汽车车身逆向工程设计关键技术及应用

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摘 要：逆向设计并不是简单地复制，而是要在逆向过程中增加一些特征要素，设计出工艺性更好，质量更高的产品的过程。该文主要探讨汽车车身逆向设计的关键技术和技术特点。

关键词：逆向； 转化； 坐标； 测量

中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2016）03-183-002

逆向设计的核心思想是将实物模型转化为计算机能够表达的三维数模的一种过程。简单地说就是从实物到图样的过程。逆向工程设计的核心思想是以实物模型为参考，增加我们自己的创新知识，设计出符合要求，又要高于原来实物的设计过程。这就相当于我们过去常讲的类比设计。本文就是基于这样的目的，探讨逆向工程设计的关键技术。

一、车身模型的测量

车身的测量根据测头与车身模型是否接触分为接触式测量与非接触式测量。接触式测量主要采用三坐标测量机，非接触式测量又包括激光测量和结构光测量。接触式测量优点是精度高，缺点是效率比较低。测头的大小与接触力的大小对测量的精度都有影响。非接触式测量优点是效率高，缺点是精度低一些。

1.车身模型坐标系的确定

为了方便测量及测量后的数据处理，首先要确定车身坐标系。对于轿车车身，一般以汽车前轴的中心为坐标原点，向后为X轴，向右为Y轴，向上为Z轴。具体的做法是将车身支撑固定在单臂或双臂的划线机（三坐标测量机）。根据测量的结果，调整车身的前、后、左、右等位置，最后确定车身没有发生大的扭曲变形，直到正确为止。

2.贴车身Mark点

对于汽车车身，现在通常的做法是采用非接触测量方法，比较常用的是采用结构光的照相法。照相法的测量核心就是点云片的拼接技术。首先在车身的表面喷洒乳白色显像剂，然后在上面贴Mark标记点。Mark标记点实际上是后序测量的点云片的拼接所用的定位点。

标志点不要贴成直线，贴标记点的原则是三维扫描的每幅幅面的范围内应该拥有四个标记点，四个标记点尽量能够分散，尽量不要在孤立位置和曲率变化较大处。分散的目的就是将来依据标记点拼接的时候，可以将拼接误差尽量地减小。标记点贴的质量直接影响测量的精度。随着计算机技术和图像处理技术的提高，单幅点云的精度一般都比较高，但是不同的扫描系统之所以出现比较大的质量差别，就是因为点云片的拼接技术存在差别。

3.测量车身Mark点

标记点是用于点云片的定位的。因此，标记点测量的准确与否对整个车身的测量精度至关重要。测量的方法一般是采用高精度的相机，在车身上一般还要放置一些测量基准杆件，作为图像处理时的标定。对车身上的所有标记点从不同角度进行大量的拍摄。然后进行图像处理，获得标记点的三维数据。

4.车身曲面片测量

采用三维扫描仪测量，当标记点测量之后，一般在进行这部分测量的时候，测量的顺序就没有过高的要求，因为测量的每一片点云是靠上面的标记点进行拼接的。也就是点云片之间没有误差累积的问题。测量的时候，要注意的是测量的每一片点云至少要包含三到四个标记点，包含的越多，拼接的精度越高。因为拼接时是点云片上标记点要与已经测量的标记点框架匹配。因为两次测量，就是对与同一个标记点也会存在测量误差。所以在拼接的时候，点云片上的标记点都要参与标记点框架的匹配，这样测量误差就会减小。

二、车身点云的数据处理

1.数据预处理

在车身测量的过程中，由于光线的明暗、辅助工具的介入、测量仪器的偶然因素、操作者的操作水平等因素，如果采用接触式测量，测量时的震动等都会对测量出来的数据点产生一定的影响，测到的点是错误的，我们可以认为是测量噪声或坏点。不论采用什么方法测量都会产生坏点，一般是不可能全部避免的，关键是要掌握如何剔除的方法。

（1）首先要反复观察被测量的物体与已经测量的点云数据，坏点非常容易判断，比如测量车身，有些数据点跑到车身的外面或内部，这就是坏点，必须手工删除或采用软件删除。

（2）软件剔除，比如剔除远离的分散点等，但是有时效果不太好。

（3）有时直接观察离散点，因为没有消隐，分辨起来有一定的困难，这时可以将点云进行铺面（做成三角面）渲染，使点云看起来比较像实体，就非常方便消除坏点了。

2.点云的渲染

对点云铺面渲染，点云看起来比较像实体。这样操作的目的是便于后续在做曲面的时候，容易分析曲面的大小，方便曲面规划设计等。

三、车身曲面逆向工程设计

1.设计的基本流程

（1）车身坐标系的确定。根据车身在测量前的固定位置和汽车车身坐标系的规范等，要采用坐标转换的方法，确定汽车车身坐标系。以汽车的前轴中心为坐标原点、向后为X轴、向右为Y轴、向上为Z轴。

（2）分析被测量车身的部位与功用，这点非常关键。比如如果车身是外覆盖件，那么，一般要求车身的表面是A级面，曲面要求光顺。对于车身的内板件，一般不要求A级面，但是要求在满足功能的前提下，要满足冲压、焊接等工艺性的要求。这时做出的面可能与点云有比较大的误差。

（3）分析是否变形。这个车身是否变形，变形量大概有多少要了解。因为车身零件是薄壁件，变形是非常正常的情况，那么在设计的时候必须分析出来。如果按点云来做，可能会将原来件上的毛病也制造出来了，这种情况一般会出现在制造和设计经验不足的设计人员身上。

（4）要从全局来分析曲面的大小。在车身上有时经常出现，不同部位的车身，理论上应该是一个大面，而不是几个小面。如果几个小面单独做，这样制造出来后，在曲面分析的时候会发现车身曲面的光顺性和美观程度有毛病，因为理论上应该是一个大面的情况下，先做的几个小面不可能共面。因此会出现问题。总之，曲面尽量要做大面，要揣摩正向设计的设计思路，从根上来从事设计，更能抓住本质，抓住设计的灵魂。

四、车身逆向实例

在构造曲面的过程中，根据车身的各部分的功能分析，如果是部分曲面可以是简单曲面，比如平面、圆柱面、圆锥面和球面等。那么我们就可以采用快速构造曲面的方法快速构面，并且根据需要尽量扩大曲面，便于曲面的裁剪。

构造曲面不一定非要提取特征线。对于车身的自由曲面，虽然有些文献介绍各种提取特征线的方法，但是在实际使用的过程中，应该还有很大的局限性，有的获得曲线使用起来对我们的设计反而造成困难。比如有的文献可以提取两个曲面的交线，但是实际上，在正向设计的过程中，一般的情况下，曲面的交线是两个曲面互相裁剪而得到。如果我们采用提取的边界进行构造曲面，这时可能造成构造的曲面的参数线是扭曲的。