張倩穎　路有

摘 要：當今社會，隨著先進制造技術的迅速發(fā)展，很多的產(chǎn)品都需要一體化的解決方案，這一過程就是從樣品—數(shù)據(jù)—產(chǎn)品的過程，通過逆向工程技術可以將異形曲面轉變?yōu)閿?shù)字建模，使得新產(chǎn)品面世速度加快，產(chǎn)品外觀復雜性、新穎性及制造的精度提升，與此同時，也使得產(chǎn)品研發(fā)成本極大降低。逆向工程是一種重構手段，它更新了加工制造業(yè)的加工方法，并且變得更加高效，實現(xiàn)了將實際物體轉變成幾何模型這一過程，當今此技術已是現(xiàn)代企業(yè)更新開發(fā)新產(chǎn)品設計的重要手段。當今，利用計算機進行三維造型這一技術，特別是利用逆向工程技術，這一技術在汽車造型設計上已得到廣泛的應用。為了解決汽車在造型方面上的難題，本文主要是借助三維掃描儀這一工具通過逆向工程對汽車進行造型設計，并介紹了逆向工程的定義、應用等。主要講述了逆向工程在汽車造型設計方面的應用，使人們更加深刻認識與了解逆向工程的具體流程，同時更加全面的了解逆向工程的應用。本文利用光學掃描儀的非接觸測量進行數(shù)據(jù)采集，獲得汽車外形表面點云數(shù)據(jù)，利用Geomagic軟件對點云數(shù)據(jù)進行處理，并進行汽車造型表面構造，實現(xiàn)汽車的曲面重構，得到汽車外形的三維實體模型和二維圖。這種過程與傳統(tǒng)正向設計的方法相比較，提高了設計人員的工作效率，縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期。

關鍵詞：逆向工程 數(shù)字建模 點云 造型設計

Discussion about the Application of Reverse Engineering Technology in Automobile Modeling Design

Zhang Qianying，Lu You

Abstract：Today， with the rapid development of advanced manufacturing technology， many products require integrated solutions. This process is a process from sample to data to product. Through reverse engineering technology， the special-shaped surface can be transformed into digital construction. The mold speeds up the launch of new products， improves the appearance complexity， novelty and manufacturing precision of products， and at the same time， greatly reduces the cost of product research and development. Reverse engineering is a reconstruction method. It updates the processing methods of the manufacturing industry and becomes more efficient. It realizes the process of transforming actual objects into geometric models. Today， this technology is an important means that updates and develops new product designs. Nowadays， the technology of using computers to carry out three-dimensional modeling， especially the use of reverse engineering technology， has been widely used in automobile modeling design. In order to solve the problem of automobile modeling， this article mainly uses the tool of 3D scanner to design automobile modeling through reverse engineering， and introduces the definition and application of reverse engineering. It mainly describes the application of reverse engineering in automobile styling design， so that people have a deeper understanding of the specific process of reverse engineering， and a more comprehensive understanding of the application of reverse engineering. In this paper， the non-contact measurement of the optical scanner is used for data collection to obtain the point cloud data of the car shape surface， and the Geomagic software is used to process the point cloud data， and the car shape surface structure is carried out to realize the surface reconstruction of the car and obtain the three-dimensional shape of the car. Compared with the traditional design method， this process improves the work efficiency of designers and shortens the development cycle of new products.

Key words：reverse engineering， digital modeling， point cloud， modeling design

1 引言

在傳統(tǒng)設計中，大多都是根據(jù)市場的需求，通過工程師創(chuàng)造性的設計勞動，設計總體及零部件結構，并且制訂加工工藝和進行夾具的設計，加工完成后進行裝配，最終檢驗產(chǎn)品和測試其性能，將頭腦中的設計理念變成真實的產(chǎn)品。這一過程一般都需要進行大量的市場調研，而且需要投入很大的人力和物力，產(chǎn)品面向市場也需要很多次的修改與完善，大大延長了產(chǎn)品的制造周期。

