1 逆向工程技术概述

1 逆向工程技术概述

逆向工程也称反求工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法，重构实物的CAD 模型，从而实现产品设计与制造的过程。逆向工程技术普遍用于汽车工业，特别是汽车车身的设计与开发。与传统的设计制造方法不同，其主要是在没有设计图纸或图纸不完整而有样品的情况下，利用三维扫描测量仪，准确快速地测量样品或轮廓外形的表面数据，加以点数据处理、曲面创建、三维实体模型重构，再通过数控加工或快速成型来制造试制样品，然后通过CAM 数控系统编程加工产品。

通俗说，从某种意义上说，逆向工程就是仿造。这里的前提是默认我们传统的设计制造为“正向工程。软件的逆向工程是分析程序，力图在比源代码更高抽象层次上建立程序的表示过程，逆向工程是设计的恢复过程。逆向工程工具可以从已存在的程序中抽取数据结构、体系结构和程序设计信息。

2 软件介绍

imgaware 由德国Siemens 集团旗下的UGS 公司出品，是最著名的逆向工程软件，正被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。该软件拥有广大的用户群，国外有 BMW 、Boeing 、GM 、Chrysler 、Ford 、raytheon 、Toyota 等著名国际大公司，国内则有上海大众、上海交大、上海 DELPHI 、成都飞机制造公司等大企业。以前该软件主要被应用于航空航天和汽车工业，因为这两个领域对空气动力学性能要求很高，在产品开发的开始阶段就要认真考虑空气动力性。常规的设计流程首先根据工业造型需要设计出结构，制作出油泥模型之后将其送到风洞实验室去测量空气动力学性能，然后再根据实验结果对模型进行反复修改直到获得满意结果为止，如此所得到的最终油泥模型才是符合需要的模型。如何将油泥模型的外形精确地输入计算机成为电子模型，这就需要采用逆向工程软件。首先利用三坐标测量仪器测出模型表面点阵数据，然后利用逆向工程软件(例如：Imageware surfacer)进行处理即可获得 class 1 曲面。随着科学技术的进步和消费水平的不断提高，其它许多行业也开始纷纷采用逆向工程软件进行产品设计。以微软公司生产的鼠标器为例，就其功能而言，只需要有三个按键就可以满足使用需要，但是，怎样才能让鼠标器的手感最好，而且经过长时间使用也不易产生疲劳感却是生产厂商需要认真考虑的问题。因此微软公司首先根据人体工程学制作了几个模型并交给使用者评估，然后根据评估意见对模型直接进行修改，直至修改到大家都满意为止，最后再将模型数据利用逆向工程软件 Imageware 生成 CAD 数据。当产品推向市场后，由于外观新颖、曲线流畅，再加上手感也很好，符合人体工程学原理，因而迅速获得用户的广泛认可，产品的市场占有率大幅度上升。 Imageware 逆向工程软件的主要产品有：Surfacer ——逆向工程工具和 class 1 曲面生成工具 V erdict ——对测量数据和CAD 数据进行对比评估Build it ——提供实时测量能力，验证产品的制造性RPM ——生成快速成型数据View ——功能与 V erdict 相似，主要用于提供三维报告Imageware 采用 NURB 技术，软件功能强大，易于应用。Imageware 对硬件要求不高，可运行于各种平台：UNIX 工作站、PC 机均可，操作系统可以是 UNIX 、NT 、Windows95 及其它平台。Imageware 由于在逆向工程方面具有技术先进性，产品一经推出就占领了很大市场分额，软件收益正以 47% 的年速率快速增长。Surfacer 是 Imageware 的主要产品，主要用来做逆向工程，它处理数据的流程遵循点——曲线——曲面

原则，流程简单清晰，软件易于使用。其流程如下：

2.1 点过程

读入点阵数据。Surfacer 可以接收几乎所有的三坐标测量数据，此外还可以接收其它格式，例如：STL 、VDA 等。将分离的点阵对齐在一起(如果需要) 。有时候由于零件形状复杂，一次扫描无法获得全部的数据，或是零件较大无法一次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单独的点阵。Surfacer 可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点信息将点阵准确对齐。对点阵进行判断，去除噪音点(即测量误差点) 。由于受到测量工具及测量方式的限制，有时会出现一些噪音点，Surfacer 有很多工具来对点阵进行判断并去掉噪音点，以保证结果的准确性。通过可视化点阵观察和判断，规划如何创建曲面。一个零件，是由很多单独的曲面构成，对于每一个曲面，可根据特性判断用用什么方式来构成。例如，如果曲面可以直接由点的网格生成，就可以考虑直接采用这一片点阵；如果曲面需要采用多段曲线蒙皮，就可以考虑截取点的分段。提前作出规划可以避免以后走弯路。根据需要创建点的网格或点的分段。Surfacer 能提供很多种生成点的网格和点的分段工具，这些工具使用起来灵活方便，还可以一次生成多个点的分段。

