逆向思維在汽車設計中的運用

唐偲蓓

（武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

逆向思維在汽車設計中的運用

唐偲蓓

（武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

在國內汽車研發模式仍處于不成熟、不規范的初期階段，逆向思維在汽車設計中顯得尤為重要。企業采用逆向思維，建立對標管理系統，采用對標的方式把自己的產品和競爭對手的產品進行細致比較，取優去劣，提升自身的產品水平。工程上，除了傳統的正向設計，通過三維掃描獲得產品或零件的3維點云數據，結合軟件再建立數學模型是縮短研發時間提高效率的重要方法之一。

汽車設計；汽車對標；逆向工程

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.028

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-89-04

引言

自2009年起，我國汽車的產銷量穩居全球第一，但在汽車設計及自主研發方面仍然依賴國外，卻反自主創新和自主品牌的設計技術與領域知識。汽車作為一種運動機械，使用環境復雜，產量大，涉及的領域廣，因此在汽車自主研發和創新的道路上困難重重。相比于國外成熟的汽車主機廠和零部件巨頭們經過多年的實踐經歷，擁有一套從基礎研究、應用研究、市場測驗、市場推廣的完整正向研發模式，我國的汽車行業發展時間較短，尚處于不成熟和不規范的初期階段，其基本模式仍是逆向研發模式。

1、汽車對標

Benchmarking，即對標分析。通過將自身產品參數同同業先進產業產品進行比對分析，挖掘出產品的優勢及特點，提升自身產品質量。通過確定對標內容，建立對標對象，收集對標數據，分析對標結果，形成對標評價，實施改善計劃等步驟完成立桿比超。

1.1 對標內容

對給消費者提供汽車產品的汽車公司來說，一個汽車產品是有特定的市場定位和完整的產品生命周期的。在特定的市場和技術背景下，當一款老的汽車平臺產品不再具有充分的市場競爭力，不能再給汽車公司帶來足夠的經營利潤時，這個平臺就需要重新開發、推陳出新了。根據特定目標市場及人群的消費習慣，對參考樣車做局部的造型調整與修改，這些工作與全新車身開發相比存在工作量小、設計難度降低，設計風險小的優點。

讓新一代產品平臺具備明顯的市場競爭力，是全部開發工作的重中之重。真正的開發工作啟動之前，是一個產品策劃階段，怎么得到適當的開發目標就是這個階段大致形成的。除了用各種方法探尋市場的反應，用對標的方式把自己的產品和競爭對手的產品進行細致的比較，提取其優點，提升自身產品的水平，是產品策劃階段很重要的工作。

這時對標的內容包括：市場份額、銷售價格、營銷策略、售后服務水平、配件維修價格、產品性能指標、法規適應性、生產物流成本、設計開發成本、固定投資、新技術應用水平等等，凡是與生產經營相關的一切數據、指標。這些才真正是對標的重頭戲，關系到后續一切工作是否有一個清晰、正確的輸入條件，只有這個大方向對了，整個項目才能比較順利的發展。這個階段，一般是公司的戰略決策部門牽頭組建工作組，調集市場、銷售、采購、設計、制造、成本等各專業資深人員協同工作，可能還需要請專業的市場調查機構介入，協助開展市場調查。

1.2 對標工作流程

對于產品工程師要做的就是把汽車的各個零部件的設計特點，功能，配合，尺寸，工藝等等做好詳細的收集整理。

圍繞企業的樣車拆解能力建設，細化樣車Benchmark的流程，其中包括：

(1)整車對標：整車評價內容、評價標準、工作條件；

(2)總成對標：車身、底盤、動力總成、內飾系統、照明系統等工作標準；

(3)部件對標：材料分析、工藝分析、結構分析、工作標準、工作條件。

目前國內外專業做Benchmark的公司有：美國A2MAC1，法國的MAVEL公司和中國汽車工程研究院CAERI設計中心。

2、逆向工程

2.1 現代汽車設計流程

汽車是以技術復雜程度高、設計流程串并行且多進程、數據模型復雜且領域相關為主要特征的復雜產品。無論是開發全新產品還是只開發新外形和新車身，前期工作都包括項目確立開始一戰略意向一決策一總布局及主結構幾何定型一項目定型及投資確立。然后是具體的汽車設計部分。下圖所示現代汽車設計流程與軟件數據流，從造型概念設計、曲面構建、結構設計、力學分析與優化、安全分析和設計、工藝分析與優化、數字加工、樣車制造到實驗驗證，包含了設計的多進程和大量的設計數據。

汽車車身是一種復雜的機械產品，由多種部件組合而成。當把汽車造型作為一個整體進行分析的時候，每個部件都是一個形態實體，都可具有特征性，則這個汽車整體造型可以看做是由各個特征組合成的特征集合。