逆向工程屬于軟件工程，是其中一個新興的分支，他是對已有物品相關信息進行充分的吸收和消化，在這個基礎上進行創(chuàng)新和改型，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，重新構建實體的三維模型，極大地縮短了產(chǎn)品面向市場的周期。逆向工程主要的作用是利用測量的設備獲取產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一整套的編輯，獲得和掃描文件相匹配的曲線或者曲面模型，存儲成標準的數(shù)據(jù)格式，將其模型數(shù)據(jù)傳輸至CAD/CAM中，最終獲得產(chǎn)品造型的數(shù)據(jù)。

2 逆向工程的定義

逆向工程（也稱為反求工程）是產(chǎn)品在設計過程中的再現(xiàn)，也就是說研究和逆向的分析所需設計的產(chǎn)品，進而推導并且獲得產(chǎn)品的功能特性、技術規(guī)格、加工流程和組織結構，從而生產(chǎn)出產(chǎn)品的過程。逆向工程起源于軍事和商業(yè)領域的硬件分析，是后續(xù)進行逆向建模最主要的步驟。他的主要目的在于通過分析成品，直接推導出產(chǎn)品設計的原則。逆向工程（RE）是將產(chǎn)品設計的過程進行描述。在工程設計人員的思想概念中，產(chǎn)品設計的過程是從設計到產(chǎn)品的實現(xiàn)過程，也就是設計人員要先在頭腦中構思產(chǎn)品的性能、形狀和主要技術參數(shù)，然后進行詳細設計階段，建造并完成各類模型數(shù)據(jù)，并將模型轉入研發(fā)的階段，從而實現(xiàn)完整的設計和開發(fā)過程，這個完整的過程稱之為“正向設計”。逆向工程設計的過程可以看作是正向設計的反向過程，他是從產(chǎn)品到設計的完整過程。也就是說，逆向工程是在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎上，進行逆向推導，得到產(chǎn)品的設計數(shù)據(jù)（其中包括各種所設計的二維、三維圖紙或者其數(shù)據(jù)模型）的過程。當今，在工業(yè)產(chǎn)品的設計中，逆向工程已經(jīng)應用了很長的時間。比如說，早先在造船領域中船體放樣設計就是利用逆向工程進行設計的一個比較不錯的例子。

逆向工程是一項技術，他基于精密測量和質量檢測技術，是從現(xiàn)存產(chǎn)品的零件或我們周邊實物的原形入手，使用三維數(shù)字測量儀器對產(chǎn)品進行快速、準確地測量，再利用所測量數(shù)據(jù)使用CAD幾何數(shù)模技術重建模型，在重建的過程中，也是對已有產(chǎn)品分析、深化和再創(chuàng)造的過程。逆向工程的建模過程包括幾方面，一般來說包括獲取和處理產(chǎn)品數(shù)據(jù)，重建產(chǎn)品三維數(shù)字化模型以及將三維模型進行再設計等。在設計方式方面，逆向工程和傳統(tǒng)的正向設計截然相反，逆向工程是有實際的物體作為參考，通過實際物體能夠既快速又準確地建立起產(chǎn)品CAD模型，尤其是對于復雜形狀的模型更加方便，有效地縮短產(chǎn)品研發(fā)的周期。當今逆向工程在很多方面都應用廣泛，已經(jīng)成為新產(chǎn)品開發(fā)的重要手段，與此同時，也成為消化和吸收先進技術;實現(xiàn)產(chǎn)品快速的發(fā)展的重要技術。

3 逆向工程的應用

隨著社會的發(fā)展，逆向工程的應用越來越廣泛，主要用于飛機、汽車、模具、玩具、家電等相關領域，他是利用現(xiàn)有的資源，實現(xiàn)了制造數(shù)字化的技術，更加方便、快捷地開發(fā)新的產(chǎn)品，使得開發(fā)和生產(chǎn)的成本大大降低，設計生產(chǎn)周期大大縮短。其有如下幾方面的主要應用：

3.1 沒有零件設計圖條件下通過逆向生成樣件數(shù)據(jù)

有很多情況下，實物都沒有設計圖紙，尤其是通過改進現(xiàn)有實物，進行再設計的時候應用最多。在此種情況下，通過對實物的原型進行掃描，測量分析，最終得出測量數(shù)據(jù)，再利用相關的軟件進行數(shù)據(jù)整理，并重新構建模型，得到新的產(chǎn)品，并加工出來。

