广泛应用于汽车、航空、航天、家电、模具、计算机零部件领域。Imageware采用先进的NURBS曲面模型，具有强大的点云处理和曲面重构功能，并且可以和UG软件进行无缝链接。Imageware逆向工程软件的主要产品有：①Surfacer逆向工程工具和Class I曲面生成工具；

②Verdict用于对测量数据和CAD数据进行对比评估；③Build it用于提供实时测量能力，验证产品的制造性；④RPM用于生成快速成型数据；⑤ View其功能与Verdict相似，主要用于提供三维报告。

车身结构的特点在于组成车身外形的各个零件多为尺寸大而形状复杂的空间曲面，这些大型覆盖件不能用一般的机械制图方法将它们完整、清晰地表达出来，不得不依靠三维立体模型作为设计的依据。传统的车身设计方法在其每个设计阶段都要反复进行平面图形和立体模型的制作过程，以致新产品的开发设计周期长、工作量大。

此次设计开发的基于逆向工程的车身流程如图1所示。车身逆向工程中的关键技术在于两个方面：一方面是实物模型表面数据获取技术以及处理技术，即数字化扫描测量技术和测量数据的处理技术；另一方面是车身零部件的曲面重建技术。

2 车身三维数据的获取及处理

在产品的逆向开发中，样件的三维数据获取主要通过三坐标测量机完成。三坐标测量机分为接触式和非接触式两种，非接触式三坐标测量机即：三维扫描仪，因为具有测量速度快、适用范围广的特点得到了广泛应用。德国GOM公司生产的ATOS拍照式三维扫描仪扫描速度达百万点／秒，精度达到0.02 mm。文中所研究的轿车车身就是采用此技术而获得的车身三维数据。

由于采人的数据都不可避免地会带人噪声点，特别是尖角和边界附近较为明显。另外，三维扫描仪所获取的海量数据，会严重影响曲面重建算法的效率，因而必须对其进行数据处理。由于许多测量系统软件本身可以对点云进行预处理，包括排除噪声数据和异常数据，数据压缩和归并多余数据，遗失点补齐，三角面片化等；因此可以根据需要对获得的数据进行简化，截面获取和坐标变换等操作。

文中将测得的IGES数据格式的文件，输人到Imageware系统中，输人之后在Imageware软件系统中可以立即作渲染显示，如图2所示。由图2可见出现一破洞Imageware提供了6种不同的曲面构建命令，文中通过“辅助面”的方法来处理，处理后的曲面如图3所示。

3 NURBS曲面重构

自由曲面一般用参数曲面表示，常用的方法有Bezier, B-Spline和NURBS等表示方式。NURBS曲面是标准解析形状和自由曲面，非有理B样条、Bezier曲面都是NURBS的特例表示。其由下式定义,

式中Vij为控制顶点；Wij为权因子;Bik（u）和Bjl（w）分别为沿u向的k次和沿w向的l次B样条基函数。

u向和w向的节点矢量为：

NURBS曲面可通过控制点和权值方便灵活地控制曲面形状，能有效进行插人节点、修改、分割和几何插值等处理，并具有透视变换和放射变换的不变性等优点。NURBS曲面重构框图如图4所示。通过Imageware 软件中的重构曲面命令进行曲面重构，经过处理后的车身前罩、车身框架和车门部分零部件的重构曲面如图5、图6所示。

4 结论

文中基于逆向工程技术，运用Imageware逆向工程软件成功地对汽车车身造型进行了设计开发，有效地改进了车身设计的水平，大大缩短了设计周期。同时所采用的数字技术，具有很强的柔性，效率高，也为后续的有限元分析、优化设计以及多体动力学分析提供了基础。因此，逆向工程的实际应用具有较强的理论和实践指导意义。