汽車造型設計師根據構思的效果圖，制作車身的全尺寸油泥模型，然后送到風洞實驗室去評估汽車的空氣動力學性能,再根據實驗結果對模型進行反復地修改，直到獲得滿意的結果為止。那么，如何把最終的油泥模型精確而又快速地輸人到計算機中去，是制造業面臨的實際問題。基于這種狀況，在CAD/CAM中又發展出一個相對獨立的技術，稱為逆向工程。它是將實物轉變為模型的數字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱，還是將已有產品或實物模型轉化為工程設計模型和概念模型，在此基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創造的過程。

國內的逆向研發模式主要包括：市場需求、市場細分、集成創新、能力建設。暫時還缺乏具有核心技術的正向研發模式和能力。有專家認為，國內大體有五種所謂汽車研發模式：改進、模仿、國產化、聯合開發、自主開發。這是一種從研發的內涵和性質建立的研發模式分類，也可以看做是汽車企業研發能力逐步發展和健全的過程。也有專家認為，中國建立一種公司本部集中研發主力車型和跟蹤市場，變型車則外包給中立設計公司的研發模式具有重要的商務和戰略意義。這種研發模式既關注研發模式的商務資源和技術資源的配置，又注重核心技術和能力的構建，具有重要的實踐意義。

2.2 知識反求及其應用

隨著測試技術，計算機軟硬件技術的發展，設計人員不單單從傳統的正向研發著手，而往往結合逆向工程進行高效的研發工作。

所謂逆向工程技術，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據測量數據通過三維幾何建模方法重構實物的CAD模型的過程。逆向工程技術與傳統的正向設計存在很大差別。傳統的產品設計一般需要經過效果圖、造型設計和產品設計等過程。而逆向工程則是從產品原型出發，測量出產品表面的點云數據，進而獲取產品的三維數字模型，使得能夠進一步利用CAD/CAE/CAM等先進技術對其進行處理。一般來說，產品逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個方面，在汽車工業領域的實際應用中，主要包括以下幾個內容：

(1)汽車新零件的設計，或者初始概念設計階段的油泥模型數字化，汽車車身特征斷面設計，主要用于產品的改型或仿形設計；

(2)已有零件的復制，損壞或磨損零件的還原，再現原產品的設計意圖；

(3)數字化模型的檢測，例如檢驗產品的變形分析、焊接質量等，以及進行模型的比較；

(4)汽車模具設計，在原有的CAD/CAM系統基礎上,利用已有的覆蓋件實物建立起完善逆向工程系統，在仿制的同時吸收與消化，并逐步形成有自主設計與生產覆蓋件模具的規模，并使之成為在網絡下集成一體化的系統，必將能夠提高模具設計的自有生產水平，大大縮短現有的模具生產周期。

逆向工程的應用領域大致可分為以下幾種情況：

(1)在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整以及沒有模型的情況下，在對零件原形進行測量的基礎上形成零件的設計圖紙或模型，并以此為依據生成數控加工的代碼，加工復制出一個相同的零件；

(2)當要設計需要通過實驗測試才能定型的工件模型時，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空領域，為了滿足產品對空氣動力學等要求，首先要求在初始設計模型的基礎上經過各種性能測試如風洞實驗等建立符合要求的產品模型,這類零件一般具有復雜的自由曲面外型，最終的實驗模型將成為設計這類零件及反求其模具的依據；

(3)在美學設計特別重要的領域，例如汽車外型設計廣泛采用真實比例的木制或泥塑模型來評估設計的美學效果。此外，如電腦仿型、禮品創意開發等都需用逆向工程的設計方法。

2.3 逆向工程技術實施的硬件軟件

2.3.1 逆向工程技術實施的硬件

三坐標測量機和三維掃描儀。就測頭結構原理來說，可分為接觸式和非接觸式兩種。其中，接觸式測頭與被測物體直接接觸，獲取數據信息。其優點是準確性及可靠性高，與工件的反射性無關，但需要特殊夾具，且測頭會磨損，測量速度慢，效率低。

非接觸式測頭則是應用光學及激光的原理進行的。測頭通過實時三角測量，確定空間位置，通過觀察投射在表面上的激光線完成表面采集，隨著激光掃過表面，設備將根據三角測量的定位記錄數據。

目前的3D掃描儀測量的精度相當高，可動態測量，且速度快效率高。例如加拿大CREAFORM公司新推出的handyscan 3D便攜式激光掃描儀精度最高達0.03mm，具有無需外部定位系統，便攜輕便，基準距離小，速度快，效率高，自動網格輸出，掃描文件可以直接導入RE(Reverse Engine ering)/CAD軟件等優點。

