基于逆向工程技術的列車零部件模型重建方法研究

趙勇力，李忠元，董成文，孫 超，張玉琢

（1.南車四方車輛有限公司，青島 266111；2.南車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266111；3.中國鐵道科學研究院 標準計量研究所，北京 100081；4.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044）

基于逆向工程技術的列車零部件模型重建方法研究

趙勇力1，李忠元2，董成文3，孫 超3，張玉琢4

（1.南車四方車輛有限公司，青島 266111；2.南車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266111；3.中國鐵道科學研究院 標準計量研究所，北京 100081；4.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044）

本文主要針對基于逆向工程技術的列車零部件模型重建的基本流程和實現方法進行論述。明確了列車零部件逆向重建的基本工作流程；根據列車零部件逆向重建工程特點確定采用的軟硬件工具，并對列車零部件曲面重建主要工作過程和利用Catia V5R19具體實現方法進行重點論述，給出一些項目實施過程參考性意見，為逆向工程技術在其他相關行業應用提供了參考。

逆向工程技術；列車零部件；Catia；曲面重建

隨著高速鐵路的飛速發展和人們對列車環境舒適性要求的不斷提高，列車零部件被更多的廠商進行加工制造，產品的多樣性得到了很好的滿足，但由于各廠商有不同的生產加工標準，也給列車的裝配帶來了很多問題。三維數字化技術能夠讓列車制造廠商在實際生產前對列車進行虛擬裝配，為提高實際生產時列車的裝配精度，防止生產問題的發生，節省資源等帶來了很多便利。因此列車虛擬裝配過程中，能否根據實物高精度的還原重構物件的三維模型成為工作關鍵。

逆向工程技術即反求工程，是從實物樣本獲取產品數學模型的一項重要技術，已經成為CAD/ CAM系統中研究和應用的熱點[1]。它打破了傳統正向工程的工作思路，從產品的引進、消化到吸收與創新的設計思路，按照從實物到設計目標，再到三維模型重構，最后進行再設計的工作流程，能夠快速并精確的完成實物模型重構[2]，因此被廣泛應用于機械、汽車、航空航天，醫療等各領域。本文主要針對逆向工程技術在列車零部件三維模型重構中的工程過程及相關技術方法進行研究。

1 列車零部件逆向工程過程和主要實現工具

1.1 一般逆向工程過程

逆向工程過程主要包括：數據采集、數據預處理、曲面重構、誤差分析、曲面實體化等[3]，在實際應用中基本都遵循這個工作流程，有時也會根據實際應用需求進行變動。根據實際情況，列車零部件逆向建模工作過程也遵循一般的逆向過程，基本的工程過程內容如圖1所示。

圖1 列車零部件逆向工程過程圖

1.2 列車零部件逆向工程過程工作內容

1.2.1 對列車零部件進行數據采集

對列車零部件進行數據采集是進行逆向處理的第一步，主要是利用數據獲取設備對列車零部件實物進行數據采集。通常數據采集的方法主要包括接觸式、非接觸式和破壞式3大類[4]，每種采集方法都有特定的數據采集設備和應用范圍。對于列車零部件，由于部件較多，器件較大，且必須是非破壞性的，因此對列車零部件數據的獲取多采用光學掃描儀進行，這樣不僅能夠保證零部件的完好，而且掃描精度高，掃描速度快，很好的滿足列車零部件數據掃描的基本要求。

1.2.2 采集數據的預處理

采集數據進行預處理是為后期工作提供方便，主要是優化數據，提供精簡準確的點云數據，主要工作包括：

（1）對采集的實物數據進行合并。列車零部件的數據采集是分批完成的，特別是大型設備的采集是分區域完成的，因此需要對采集的數據進行合并，以保證實體數據的唯一性和完整性。

（2）對數據進行去噪處理。為保證數據的精確性，降低數據模型數據量，便于后期工作的進行，在對數據合并后需要進行去噪處理。

（3）數據簡化和壓縮。通過數據采集設備獲取的汽車零部件設備原始數據量非常龐大，特別是將多次采集的數據進行合并后，數據量會成倍增加，因此為了很好的利用這些數據，提供處理速度，需要對這些龐大的數據進行數據簡化和壓縮處理，以便于后期應用。

