逆向工程在汽車設計中的應用

祝珂

（武漢理工大學）

由于車身的開發過程需要大量資金、技術及人才的積累，目前許多汽車生產廠家還沒有形成很高的研發能力。如果完全依靠正向開發，則設計過程進展慢，設計能力在短時間內也不會有明顯提高，并且產品品質跟國外現有的汽車品質相比會有較大差別，沒有市場競爭力。但是，如果完全靠國外技術，就永遠不可能形成自己的研發能力。所以，現在各汽車企業提升自主開發能力，趕上世界先進水平的唯一辦法是站在巨人的肩膀上，對國際上的新技術進行消化、吸收及改進，進而實現創新。

1 逆向工程簡介

逆向工程（Reverse Engineering）也稱反求工程，是針對現有工件（樣品或模型，尤其是復雜不規則的自由曲面），利用3D數字化測量儀器準確、快速地測量出工件輪廓坐標值，通過數據處理、重構曲線曲面、編輯及修改后，將圖檔轉至一般的CAD/CAM系統，再由加工機制做所需模型，或者用快速成型機將樣品模型制作出來，這一流程稱為逆向工程。它運用系統工程學、產品設計方法學及計算機輔助技術的理論和方法，探索支持產品全生命周期設計、制造及管理關鍵技術。逆向工程是對已有產品原型消化吸收，并挖掘蘊含在產品中的涉及產品設計、制造和管理等技術，它是分析方法與技術的綜合，是對已有設計的再設計。但逆向工程不是簡單的產品復制，它特別強調再設計是逆向工程的靈魂。

2 逆向工程的發展狀況

目前，我國汽車設計制造水平與發達國家還有一定的差距，如何在借鑒國外先進成熟產品的基礎上進行適當和必要的改進，以便快速、高效的得到有自主知識產權的產品投放市場，對于節省費用，縮短研發周期，提高競爭力和減少風險有著非常重要的意義。利用逆向工程的現代車身設計方法可以充分吸收國外先進的設計制造成果，使我國的產品設計立足于更高的起點，同時加速某些產品的國產化速度。目前，逆向工程在汽車設計過程中的應用，主要體現在以下幾個方面：

1）汽車車身及相關零部件（車身飾板、儀表臺等）形狀獨特而復雜的自由曲面的建立。

2）由于工藝、美觀及使用效果等方面的原因，人們經常要對已有的車身構造做局部修改。以已有產品為基準點（bench marking）進行設計已經成為當今車身設計的一條設計理念。在原始設計沒有三維CAD模型的情況下，若能將實物構件通過數據測量與處理產生與實際相符的CAD模型，對CAD模型進行修改以后再進行加工，將顯著提高生產效率。逆向的車身設計方法在改形設計方面可以發揮不可替代的作用。

3）利用逆向工程手段，可以方便地產生基于模型的計算機視覺，可以在車身設計的前期對車身造型進行反復的評審，獲得最佳造型效果，減少后期不必要的浪費[1]。

4）通過實物模型產生CAD模型，可以使產品設計充分利用CAD技術的優勢，并適應智能化、集成化的產品設計制造過程中的信息交換。

3 逆向工程前景

當今世界，在經濟全球化、貿易自由化及社會信息化的新形勢下，全球制造企業之間的競爭日趨激烈，制造業對市場的快速響應（交貨期）在工業發達國家已經成為競爭的焦點。隨著汽車制造業保護年限的日益迫近，國內轎車生產企業要想贏得競爭，就要以市場為中心，以滿足顧客需求為主線，以技術創新為驅動力，最快速的響應市場變化，并迅速贏得市場和用戶。換句話說，就是企業必須以最短的產品開發時間、最優的產品質量、最低廉的制造成本和銷售價格、最好的技術支持和全過程服務、最佳的環保效果以及最快速的市場適應性來生產適銷對路的產品，使其進入市場、占領市場，進而領導市場[2]。