2.2 曲线创建过程

判断和决定生成哪种类型的曲线。曲线可以是精确通过点阵的、也可以是很光顺的(捕捉点阵代表的曲线主要形状) ，或介于两者之间。创建曲线。根据需要创建曲线，可以改变

控制点的数目来调整曲线。控制点增多则形状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺。 诊断和修改曲线。可以通过曲线的曲率来判断曲线的光顺性，可以检查曲线与点阵的吻合性，还可以改变曲线与其它曲线的连续性(连接、相切、曲率连续) 。Surfacer 提供很多工具来调整和修改曲线。

2.3 曲面创建过程

决定生成那种曲面。同曲线一样，可以考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面(例如 class 1 曲面) ，或两者兼顾，可根据产品设计需要来决定。创建曲面。创建曲面的方法很多，可以用点阵直接生成曲面(Fit free form)，可以用曲线通过蒙皮、扫掠、四个边界线等方法生成曲面，也可以结合点阵和曲线的信息来创建曲面。还可以通过其它例如园角、过桥面等生成曲面。诊断和修改曲面。比较曲面与点阵的吻合程度，检查曲面的光顺性及与其它曲面的连续性，同时可以进行修改，例如可以让曲面与点阵对齐，可以调整曲面的控制点让曲面更光顺，或对曲面进行重构等处理。英国Triumph Motorcycles 有限公司的设计工程师 Chris Chatburn 说：“利用 Surfacer 我们可以在更短的时间内完成更多的设计循环次数，这样可以让我们减少 50% 的设计时间。” 最新发布的 Surfacer 10.6 软件将以下工作流程的高性能工具完整的集成到一起：[弹性的曲面创建工具]：可以在一个弹性的设计环境里非常方便的直接从曲线、曲面、或测量数据创建曲面，支持贝茨尔(Bezier)和非均匀有理 B 样条(NURBS)曲面两种方法。用户可以选择适合的曲面方法，通过结合两种方法的优点来获益。[动态的曲面修改工具]：允许用户在交互的方式下试探设计主题，立刻就可以看到是否美观和思路是否符合工程观念。设计、工程分析、制造的标准都通过精心的构造过程考虑进去，所以当每次修改曲面时不需要再重新校核标准。[实时的曲面诊断工具]：可以提供诸如任意截面的连续性、曲面反射线情况、高亮度线、光谱图、曲率云图和园柱型光源照射下的反光图等多种方法，在设计的任何时候都可以查出曲面缺陷。[有效的曲面连续性管理工具]：在复杂的曲面缝补等情况下，即使曲面进行了移动修改等操作，也能保证曲面同与之相连的曲面间的曲率连续，避免了乏味的手工再调整过程。[强大的处理扫描数据能力]：根据 Rainbow 图法(相当于假设雨水从上面落下，由于形状差异导致雨水流速差异) 、曲率大小变化云图法(对于一个完全光顺的 class 1 曲面，相当于曲率大小变化为零，对于两个不同曲面，此值会不同) 将扫描数据分开，这样可以很快地捕捉产品的主要特征，并迅速建立各个相应曲面，避

免了费事的分析和处理。正是由于 Imageware 在计算机辅助曲面检查、曲面造型及快速样件等方面具有其它软件无可匹敌的强大功能，使它当之无愧的成为逆向工程领域的领导者。

3 某白车身开发中的逆向工程技术

3．1 标杆样车整车参数的测量

根据某公司的开发模式，首先确定了标杆样车，之后建立整车坐标系并对其进行整车参数测量，初步确定悬架等关键部件的安装硬点，见表1所列。

3．2 点云的扫描与数据处理

在车身钣金件数据测量中，主体采用光栅投影式测量方法，其后采用接触式三坐标测量对车身上的曲面特征线及关键孔位进行测量，最终获得完整白车身钣金件的点云数据。把扫描得到的点云块通过对齐拼合、去除杂点、稀化、零部件提取及三角化等一系列处理，得到构建数模的点云文件。处理好的点云为下一步的数学建模提供了保障，如图1所示。

3．3 数学模型的构建

3．3．1 确定数模构建基准

一般来说，汽车车身的结构都是左右对称的，所以X-Z 平面可以作为一个基准面。首先在点云数据中找到一个与车身坐标系中的X-y 平面平行且面积最大的区域，在此区域做2个点的连线，此2个点间距尽量大，在此连线上取一点，将此点沿着X 轴方向拉伸得直线，再将此直线沿y 轴拉伸，即得到一个平面。所得平面要与点云贴合良好，将此平面确定为基准面。再根据此零部件上的关键孔中心点确定一个与Y -Z 平面平行的基准面，这样就确定了数模构建基准。

3．3．2 数模构建

有了以上的基准，在进行逆向建模时，需要时刻注意冲压工艺性的要求。首先根据点云数据判断哪些面与基准面是平行关系，通过平面偏置得到这些平面；而其他平面可以通过偏置、移动、旋转等方式得到，同时要判断哪些特征是关于X-Z 平面对称的。然后通过面与

面的裁剪缝合等方法得到工艺数模，再经过倒圆角、增加料厚，最终得到产品数模，如图2所示。