（4）對缺損數據進行補洞。由于數據獲取過程中，會存在部分表面被阻擋，掃描疏忽等原因，造成數據缺損的情況，進行補缺處理，可以保證數據的完整性。

數據預處理的好壞，直接影響后期曲面重構結果，因此在逆向工程實施過程中需要投入較大的工作量。

1.2.3 對數據模型進行曲面重建

根據對實物正向分析，使用設計工具獲取到點云的幾何特征線，利用幾何特征線對點云數據進行分割，然后利用分割線對各曲面片進行擬合，再通過曲面的延伸、連接、相交、裁減、倒圓角等手段，將多個曲面片結合成一個整體，形成完整的曲面三維模型[5～6]。

曲面重建是列車零部件逆向工程過程中的基本實現目標，也是實現過程的重點和難點，是本文研究的主要內容。

1.2.4 模型誤差分析

誤差分析是逆向工程質量控制的重要手段，曲面重建過程中常用誤差分析主要包括重構曲面與點云數據的距離誤差分析和曲率分析。其中距離分析主要是測量重構曲面與被選取的點云之間誤差數值等信息，以保證重構曲面與原始點云數據誤差值在規定范圍內。曲率分析主要是用來判斷相鄰曲面間的位置、切線、曲率等，以保證曲面的光順性和連續性等[7]。

1.2.5 曲面模型實體化

在重構曲面達到重構設計要求后，根據實際需要對曲面模型進行增加壁厚、拔模等操作，將曲面模型轉化為實體模型，便于加工處理以及實際生產應用。

1.3 列車零部件逆向工程過程應用的軟硬件工具

1.3.1 列車零部件數據

列車零部件數據的采集主要涉及掃描儀硬件設備，這一過程采用了多種儀器進行，每種器件適用場合各不相同，有自己獨特的掃描優勢。

1.3.2 點云數據的預處理

點云數據預處理是進行后期工作的基礎，可以與曲面重建過程分開，目前流行的多種逆向軟件工具都能夠很好的預處理功能。本研究根據項目需求特點主要使用Catia V5 R19進行點云的預處理工作。

1.3.3 曲面重建過程

采用Catia V5 R19進行曲面重建過程，該軟件具有多個功能模塊，具有強大逆向處理和造型設計等功能。

2 列車零部件逆向建模主要工作流程和方法

2.1 逆向建模的基本方式

逆向建模是逆向工程中的重要環節，主要是根據點云數據勾勒出模型特征曲線，通過曲線實現曲面重構。通常逆向建模方法分為兩類：即傳統曲面造型方式和快速曲面造型方式。

傳統曲面造型方式遵循典型的逆向工作流程，即點—線—面。其中曲線是曲面重建的關鍵因素，曲線質量直接影響最終曲面模型質量。傳統曲面造型方式能夠根據破損不全的點云數據勾勒出模型，且模型重建質量能夠達到A面要求，但對建模人員專業能力要求較高，而且對勾勒的特征曲線需要進行反復調整，比較費時費力。

快速曲面重建是利用專門的逆向工程軟件，將點云數據經過人工干預實現快速多邊形化，利用多邊形化的模型直接進行曲面片擬合，從而形成需要的造型曲面[8]。這種方式最大優點是速度快，方法簡單，能夠達到G1連續曲面。缺點是對點云數據的質量要求較高，還不能很好的實現A面。

本研究中由于很多點云數據都存在較大的殘損，絕大多數模型逆向建模過程中都存在再設計過程，且部分部件重建曲面質量要求較高，因此，主要采用傳統曲面造型方式進行完成。Catia V5 R19恰恰能夠很好的滿足這些功能需求，列車零部件逆向建模過程各階段工作都能夠在Catia V5 R19不同功能板塊完成，這樣也便于設計人員集中一個軟件工具的學習，節省工作時間，提高工作效率。

2.2 列車零部件逆向曲面重建工作過程

對列車零部件逆向曲面重建具體工作過程如圖2所示。

圖2 列車零部件曲面重建工作過程

Catia V5 R19為列車零部件曲面重構過程各階段都提供了專門的功能模塊，主要包括：數字圖形編輯器（Digitized Shape Editor，DSE）、創成式外形設計、快速曲面重構（Quick Surface Reconstruction）等，曲面重建的每一階段具體實現方法各不相同，涉及到的Catia V5 R19軟件具體功能也不相同。

2.3 列車零部件點云數據預處理

同其它點云預處理的目的一樣，列車零部件點云數據預處理主要是優化列車零部件點云數據，便于后續處理。Catia V5 R19提供的DSE功能模塊能夠很好的完成點云數據的預處理工作，主要工具包括對點云中的導入（Import），過濾（Filter），刪除冗余（Remove），補洞（Fill Holes）以及點云網格化（Mesh Creation）等，利用這些命令可以便捷的完成點云數據的預處理。