4 逆向工程流程

4.1 概念草圖和效果圖

經過大量的市場調查和分析，接下來是創意階段，是設計師天馬行空發揮想象力，思維發散的階段。此時的主要任務是設計者將自己的構思和靈感用手繪的形式快速地表現出來，是記錄過程形成的結果，被稱作構思草圖，這些草圖只是對汽車整體造型的感覺和方向的概括，無需向他人展示傳達。因為構思草圖不必描繪過多的細節，所以要求的數量很大，一般情況下1個設計者1天之內要畫60張草圖。草圖畫得越多，設計師的思路越開闊，對設計任務理解的程度越深刻。當構思草圖達到一定數量時，需要對一些可行性概念進行整理和深化發展，進入創意的第2個階段，即概念效果圖階段。此階段的方案用于內部交流，必須畫出較為清晰和完整的概念效果圖，它要求描繪出汽車的整體形態、尺寸比例、材質及色彩。概念效果圖是構思草圖的完善與深入，但不是最終效果，須求質又求量，并要求一定的繪制速度，但一些細節可以忽略。概念效果圖適用于深入分析、評價推敲方案及與他人溝通交流，同時也是繪制精細效果圖的前期準備。渲染效果圖是對確定了的方案在形態、色彩及材質肌理上進行正確和精密的描述，使任何人看了都能一目了然。逼真的渲染效果圖可吸引更多評審者的眼球，也可使決策者下決心肯定設計方案。

4.2 比例模型

渲染效果圖通過評審，選擇優秀的設計方案進行比例模型制作。比例模型是設計師將二維圖形轉化成三維實體造型的過程，是再設計的過程，在比例模型上設計師可以反復的推敲汽車造型的型面和一些細節，更真實的表達自己的設計意圖。1）按尺寸分，縮小比例模型有 3 種，即：1：5，1：4 和 1：2。對于轎車，1：5 和 1：4是比較合適的尺寸比例，一般轎車長度為4 m左右，比例模型的尺寸為800～1 000 mm，制作工作量不大，便于修改，曲線和曲面不用花費很大的力氣就能達到光滑順暢的效果。而1：2的尺寸比例就相對大一些，線面的表現更直觀，但尺寸較大，手工制作起來費時、費力，是非主流的比例。2）按材料分，可分為油泥模型、石膏模型和仿真模型3種。油泥是油脂、填料、改性添加劑及顏料等的混合物，便于反復修改，不易風化干燥和變形龜裂，因而模型尺寸較穩定，是目前汽車造型最廣泛應用的材料。石膏較便宜，但強度低且不易于反復修改。仿真模型具有逼真的材質和效果，不能用于推敲造型，常作為車型檔案保存之用。評審需要的模型完成后，要進行仿真處理，表面進行噴涂油漆或敷上具有真車表面效果的薄膜，車窗、散熱器罩及前后燈等真車上具有的細節一樣都不能少，可謂麻雀雖小五臟俱全。

膠帶圖是設計師根據汽車總布置圖，在帶有坐標網格線的薄膜上利用專用的不干膠帶貼出設計方案的造型線圖，它由多個視圖組成（側視圖、俯視圖、前視圖、后視圖）。各個視圖的線條都能夠一一對應且誤差要求很小，這個環節要求設計師要具備良好的三維空間想象能力及扎實的機械制圖功底。膠帶圖是將效果圖轉化成模型的橋梁紐帶，比例模型也是依據比例膠帶圖展開加工制作的。膠帶圖的另一個重要作用是，它可以作為造型可行性分析的依據，1：1膠帶圖能夠真實地反映出實車的尺寸比例和造型特點。因此，在貼制的過程中，需要有其他的工程技術人員進行配合，檢驗膠帶圖所表達的線面是否與內部結構干涉，如果發現問題，設計師要和工程技術人員進行協商，確定是修改內部結構還是修改膠帶圖[3]。

4.3 整車油泥模型

比例模型是1：1全尺寸模型的試驗及準備階段，是確定1：1模型造型方向的前提，不能代替全尺寸模型，因為比例模型的直觀性不如全尺寸模型。例如在縮小比例模型，一條看起來比較舒展的腰線，等比縮放成實際尺寸后，會顯得弧度過大或拘謹。比例模型這個環節是不能省略的，如果把效果圖直接制作成全比例模型，中間就缺少了推敲的過程，在1：1模型上反復推敲方案將費時、費力。因為全尺寸模型的制作工作量很大，首先要根據總布置圖的要求，精確的制作模型骨架，留足所需的油泥加工量及修改量。需要將近1.5 t的油泥用手工碾壓在模型骨架上，然后由經驗豐富的油泥模型師以手工的形式把模型雕塑得光順，整個過程的尺寸控制是非常嚴格的，要精確到毫米或零點幾毫米。1：1模型不適合整體造型的反復大幅度修改，整體造型的大改動只能在比例模型上進行[4]。

