逆向工程技术在轨道交通车辆造型设计中的应用

吕元颖1上海同济大学 (201804） 2上海轨道交通设备发展有限公司 (200233）

吕元颖（1984年～），男，硕士研究生，工程师，主要从事轨道交通车辆的设计研制。

1 逆向工程概念

传统的正向工程，是产品从无到有的实现过程。一般工业产品开发是先确定目标造型和功能，接着构思产品结构，然后进行产品每个零部件的设计、分析、制造以及检验，再经过装配、性能测试等程序完成整个开发过程。每个零部件都有设计图样，按确定的工艺文件加工，正向工程设计流程如图1所示。

图1 正向工程设计流程

不同于正向工程，逆向工程(Reverse Engineering)也称为反向工程或反求工程，是在20世纪80年代初才开始发展起来的一项新技术，是一种成型产品或模型的再现过程，逆向工程是在不侵犯目标产品的知识产权基础上，对一项目标产品或模型进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性、形状轮廓及技术规格等设计要素，以用于该产品的修改、分析、制造、检验、装配、测试等多种目的，逆向工程设计流程如图2所示。

图2 逆向工程设计流程

对于逆向工程设计流程而言，数据采集、数据处理、模型重构是关键步骤，需要软、硬两方面的技术的结合。硬件方面，需要能精密测量、采集坐标点的扫描工具；软件方面，需要能对所得数据点云的处理及模型重构的软件技术。

2 逆向工程的基本应用情况

目前，逆向工程主要应用于以下几种情况：

(1)在概念设计阶段采用实物模型作为鉴定依据的产品，这些实物模型通常由黏土、工程塑料、石膏等材料制作而成。

(2)已经成形或投入实用却缺乏生产图样的产品，特别是在CAD/CAM 出现前所设计的产品，或者无任何资料的产品。

(3)修改后的产品。在按照图样生产时，由于工艺、美观等方面原因，对模具进行修改但并未做记录的产品。

(4)需设计再利用的产品。通过载入以前产品的CAD模型数据，通过逆向工程设计出新品种产品。该方法无需对已有产品进行数据采集，但需要对已有模型进行数据处理和模型重构。

(5)数字化模型检测的产品。对加工后的产品进行扫描测量，再利用逆向工程构造出CAD 模型，产生的模型与初始CAD模型进行数据比较。

3 逆向工程在轨道交通车辆设计中的应用

本文设计对象为国产化A型地铁列车司机室，司机室外壳一般由玻璃钢（FRP）或铝合金面板拼接而成，其结构的特点在于组成外轮廓的各个零部件多为尺寸大而形状复杂的空间曲面。由于这些大型覆盖件多为高次方程曲面，所以不能用一般的CAD方法将它们完整、清晰地表达出来，且考虑到司机室外形和功能的确定需要通过以实物模型作为设计依据，因此，该车辆司机室外轮廓设计通过逆向工程来实现。

3.1 选取样品

对于逆向工程来说，选取样品并非关键技术环节，却是整个设计流程中的起始点，且决定了所设计最终目标的大致方向。样品可以是已经运营或设计完成的地铁、轻轨、高铁车辆的司机室外轮廓；也可以是一个由木材或工程塑料做成的司机室轮廓模型。由于为了满足空气动力学、外形造型美观、本身功能等要求，轨道交通车辆司机室外形已从原来的平直、方正等形状逐步演变成赋有动感和立体感的流线型、圆润型等外形轮廓，且这些轮廓基本上都有多个复杂曲面拼接而成，所以传统的正向工程采用的CAD三维建模设计方案已经无法满足复杂曲面设计要求，而更具自由特点的实物模型设计方法被应用到司机室外轮廓方案设计中。选用样品为由ABS工程塑料制造而成的模型，比例为传统地铁车辆司机室模型的五分之一，模型如图3所示。

3.2 数据采集

数据采集是逆向工程的第一个关键技术环节，它是指通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的三维几何坐标数据。高效、准确地采集到产品表面的三维几何坐标数据，是实现逆向工程的基础和重要技术之一。根据测量的方式不同，可以将三维测量设备分为接触式和非接触式两大类型。

(1)接触式测量法

接触式测量法通常是指三坐标测量机法(Coordinete Measuring Machine)，简称CCM。三坐标测量机法主要应用于由基本的几何形体（如平面、圆柱面圆锥面、球面、流线型曲面等）构成实体的数字化过程，适用于测量实体外部的几何形状。采用该方法可以达到很高的测量精度，且对测量对象颜色和光照没有要求，但该方法测量速度较慢，且对软质材料适应差。CMM有两种不同的测量方式，点对点测量法（Point to Point Method）和截面扫描法（Section Scanning Method）

(2)非接触式测量法

非接触式测量法采集实物模型的表面数据时，测头不与实物表面接触，它们利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取其三维信息，如声、光、电磁等。其中应用光学原理发展起来的现代三维形状测量方法应用也比较广泛，如三角形法、结构光法等。激光三角法是采用激光作为光源，照射到被测物体上，利用CCD 接受漫射光成像点，根据光源、物体表面反射点、成像点之间的三角关系计算出表面反射点的三维坐标。此方法已经成熟，目前已走向实用。结构光投影测量法被认为是目前三维形状测量中较好的方法，它的原理是将具有一定模式的光源，如栅状光条投射到物体表面，然后用两个镜头获取不同角度的图像，通过图像处理的方法得到整幅图像上像素的三维坐标，这种方法具有速度快、无需运动平台的优点。