對于體積較大的列車零部件，其點云數據是分區域掃描完成的，具有多塊點云數據，在進行數據預處理前，需要對點云數據進行對齊合并處理，主要使用Catia的點云對齊功能進行完成。

為了提高點云數據預處理的效率和處理精度，也可使用Geomagic Studio、Imageware等專門的逆向工程軟件進行對齊、合并以及補洞等預處理工作，將處理過的點云輸出后再利用Catia再進行下一步處理，可根據具體項目情況進行靈活變通。

2.4 坐標對齊

坐標對齊與點云預處理一樣是進行曲面重建的基礎工作，具有良好坐標系統的點云數據能夠為后續工作帶來極大的便利。主要目標是將掃描時的點云三維坐標通過旋轉、平移等操作，給點云建立一個符合實際需要的模型三維坐標。

使用Catia可以給點云及零部件實時的建立坐標系。利用點云數據中規則曲面，如平面、圓柱面等，通過點云數據擬合出坐標原點和x，y，z軸方向的直線。然后根據指定的原點和x，y，z直線，利用坐標命令新建用戶坐標系，將新建的坐標系設置為當前坐標系，此時系統坐標就以用戶指定的坐標系為處理坐標。

同樣的，坐標對齊在其它逆向工程軟件如：Geomagic Studio、Imageware等中都具備，也可使用它們進行完成，只是每種軟件有自己獨特的處理方法，可根據實際需要進行選擇。

2.5 列車零部件的輪廓線勾勒

在對點云數據進行預處理和坐標對齊后，就可以對模型進行輪廓勾勒。利用Catia快速曲面重構模塊的斜率分割命令或曲率分隔命令，將模型進行分片，找出模型粗略輪廓，然后根據粗略輪廓對模型特征線進行重構，將整個部件的點云數據連續曲面模型分割成若干個便于設計的較大曲面。

Catia曲線重構方法基本策略有兩種：正向策略和逆向策略。

正向策略主要是根據模型粗略的輪廓，利用創成式外形設計和草圖編輯器里提供的點、線、圓等基本繪圖工具，盡量逼真的對模型輪廓重新勾勒，勾勒時即要盡可能與模型原始輪廓線無限逼近，又能根據實際情況重新調整、再設計模型的輪廓曲線。這種實現方式對于缺損或粗糙模型的重建和再設計具有很好靈活性，但在保證擬合精度和重建質量時需要設計人員具有良好的專業設計功底，工作過程較復雜，工作量較大。

逆向策略是利用快速曲面重構（QSR）模塊提供的曲面分段、掃描獲得曲線等功能直接根據粗糙輪廓生成3D曲線。這種方式對于點云數據較完整，數據精度較高的點云數據擬合的曲線效果較好，處理過程簡潔，處理方法簡單。但對于復雜的點云數據，特別是存在缺損或需要重構的點云，必須結合正向策略，利用創成式外形設計和草圖編輯器等功能模塊提供的工具對輪廓曲線進行調整，以實現模型完整的輪廓勾勒工作。多數情況下，正向和逆向曲線重建的策略都是相互結合，相互補充的，需要根據實際模型選擇具體的工作過程和方法。

另外，對于較復雜的模型，在進行曲線重建時，需在同一坐標系下重新對數據點云進行分割，對分塊點云進行輪廓線重構和曲面重建，最后在同一坐標系下對分塊點云的曲面進行重新組裝以獲得所需的整個曲面模型。這與前期的點云合并是不矛盾的，點云合并主要是將掃描的點云數據進行合并，保證數據的完整性，而模型分塊處理是根據模型自身特點、基本輪廓進行分塊，有利于方便、快捷的完成曲線、曲面重建工作。

2.6 曲線曲率平滑

曲線平滑處理的基本原則是盡可能保證每條曲線都進行過平滑處理，在進行曲線設計時，同一平面內的多個曲面片輪廓線，如果能夠使用一條3D曲線完成輪廓盡量使用一條曲線完成，然后根據每個曲面片的位置使用斷開工具進行分段處理，這樣既能滿足曲面分片分割的需要，又能保證曲線的光順序。

2.7 曲面生成

在搭建好良好的模型曲線輪廓后，利用快速曲面重構（QSR）和創成式外形設計功能模塊提供的拉伸、掃掠、填充、多截面曲面、超級擬合、網格曲面等工具，對各曲面片進行重建，并利用橋接、延伸等工具將曲面片直接進行連接，實現完整、逼真的重建曲面。

