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汽车开发过程中的逆向工程技术

图1   ATOS便携式光栅三维扫描仪
以设计方法学为指导，以现代设计理论、技术为基础的逆向工程技术，作为产品创新设计的一种方法，有效地缩短了产品研发周期，在现代汽车开发过程中，发挥着越来越重要的作用。
随着计算机和CAD技术的迅速发展，以测量技术为基础、曲面重构技术为支撑的逆向工程在汽车工业的新产品开发中得到了广泛应用。逆向工程是指在没有设计图纸或设计图纸不全，以及没有CAD模型的情况下，按照现有的目标产品模型，利用各种数字化技术重构零件三维CAD 数学模型的过程。与传统的正向工程相比，它具有新产品开发的设计周期短，以及易于开展后续有限元分析、优化设计和运动学仿真工作等优点。
逆向工程技术
逆向工程简称RE(Reverse Engineering)，又称反求工程、反向工程及抄数（在我国珠三角地区的俗称），它以产品及设备的实物、软件(图样、程序及技术文件等)或影响(图片、照片等)等作为研究对象，反求出初始的设计意图，包括形状、材料、工艺和强度等诸多方面。实物逆向工程技术是对存在的实物模型或零件进行测量并根据测量数据重构出CAD数字模型，进而对产品进行分析、修改、检验及制造的技术方法。
随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备（如坐标测量机、激光测量设备等）获取的物体表面的空间数据，需要利用逆向工程技术建立产品的三维模型，进而利用CAM系统完成产品的制造。因此，逆向工程技术可以认为是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和几何建模技术的总称。

图2   FARO便携式三维激光扫描仪
逆向数据采集条件
1. 逆向工程设备
目前，国内使用较多的有英国、意大利、德国和日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。逆向数据采集设备按其结构原理分为“接触式”和“非接触式”。其中，接触式测量设备一般为三坐标测量机，设备的数据采集头需与被测产品表面直接接触，获取数据信息。非接触式测量设计一般称为三维扫描仪，其与传统的三坐标测量系统比较，测量速度提高了几十倍，而且能有效控制整合误差，整体测量精度也大大提高。
三维扫描仪的主要代表为：德国GOM公司独家研制的ATOS流动式光学扫描仪（见图1），是目前市场上最为先进的非接触式三坐标扫描设备。该设备采用可见光，将特定的光栅条纹投影到测量工件表面，借助两个高分辨率CCD数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光学拍照定位技术和光栅测量原理，可在极短的时间获得复杂工件表面的完整点云。其独特的流动式设计和不同视角点云的自动拼合技术，使扫描不需要借助于机床的驱动，扫描范围可达12m，而扫描大型工件则变得高效、轻松和容易。高质量的完美扫描点云不仅适于复杂轮廓的扫描，而且可用于汽车、摩托车内外饰件的造型工作。美国FARO公司生产的FARO便携式三维激光扫描仪（见图2），其原理为：扫描头向物体发送数以万亿计的可见光子，并只接收通过其使用的光学部件返回的光子中的一小部分；使用这项技术，3D 扫描仪可以非常迅速地建立 3D 模型对象；3D 扫描仪会生成描述各点到物体的距离信息的图片；此外，3D 扫描仪的光子会以光速来探测物体表面。
2. 逆向工程软件
逆向工程的实施需要逆向工程软件的支撑。逆向工程软件的主要作用是接收来自测量设备的产品数据，通过一系列的编辑操作，得到品质优良的曲线或曲面模型，并通过标准数据格式将这些曲线曲面数据输送到现有CAD/CAM系统中，在这些系统中完成最终的产品设计，其是逆向设计中数字化不可缺少的工具之一。目前，在汽车开发中比较常用的逆向工程软件有CATIA、Imageware、ICEM Surf及Geomagic Studio等。