3.2 利用實驗的模型作為依據(jù)來反求其模具

有很多飛機和汽車等零配件要通過試驗測試才能夠進行定型，這些一般都是通過逆向工程，等到模型實驗合格之后，再反求他的模具。

3.3 模具相關行業(yè)

因為在模具的制造過程中，需要多次進行試沖和修模，對于已經(jīng)修整好的模具，可以通過逆向工程一比一復制出一套和他一模一樣的模具，通過這項技術不僅可以節(jié)約時間，提高效率，還可以大大地降低模具的制造成本。

3.4 美學設計領域

通過逆向工程的技術，在改裝汽車外形，計算機仿形，新產(chǎn)品的創(chuàng)新設計等方面應用十分廣泛。

4 獲得汽車外形三維的點云數(shù)據(jù)

我們在逆向工程中，對需要被測物體的表面輪廓進行特征掃描，并且獲取重建被測物體的CAD模型的三維形態(tài)點云數(shù)據(jù)，這是模型重建的基礎。我們通過特定的測量儀器以及測量方法對物體進行測量，把物體表面的幾何形態(tài)轉換成幾何坐標點數(shù)據(jù)，用來作為建模的重要依據(jù)，我們只有獲取到正確的測量數(shù)據(jù)，才能實現(xiàn)準確的CAD建模。我們根據(jù)測量探頭或者傳感器是否和被測實物接觸，可以將常用的測量設備分為接觸式和非接觸式兩大類，接觸式的有三坐標測量機等，非接觸式的有結構光測量儀、聲波定位儀等?，F(xiàn)在隨著光電檢測技術，計算機技術以及信息技術的飛速發(fā)展，測量技術有了很大的發(fā)展，我們這里運用Handyscan 700手持掃描儀對汽車的外形輪廓進行數(shù)據(jù)的采集。我們對汽車進行掃描的時候，需要對掃描儀進行標定。若汽車為黑色或存在車燈等透明材質，需要對汽車的表面進行噴涂顯像劑并貼上標志點，為了減小測量的誤差，我們先繞一個方向進行掃描，掃描至車身四分之一處時，再往相反方向進行掃描，或者直接使用遠景測量系統(tǒng)，最終得到一組掃描的點云數(shù)據(jù)。

5 汽車三維模型的重建以及再設計

當我們完成了上述的對汽車的點云數(shù)據(jù)的獲取之后，我們就要對汽車三維模型的重建和再設計，這里汽車三維模型的重建主要有兩個步驟，主要應用的是Geomagic Design X軟件。

首先我們要做的就是，根據(jù)我們所獲得的點云數(shù)據(jù)導入到軟件中，結合掃描汽車的實體，再通過對點云數(shù)據(jù)的優(yōu)化、編輯和面片處理分析來獲取汽車的原始設計意圖，我們可以通過確定曲面的重構以及每個裝配組件之間的位置配合的關系等進而建立汽車的外形曲面的造型，而且在我們進行汽車模型重構的時候需要考慮到制造工藝性，然后我們再結合其內(nèi)部結構等實際情況進行二次再設計。我們在根據(jù)所獲得的點云數(shù)據(jù)進行構造汽車的外觀曲面的時候，需要將外觀表面按照幾何的特征結構進行劃分，分為主曲面和輔曲面這兩大類曲面，然后我們再通過運用一些簡單的命令，例如拉伸等，進行構建每個主曲面，輔曲面我們可以通過像圓角面等命令進行構建。

在當今社會中，很多企業(yè)都將逆向工程技術和CAD/CAM相互結合，這種應用對于企業(yè)新產(chǎn)品的設計等用處很大。隨著此項技術的應用的日趨廣泛，這一點在我們對外進行技術服務的過程中深有體會，尤其是汽車改裝、賽車制造等領域利用這項技術更加受歡迎。雖然工程設計技術人員對逆向工程技術的了解時間比較短暫，只有十幾年甚至幾年的時間，但是當今工程技術人員已經(jīng)越來越關注逆向工程技術的應用前景，因為這對我們國家提升汽車制造行業(yè)的技術含量，對于市場競爭力的提高有推波助瀾的重要作用。

參考文獻：

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