汽車車身逆向工程設計關鍵技術及應用

摘 要：逆向設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，設計出工藝性更好，質量更高的產品的過程。該文主要探討汽車車身逆向設計的關鍵技術和技術特點。

關鍵詞：逆向； 轉化； 坐標； 測量

中圖分類號：TH12 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2016）03-183-002

逆向設計的核心思想是將實物模型轉化為計算機能夠表達的三維數模的一種過程。簡單地說就是從實物到圖樣的過程。逆向工程設計的核心思想是以實物模型為參考，增加我們自己的創新知識，設計出符合要求，又要高于原來實物的設計過程。這就相當于我們過去常講的類比設計。本文就是基于這樣的目的，探討逆向工程設計的關鍵技術。

一、車身模型的測量

車身的測量根據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構光測量。接觸式測量優點是精度高，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。非接觸式測量優點是效率高，缺點是精度低一些。

1.車身模型坐標系的確定

為了方便測量及測量后的數據處理，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。具體的做法是將車身支撐固定在單臂或雙臂的劃線機（三坐標測量機）。根據測量的結果，調整車身的前、后、左、右等位置，最后確定車身沒有發生大的扭曲變形，直到正確為止。

2.貼車身Mark點

對于汽車車身，現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構光的照相法。照相法的測量核心就是點云片的拼接技術。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。

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應該擁有四個標記點，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。分散的目的就是將來依據標記點拼接的時候，可以將拼接誤差盡量地減小。標記點貼的質量直接影響測量的精度。隨著計算機技術和圖像處理技術的提高，單幅點云的精度一般都比較高，但是不同的掃描系統之所以出現比較大的質量差別，就是因為點云片的拼接技術存在差別。

3.測量車身Mark點

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，作為圖像處理時的標定。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據。

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。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測量的標記點框架匹配。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。

二、車身點云的數據處理

1.數據預處理

在車身測量的過程中，由于光線的明暗、輔助工具的介入、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據點產生一定的影響，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生壞點，一般是不可能全部避免的，關鍵是要掌握如何剔除的方法。

（1）首先要反復觀察被測量的物體與已經測量的點云數據，壞點非常容易判斷，比如測量車身，有些數據點跑到車身的外面或內部，這就是壞點，必須手工刪除或采用軟件刪除。

（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。

2.點云的渲染

對點云鋪面渲染，點云看起來比較像實體。這樣操作的目的是便于后續在做曲面的時候，容易分析曲面的大小，方便曲面規劃設計等。

三、車身曲面逆向工程設計

1.設計的基本流程

（1）車身坐標系的確定。根據車身在測量前的固定位置和汽車車身坐標系的規范等，要采用坐標轉換的方法，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。對于車身的內板件，一般不要求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）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在制造和設計經驗不足的設計人員身上。

（4）要從全局來分析曲面的大小。在車身上有時經常出現，不同部位的車身，理論上應該是一個大面，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現車身曲面的光順性和美觀程度有毛病，因為理論上應該是一個大面的情況下，先做的幾個小面不可能共面。因此會出現問題。總之，曲面盡量要做大面，要揣摩正向設計的設計思路，從根上來從事設計，更能抓住本質，抓住設計的靈魂。

四、車身逆向實例

在構造曲面的過程中，根據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造曲面的方法快速構面，并且根據需要盡量擴大曲面，便于曲面的裁剪。

構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，應該還有很大的局限性，有的獲得曲線使用起來對我們的設計反而造成困難。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造曲面，這時可能造成構造的曲面的參數線是扭曲的。