图3  逆向汽车产品开发流程

现代汽车开发流程
现代数字化汽车开发流程是在市场调研基础上，根据市场潜在要求，进行概念设计，输出效果图评价后，再根据二维图样，在CAD软件平台上做出CAS面，并用CAS面进行模型铣削验证产品外观效果后，再进一步进行对设计产品数据的修正完善结构数模，并完成产品的虚拟装配、干涉检验和应力分析等测试，完成加工制造产品，常称为正向工程。该流程设计需设计师及工程人员对车身结构、制造工艺要求、空气动力学、人机工程学、工程材料学、机械制图学、声学和光学知识有较全面的熟识和了解。其主要缺点为设计周期较长、成本高且风险大，后期生产投入相对较高。
随着国内外汽车市场竞争的加剧，汽车产品的设计开发周期要求越来越短，产品需求出现小批量、多品种和个性化的特点。为了适应市场快速多变的情况，达到缩短开发周期的目的，新车型的开发很少采用全新设计，而是利用逆向工程技术借鉴现有的成熟产品进行改形设计。我们汽车设计界常把这种与传统汽车流程有较大出入的汽车产品开发流程，称为逆向汽车产品开发流程。该开发流程是在现有产品基础上进行改形设计输出效果图，同时对产品进行三维扫描，得出点云后进行数模重建，并将得到的数模主要结构延用到新产品中，该流程设计周期短、成本低、风险小且后期生产投入相对较低，是目前在美国、德国和日本等国家中应用广泛的汽车开发流程（见图3）。
逆向工程技术在汽车开发中的作用
1. 在汽车车身造型设计的应用中，举例来说，在图3的逆向汽车产品开发流程中，油泥模型师根据效果图制作的油泥模型冻结后，使用三维扫描仪对油泥模型进行测量，生成点云数据，工程师根据点云使用逆向工程软件来构建外表面。
2.在逆向汽车产品开发中，逆向工程技术应用在对标杆样车的数字化上。例如，在图3中主要体现在样车扫描与逆向结构建模中，其主要是为后期结构设计提供设计依据，该部分可以有效缩短产品开发周期、节省开发成本。

3. 逆向工程技术应用于夹具、检具的制造验收检验。由于车身曲面较为复杂，传统的验收方法时间长且难以检测控制，利用逆向工程技术直接对夹具、检具进行扫描测量与设计数据对比分析，能较快地进行验收检验。
4. 逆向工程技术在汽车模具中的应用。在对新开发的零部件进行模具制造时，由于模具制造过程中经常需要反复试冲和修改模具型面，若测量出最终符合要求的模具，并反求出其数字化模型，在重复制造该模具时就可运用这一备用数字模型生成加工程序，可大大提高生产效率，降低制造成本。
5. 数字化模型的检测。例如，检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。
应用案例
在汽车产品开发中, 车身内外表面的逆向工程是造型设计和工程CAD设计的衔接，是汽车产品概念设计中的关键过程。下面主要介绍逆向工程技术在众泰5008开发中的应用。
1. 根据效果图制作油泥模型。油泥模型的制作是汽车设计开发中比较重要的环节，它给后阶段的三维测量、模具制作提供了具体数据。合格的油泥模型是对二维效果图的完美诠释，油泥模型的制作水平越高，越能体现设计师的创意。图4为众泰5008效果图，图5是油泥模型师根据效果图制作的1：1油泥模型。
2. 原车型及油泥模型数据采集。由于众泰5008车型的开发是在众泰2008车型的基础上进行的设计。为了节省成本缩短开发周期，大部分车身零部件还需延用，所以在新车型开发之前需对油泥模型与新车型相关联的部分进行数据采集，确定新开发的零部件与延用部件相互配合的关系。图6为众泰2008车型，图7是根据现有众泰2008进行的采集点云。
3. 点云数据处理，它是逆向工程一项重要的技术环节，决定了后续CAD模型重建过程能否方便、准确地进行。原车型（即众泰2008）点云数据采集完成后，需要进行数据处理，主要是消除及控制制造上存在的偏差，如，左右对称性、前后扭曲和间隙不均匀等制造偏差；油泥模型点云数据处理是为了校对车身坐标，分析油泥模型的左右对称性，以利于后期A面建模的顺利进行。
4. 根据点云，进行原车型逆向结构数模。我们将处理好的点云数据导入到逆向工程软件进行逆向结构数模重建，主要为后期新产品开发提供设计依据，图8为逆向重建的众泰2008数据。
5. A曲面建模。随着美学和舒适性的要求日益提高，在整个汽车开发流程中，有一工程段称为 Class A Engineering，重点是确定曲面的品质可以符合A级曲面的要求。目前，国内大部分汽车厂家A级曲面的标准要求是，必须满足相邻曲面间间隙在 0.005mm 以下（有些汽车厂甚至要求到0.001mm），切率改变 ( tangency Change ) 在0.02°以下，曲率改变 (curvature change) 在0.05°以下。图9为工程师根据点云使用逆向工程软件完成的众泰5008车身外表面A级曲面数模。
6. 在新造型的基础上，根据原车型逆向结构数模进行结构特征设计，以保证新设计的零部件与原车型延用件的相互配合没有问题。
7. 总成装配设计、干涉分析及数模调整。车身结构设计是一个复杂而庞大的工作，每个零件都是车身的组成部分，因此我们在设计完成时，需要进行总成装配设计、干涉分析，把发现的问题进行调整。
综上所述，逆向工程技术在汽车开发过程中发挥着不可替代的作用，它使产品的开发过程更加快速、可靠，缩短了整个产品的开发周期，提高了企业的设计创新水平。