考虑到司机室外轮廓模型主要以圆滑或流线型大面积曲面为主，且需要高精度数字化要求，所以采用Globa Silver三坐标测量机，其三维空间精度可以达到1～2 μm，三坐标测量机如图4所示。

图4 Globa Silver三坐标测量机

测量机的测头沿着司机室外轮廓模型的表面连续扫描，针对复杂的三维边界曲面进行数据测量时不能完全到达被测部位的边界，在这里采用柱形侧头点接触式测量司机室模型外轮廓边界，保证测准三维边界一个方向（测头方向）上的数据，然后再沿测头方向投影实测边界曲线到延伸后的曲面，利用投影曲面对曲面进行裁剪获得逆向工程数字化模型边界。最终，把采集的数据存入计算机形成“点云”文件，以asc格式输出。

3.3 数据处理

数据处理是逆向工程的第二个关键技术环节，它决定了模型重构过程是否能够方便、准确地进行。使用Globa Silver三坐标测量机测取的司机室外轮廓模型三维几何坐标数据都是一些离散点的点云数据，其中，数据存在着噪声点和数据的重叠、缺失，尤其是尖锐边和边界附近的测量数据，所以还需要相应的软件来处理点云数据。点云数据的处理包括噪声去除、多视对齐、数据精简、数据光顺、数据分割等诸多方面。预处理通常要经过以下步骤：

(1)异常点处理；

(2)数据精减；

(3)数据插补。

目前比较常用的逆向工程软件有：

Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD、

RapidForm、UG、I-DEAS、Pro-E等。由于该轨道交通车辆研发基于CATIA V5平台进行开发设计，为了便于设计兼容性和后续连续性，所以将测量获得的点云数据通过CATIA V5 软件的DSE模块进行数据处理，导入后形成的司机室模型外轮廓点云数据如图5所示。

图5 点云数据图

这里采用的是三坐标测量机获得的散乱的点云，可利用直观检查法，通过CATIA V5软件对点云数据进行初步检查，再通过图形终端，用肉眼直接通过CATIA V5软件将与截面数据点集偏离较大的点或存在于屏幕上的孤点剔除。由于接触式测量已将零件的特征值完整采集，所以不需要进一步做数据的精减或插补处理，经过去噪后的司机室模型外轮廓点云图如图6所示。

图6 去噪后点云数据图

3.4 模型重构

模型重构又称曲面重构，是逆向工程的第三个关键技术环节，它是指通过软件将模型点云数据根据特征进行分割，然后对分割的数据点云重构形成曲面片。由于司机室模型外轮廓曲面并非由简单的线段或圆弧等简单图形元素组成，所以必须用更先进的描述手段─光滑的自由曲面来描绘。

自由曲面一般用参数曲线曲面表示，常用的有Bezier、B—Spline和NURBS等表示方式。这里通过CATIA V5软件采用NURBS方法进行司机室模型外轮廓曲面重构。NURBS是解析曲线曲面和自由曲面的综合曲面(非有理B样条、Bezier曲面都是NURBS的特例表示)。NURBS曲线和曲面方程如下：

(1)NURBS曲线方程

一条p阶NURBS曲线被定义作：

式中｛Pi｝— 控制点(形成控制多边形);

除非另述,一般假定a=0，b=1及对于所有的i都有ωi>0。

(2)NURBS曲面方程

u向p阶、v向q阶的NURBS曲面定义为:

式中｛Pi，j｝—构成曲面控制点网;

通过CATIA V5软件，用NURBS曲面可通过控制点和权值方便灵活地控制司机室模型外轮廓曲面形状，能有效进行插入节点、修改、分割和几何插值等处理，并具有透视变换和放射变换的不变性等优点。模型最终以并以IGES 格式存储，便于后期模型曲面增厚和优化等CAD方法处理，司机室外轮廓模型重构如图7所示。

图7 重构后的模型图

4 展 望

逆向工程改变了传统铁路和城市轨道交通车辆外观及功能设计开发模式, 大大缩短了车辆司机室及其他零部件开发周期，提高了车辆的整体美观及性能、工艺质量以及加工效率，并且减轻了设计人员劳动强度，降低了开发成本。

当然，由于轨道交通车辆部分零部件曲面构造复杂导致数据测量、数据处理、模型重构这三大步骤仍存在着不稳定性。但随着测量硬件设备和计算机软件智能化的发展，将来有望形成集成化的轨道交通车辆设计逆向工程系统，为轨道交通车辆设计提供更多方便和支持。

[1]金涛，童水光等.逆向工程技术[M].北京：机械工业出版社，2003．

[2]赵洪伦.轨道车辆结构与设计[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[3]徐伯初.轨道交通车辆造型设计[M].北京：科学出版社，2012.

[4]朱心雄.自由曲线曲面造型技术[M].北京：科学出版社，1998.

[5]王霄.逆向工程技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2004.