同時3D掃描儀幾乎可以在產品整個生命周期中使用。在產品概念階段，可進行競爭產品分析，測量產品或相關零部件，測量售后市場的零件或定制零件；進行粘土模型測量，虛擬模型與實務模型測繪，及造型及美學設計；在設計階段，可進行CAD設計，快速成型設計及檢測并進行有限元分析（FEA）、干涉分析、變形幾何形狀分析等。在維修應用中，可進行部件/工具的完工存檔，零部件磨損分析及復雜裝配體的拆卸。除汽車工業方面的應用，3D掃描儀還可應用于博物館/文化遺產保護，保護、還原和數字化存檔，多媒體/娛樂行業，計算機圖形和特效。

2.3.2 逆向工程技術實施的軟件

理論上，逆向工程應該能夠按照產品的測量數據重建出與現有的CAD/CAM系統完全兼容的CAD模型，這也是逆向工程的最終實現目標。但是我們應該看到，目前人們所掌握的技術，包括純理論上的和工程上的如曲面建模理論，都還無法滿足這種要求。特別是針對目前比較流行的大規模“點云”數據建模，更是遠沒有達到可以直接在系統中應用的程度。

目前比較常用的通用逆向工程軟件有Geomagic Studio、UG/Image ware、Rapid Form、ICEM Surf等。這些軟件分別出自于不同的國家不同的公司，雖然在數據的計算方法、處理技術上可能會有所差異，但是它們處理點云的過程都是大同小異，基本是對點云進行修正、拼接、合并、成面，也可以說是遵循“由點到面”的次序進行。其處理后的三維模型數據都可以通過標準接口格式（例如：通過IGES、DXF、STL等多種格式相互轉換）轉換給各種順向工程軟件直接使用。

逆向工程的實施步驟：

(1)獲取零件表面的點云數據；

(2)點云數據處理，具體過程是利用專業逆向工程軟件如geomagic studio對掃描好的點云進行初期數據處理如數據拓撲的建立、數據除噪和濾波、坐標變換、數據精簡、特征提取與數據分塊等）具體操作有如去噪音點，填充孔，移除孤立面，優化邊界等；

(3)重建CAD模型綜合利用主流的正向設計軟件如（CATIA，UG等）不同模塊的長處，建立新零件，創建基準面及坐標系，擬合點云數據，構造出原產品的數字模型。

(4)對零件表面進行優化處理（如光順曲線，優化結構，調整參數等），對重建的CAD模型檢驗與修正。

2.4 汽車逆向工程需要注意的問題

在實際設計中，現有的軟件還存在著較大的局限性。在機械設計領域中，集中表現為軟件智能化低；點云數據的處理方面功能弱；建模過程主要依靠人工干預，設計精度不夠高；集成化程度低等問題。例如，Surfacer軟件在讀取點云等數據時，系統工作速度較快，并且能較容易地進行點線的擬合。但通過Surfacer進行面的擬合時，軟件所提供的工具及面的質量卻不如Pro/E、UG等CAD軟件。在很多時候，在Surfacer里做成的面還需要到UG等軟件中修改。但是，使用Pro/E、UG等軟件讀取點云數據時，卻會造成數據龐大的問題，對它們來說，一次讀取如此多的點是比較困難的。因此，在具體工程設計中，一般采用幾種軟件配套使用，取長補短的方式。 在汽車設計的過程中，應采用正向與逆向工程相結合的方法。

如上圖所示的設計流程中，從一開始就將汽車設計的數據源分為兩大類，第一類是如需要繼續采用的車門模具和底盤布置等不變部分；另一類是需要重新設計的外形特征或者局部改進部分。

3、結論

到目前，我國汽車生產規模和制造能力已處世界前列，但是與世界先進的汽車研發水平相比，仍有較大差距，逆向思維在汽車設計上的運用，對標國外的成熟產品，采用逆向工程技術，消化吸收先進技術，并建立其模型，逐步修改完善，切實形成自己的產品。這是迅速填補我國汽車工業與世界先進水平差距的有效手段。本文主要介紹了汽車對標及逆向工程在汽車設計開發中的重要意義，闡述了其基本概念和運用，以及在運用過程中要注意的問題。

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The application of reverse thinking in automobile design

Tang Caibei
( Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070 )

In the domestic automobile R & D model is still in the early stages of immature, not standardized, the reverse thinking is particularly important in the automobile design. Enterprises to adopt reverse thinking, to establish benchmar king management system, using benchmarking to their products and competitor products detailed comparison, takes its essence, goes to its dregs, to enhance the level of its products. In engineering, in addition to the traditional forward design, the 3 dimensional point cloud data of the product or part is obtained by 3D scanning, and the 3 dimensional model is one of the important ways to shorten the research time and improve the efficiency.

Automobile design; Benchmarking; Reverse engineering

U462.1

A

1671-7988(2016)10-89-04

唐偲蓓，（1993-），女，碩士研究生，就讀于武漢理工大學。專業：車輛工程。