在對存在對稱特點的模型曲面進行重建時，可以根據對稱特點擬合出一半曲面，然后利用對稱、放射、平移等操作完整的實現整個模型曲面。另外，對可通過旋轉、偏置等特殊效果生成的曲面也要注意使用，以提高曲面重建的效率和精度。對于擬合好的曲面還需要使用裁剪、修復、倒角處理等工具進行一步的優化處理。

2.8 誤差分析

列車零部件擬合曲面的誤差分析也需要進行距離分析和曲率分析兩項工作。

距離分析主要是分析重建曲面與原始點云數據之間的誤差，主要用來衡量擬合的曲面是否滿足擬合誤差要求。這里可以使用Catia快速曲面重建等模塊提供的距離分析工具直接對擬合的區域與參照點云進行比對即可完成。

曲率分析是保證曲面質量的重要手段。高品質曲面的評判標準是曲線、曲面的光順性。對同一點云數據，曲面光順衡量準則主要包括：二階幾何連續；不存在奇點與多余拐點；曲率變化較小；應變能較小。曲線、曲面連接時構建方式主要包括：位置連續GO、斜率連續G1、曲率連續G2，其中G2效果是最佳效果，即所謂的A面，圖3為曲線對應的曲率分析圖。

圖3 曲線曲率分析圖

在實際過程中，擬合的曲面盡量向G2靠攏，但很多情況達到G1的連續性效果即可滿足需求。

點云模型輪廓的劃分方法和曲線擬合的質量是影響曲面擬合質量的重要因素，因此在實際工作過程中，點云輪廓線的實現是整個工程中的核心。

3 列車零部件逆向建模效果

列車零部件曲面重建工作是一個十分龐雜的工作，每種類型的零部件，甚至同一個零部件都有多種不同的處理方式和操作方法，但基本工作流程、工作重點和工作規則相似。每個工作人員根據數據模型擬合的曲面效果受其專業背景和工具熟練情況的限制，但是只要嚴格按照以上工作流程進行，擬合的輪廓線較為工整，擬合的曲面模型滿足誤差和曲率的要求，則該曲面模型的重建工作就是成功的，圖4是按照以上曲面重建過程實現的列車零部件重建曲面模型。

4 結束語

圖4 列車零部件重建曲面模型圖

本文主要對逆向工程技術在列車零部件三維模型重建中的應用方法進行研究，介紹列車零部件模型逆向重建過程的基本流程和基本方法，對Catia V5 R19具體實現方式進行詳細論述，明確了列車零部件逆向工程過程和曲面重建的工作重點和注意事項，并根據項目實際情況提出一些可行性建議，為列車零部件的重建及其他相關行業工業生產的實際需要提供了參考和借鑒。

[1] 成思源，謝韶旺. Geomagic Studio逆向工程技術及應用 [M].北京：清華大學出版社，2010.

[2] Varady T, Martin R R， Cox J. Reverse engineering of geometric models-an introduction [J]. Computer-Aided Design, 1997, 29(4): 255-268.

[3] 成思源. 逆向工程技術綜合實踐[M].北京：機械工業出版社，2010.

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[7] 余國鑫. 逆向工程曲面重建技術的研究與應用[D]. 廣州：廣東工業大學，2008.

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責任編輯 陳 蓉

Train parts model reconstruction method based on reverse engineering

ZHAO Yongli1, LI Zhongyuan2, DONG Chengwen3, SUN Chao3, ZHANG Yuzhuo4
( 1.CSR Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China; 2.CSR Qingdao Sifang Locomotive & Rolling Stock Co., Ltd. , Qingdao 266111, China; 3. Standards and Metrology Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 4. School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

This paper mainly focused on the basic process and implementation approach of train parts model reconstruction, and demonstrated the basic working process of the reverse reconstruction of train parts. It was chose hardware and software tools according to the characteristics of the train parts reverse reconstruction, described the main process of train parts surface reconstruction and concrete realization with Catia V5R19. This paper also put forward some suggestions for the project implementation process, supplied reference opinions for the reverse engineering technology and other related industries.

reverse engineering; train parts; Catia; surface reconstruction

U270.2∶TP39

A

1005-8451（2015）06-0009-05

2015-01-02

國家科技支撐計劃（2015BAG12B01）；國家自然基金項目（51305021，U1234205）。

趙勇力，工程師；李忠元，工程師。