浅谈逆向工程技术在汽车造型设计方面的应用

张倩颖　路有

摘 要：當今社会，随着先进制造技术的迅速发展，很多的产品都需要一体化的解决方案，这一过程就是从样品—数据—产品的过程，通过逆向工程技术可以将异形曲面转变为数字建模，使得新产品面世速度加快，产品外观复杂性、新颖性及制造的精度提升，与此同时，也使得产品研发成本极大降低。逆向工程是一种重构手段，它更新了加工制造业的加工方法，并且变得更加高效，实现了将实际物体转变成几何模型这一过程，当今此技术已是现代企业更新开发新产品设计的重要手段。当今，利用计算机进行三维造型这一技术，特别是利用逆向工程技术，这一技术在汽车造型设计上已得到广泛的应用。为了解决汽车在造型方面上的难题，本文主要是借助三维扫描仪这一工具通过逆向工程对汽车进行造型设计，并介绍了逆向工程的定义、应用等。主要讲述了逆向工程在汽车造型设计方面的应用，使人们更加深刻认识与了解逆向工程的具体流程，同时更加全面的了解逆向工程的应用。本文利用光学扫描仪的非接触测量进行数据采集，获得汽车外形表面点云数据，利用Geomagic软件对点云数据进行处理，并进行汽车造型表面构造，实现汽车的曲面重构，得到汽车外形的三维实体模型和二维图。这种过程与传统正向设计的方法相比较，提高了设计人员的工作效率，缩短了新产品的开发周期。

关键词：逆向工程 数字建模 点云 造型设计

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

在传统设计中，大多都是根据市场的需求，通过工程师创造性的设计劳动，设计总体及零部件结构，并且制订加工工艺和进行夹具的设计，加工完成后进行装配，最终检验产品和测试其性能，将头脑中的设计理念变成真实的产品。这一过程一般都需要进行大量的市场调研，而且需要投入很大的人力和物力，产品面向市场也需要很多次的修改与完善，大大延长了产品的制造周期。

逆向工程属于软件工程，是其中一个新兴的分支，他是对已有物品相关信息进行充分的吸收和消化，在这个基础上进行创新和改型，再经过数据处理后，重新构建实体的三维模型，极大地缩短了产品面向市场的周期。逆向工程主要的作用是利用测量的设备获取产品的数据，经过一整套的编辑，获得和扫描文件相匹配的曲线或者曲面模型，存储成标准的数据格式，将其模型数据传输至CAD/CAM中，最终获得产品造型的数据。

2 逆向工程的定义

逆向工程（也称为反求工程）是产品在设计过程中的再现，也就是说研究和逆向的分析所需设计的产品，进而推导并且获得产品的功能特性、技术规格、加工流程和组织结构，从而生产出产品的过程。逆向工程起源于军事和商业领域的硬件分析，是后续进行逆向建模最主要的步骤。他的主要目的在于通过分析成品，直接推导出产品设计的原则。逆向工程（RE）是将产品设计的过程进行描述。在工程设计人员的思想概念中，产品设计的过程是从设计到产品的实现过程，也就是设计人员要先在头脑中构思产品的性能、形状和主要技术参数，然后进行详细设计阶段，建造并完成各类模型数据，并将模型转入研发的阶段，从而实现完整的设计和开发过程，这个完整的过程称之为“正向设计”。逆向工程设计的过程可以看作是正向设计的反向过程，他是从产品到设计的完整过程。也就是说，逆向工程是在现有产品的基础上，进行逆向推导，得到产品的设计数据（其中包括各种所设计的二维、三维图纸或者其数据模型）的过程。当今，在工业产品的设计中，逆向工程已经应用了很长的时间。比如说，早先在造船领域中船体放样设计就是利用逆向工程进行设计的一个比较不错的例子。

逆向工程是一项技术，他基于精密测量和质量检测技术，是从现存产品的零件或我们周边实物的原形入手，使用三维数字测量仪器对产品进行快速、准确地测量，再利用所测量数据使用CAD几何数模技术重建模型，在重建的过程中，也是对已有产品分析、深化和再创造的过程。逆向工程的建模过程包括几方面，一般来说包括获取和处理产品数据，重建产品三维数字化模型以及将三维模型进行再设计等。在设计方式方面，逆向工程和传统的正向设计截然相反，逆向工程是有实际的物体作为参考，通过实际物体能够既快速又准确地建立起产品CAD模型，尤其是对于复杂形状的模型更加方便，有效地缩短产品研发的周期。当今逆向工程在很多方面都应用广泛，已经成为新产品开发的重要手段，与此同时，也成为消化和吸收先进技术;实现产品快速的发展的重要技术。