4.4 數模構建

4.4.1 點測量

測量方法的選用是逆向工程中一個非常重要的問題，它不僅決定了測量數據的質量和測量效率，而且直接影響后續工作，即造型方法的選取及建模的質量和精度。根據調查可以選用ATOS三維光學測量儀來獲取樣件表面的三維坐標信息。

4.4.2 點的處理

無論是接觸法還是非接觸法獲取的數據，由于受各種因素的影響，都會存在各種測量誤差，如錯誤數據、噪聲數據等，不可避免地引入不合理的噪聲點，這部分數據約占數據總量的0.1%～5%[5]。這些噪聲點將直接影響特征點云的精度、重建模型的質量，其結果將導致重構曲線、曲面不光滑，降低模型重構的精度，因而在模型重建之前，需對點云數據濾去噪聲點[6]。

采用激光掃描法采集的數據往往十分密集，數據量一般都在數兆字節，甚至高達數十兆字節，即使處理了噪聲點，數據量仍然很大，一般不會直接使用這些數據進行曲線或曲面的重構。因為那樣做，會使計算效率大大降低，消耗更多內存，而且重構出的曲線、曲面的精度并不一定高，甚至誤差很大。因此，有必要對點云數據進行壓縮處理。數據精簡的目的是壓縮不必要的數據點，在保證精度的前提下生成適合于后續擬合的結構，故而不產生新點，只是簡單地對原始點云中的點進行刪節，并盡可能多地保留原始數據點的形狀特征[7]。

4.5 曲面擬合

采用何種造型技術將二維坐標數據形式轉化為曲線和曲面形式，并獲得良好曲面造型效果，一直是通用CAD軟件研究的重要問題。在車身逆向工程中，曲面結構有其自身特點：

1）曲面數據散亂且曲面對象邊界和形狀有時極其復雜，因而一般不便直接運用常規的曲面構造方法。

2）曲面對象往往不是簡單地由一張曲面構成，而是由多張曲面經過延伸、過渡、裁減及縫合等形成。

3）由于數字化技術的限制，在車身逆向工程中還存在一個“多視數據”問題。為了保證數字化的完整性，并視為之間還有一定的重疊，這就引來一個被稱為“多視拼合的問題”。

因此，曲面擬合目前在車身逆向工程應用中，主要有以下幾種方案：

1）以B-Spline為主的參數曲面法；

2）以NURBS曲面為基礎的曲面擬合方法；

3）以三角曲面為基礎的曲面擬合法。

在實際應用過程中，曲面擬合方法的選擇對曲面生成的最終結果有著重要的影響。通常要考慮的因素：1）反求軟件的曲面生成功能模塊的選擇；2）在該曲面生成方法中，其軟件內部的算法及拓撲結構形式[8]。

在對曲面的處理檢查平順之后，即有三維體上的表面數據，再以此數據對產品進行具體的模具設計。

5 存在的問題

純逆向工程不僅時間周期較長、整車掃描導致需要處理的數據量很大、點云數據量很大、處理時間非常長及效果與設計概念圖相差較遠等缺點外，某些東西還不能單純靠逆向完成，如公差、材料性能及平臺思想等，而且造型上的改動也是不可避免的。另外，逆向雖然是依靠技術來模仿，但也對品牌造成不可避免的影響，所以，日后是否使用逆向與怎樣合理使用逆向來處理汽車設計問題，需要給予認真的思考。結合順、逆向也許是一條可行的方法。不過，為追求現在的快速發展，逆向工程是必須要經過的一項能快速提高制造設計水平，追求經濟高速增長與產品實力的良好方法，但隨之帶來的問題與技術更新換代也是需要我們考慮的。

6 結語

逆向工程為制造業提供了一種全新、高效的重構手段，實現了從實際物體到幾何模型的轉換。通過應用軟件對曲面進行重建，獲得了較為滿意的曲面。當然，逆向工程不只是簡單地重構，而是要通過各種方法手段去改進和提高，這也是我國汽車設計領域追趕世界領先技術的有效途徑。因此，在汽車設計中，逆向工程技術是一項體現先進性、創造性和綜合性于一體的系統工程。