3 逆向工程的应用

随着社会的发展，逆向工程的应用越来越广泛，主要用于飞机、汽车、模具、玩具、家电等相关领域，他是利用现有的资源，实现了制造数字化的技术，更加方便、快捷地开发新的产品，使得开发和生产的成本大大降低，设计生产周期大大缩短。其有如下几方面的主要应用：

3.1 没有零件设计图条件下通过逆向生成样件数据

有很多情况下，实物都没有设计图纸，尤其是通过改进现有实物，进行再设计的时候应用最多。在此种情况下，通过对实物的原型进行扫描，测量分析，最终得出测量数据，再利用相关的软件进行数据整理，并重新构建模型，得到新的产品，并加工出来。

3.2 利用实验的模型作为依据来反求其模具

有很多飞机和汽车等零配件要通过试验测试才能够进行定型，这些一般都是通过逆向工程，等到模型实验合格之后，再反求他的模具。

3.3 模具相关行业

因为在模具的制造过程中，需要多次进行试冲和修模，对于已经修整好的模具，可以通过逆向工程一比一复制出一套和他一模一样的模具，通过这项技术不仅可以节约时间，提高效率，还可以大大地降低模具的制造成本。

3.4 美学设计领域

通过逆向工程的技术，在改装汽车外形，计算机仿形，新产品的创新设计等方面应用十分广泛。

4 获得汽车外形三维的点云数据

我们在逆向工程中，对需要被测物体的表面轮廓进行特征扫描，并且获取重建被测物体的CAD模型的三维形态点云数据，这是模型重建的基础。我们通过特定的测量仪器以及测量方法对物体进行测量，把物体表面的几何形态转换成几何坐标点数据，用来作为建模的重要依据，我们只有获取到正确的测量数据，才能实现准确的CAD建模。我们根据测量探头或者传感器是否和被测实物接触，可以将常用的测量设备分为接触式和非接触式两大类，接触式的有三坐标测量机等，非接触式的有结构光测量仪、声波定位仪等。现在随着光电检测技术，计算机技术以及信息技术的飞速发展，测量技术有了很大的发展，我们这里运用Handyscan 700手持扫描仪对汽车的外形轮廓進行数据的采集。我们对汽车进行扫描的时候，需要对扫描仪进行标定。若汽车为黑色或存在车灯等透明材质，需要对汽车的表面进行喷涂显像剂并贴上标志点，为了减小测量的误差，我们先绕一个方向进行扫描，扫描至车身四分之一处时，再往相反方向进行扫描，或者直接使用远景测量系统，最终得到一组扫描的点云数据。

5 汽车三维模型的重建以及再设计

当我们完成了上述的对汽车的点云数据的获取之后，我们就要对汽车三维模型的重建和再设计，这里汽车三维模型的重建主要有两个步骤，主要应用的是Geomagic Design X软件。

首先我们要做的就是，根据我们所获得的点云数据导入到软件中，结合扫描汽车的实体，再通过对点云数据的优化、编辑和面片处理分析来获取汽车的原始设计意图，我们可以通过确定曲面的重构以及每个装配组件之间的位置配合的关系等进而建立汽车的外形曲面的造型，而且在我们进行汽车模型重构的时候需要考虑到制造工艺性，然后我们再结合其内部结构等实际情况进行二次再设计。我们在根据所获得的点云数据进行构造汽车的外观曲面的时候，需要将外观表面按照几何的特征结构进行划分，分为主曲面和辅曲面这两大类曲面，然后我们再通过运用一些简单的命令，例如拉伸等，进行构建每个主曲面，辅曲面我们可以通过像圆角面等命令进行构建。

在当今社会中，很多企业都将逆向工程技术和CAD/CAM相互结合，这种应用对于企业新产品的设计等用处很大。随着此项技术的应用的日趋广泛，这一点在我们对外进行技术服务的过程中深有体会，尤其是汽车改装、赛车制造等领域利用这项技术更加受欢迎。虽然工程设计技术人员对逆向工程技术的了解时间比较短暂，只有十几年甚至几年的时间，但是当今工程技术人员已经越来越关注逆向工程技术的应用前景，因为这对我们国家提升汽车制造行业的技术含量，对于市场竞争力的提高有推波助澜的重要作用。

参考文献：

[1]陈雪芳，孙春华.逆向工程与快速成型技术应用.北京.机械工业出版社，2017.

[2]王宵.逆向工程技术及其应用.北京.化学工程出版社，2004.

[3]许文全，何文学，陈国金.反求工程技术及其应用[J]，铸造，2005，（08）.