徐国超

[摘 要]本文介绍了逆向工程的概念、非专业软件UG、Pro/ENGINEER、CATIA在逆向工程中的应用，以及利用软件进行零件的反求在外形复杂的汽车覆盖件上的具体操作，并通过对汽车覆盖件的点的输入、构造曲线、构造曲面、生成实体，进行逆向造型的设计。

[关键词]逆向工程 汽车覆盖件 造型设计

中图分类号：TP391.72；S219.02 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）07-0353-01

一、前言

传统的产品设计一般都是“从无到有”的过程，设计人员首先构思产品的外形、性能以及大致的技术参数等，再利用CAD建立产品的三维数字化模型，最终将模型转入制造流程的过程，就是根据已有的产品模型，反向推出产品的设计数据，包括设计图纸和数字模型，通过反求工程复现实物的CAD模型，使得那些以实物为制造基础的产品有可能在设计与制造的过程中，充分利用CAD、CAM等先进技术。

二、软件

逆向工程的专业软件有Surfacer、ICEM、CopyCAD、Trace和RapidForm等，这些软件非常适合处理大量扫描的点云数据。利用一些非专业的逆向设计软件，如：UG、Pro/ENGINEER、CATIA等，进行汽车覆盖件的逆向造型设计。

三、UG软件的逆向设计

1.数据点的输入

用UG软件做逆向工程，使用的测量设备大多都是接触式手动三坐标划线机，主要针对剖面、轮廓和特征线进行测量，测量的数据点不是很多，UG处理起来也比较容易。例如，车模型用激光扫描测到的数据点多达30万个，这么多的数据点输入UG是很困难的，因此我们在Surfacer软件里对点云数据进行了除噪、稀疏等预处理。

2.通过点构造曲线

在连线过程中，一般是先连特征线点，后连剖面点。连分型线点尽量做到误差最小并且光顺，在连线前应有合理的规划，根据此车的形状和特征确定如何分面，以便确定哪些点应该连接，并对以后的构面方法做到心中有数，连线的误差一般控制在0.4毫米以下。连线要做到有的放矢，根据样品的形状、特征大致确定构面方法，从而确定需要连哪些线条，不必连哪些线条。

3.构造曲面

因为车身要求有流畅的外形、光顺的外表面，因此在构造曲面的时候，要分成若干曲面进行，尤其要保证面和面之间能够相切连续或曲率连续，这样才能形成一个没有接痕的曲面。另外，构造曲面时，还要根据具体情况选择合适的构造方法。

构建曲面时还要注意，当一张曲面不光顺时，可求此曲面的一些Section，再调整这些Section使其光顺，再利用这些Section重新构面，效果会好些。在构建曲面的过程中，有时也还要再加连一些线条，用于构面，连线和构面要经常交替进行。曲面建成后，要检查曲面的误差，一般测量点到面的误差。构面最主要的是抓住样件的特征，该有圆角的地方就要圆角，该尖角的地方就要轮廓清晰。

4.构造实体

构建完外表面后，需要构建实体数字模型。如果模型较简单且曲率变化不大时，把它们缝合成一个整体，再使用增厚指令就可建立实体。如果把外表面缝合成一个整体，再把车底补面成为一个封闭的片体，从而成为一个实体，但由于车底部曲面的曲率变化比较大，往往实现不了抽壳命令。因此，首先需要先偏置外表面的各个片体，再构建出内、外表面的横截面，最后把做出的横截面和内、外表面缝合起来，使之成为封闭的片体，从而自动转化为实体。

四、Pro/ENGINEER软件的逆向设计

1.零件结构分析

测量前，应该对零件形状结构进行必要的分析，针对零件的形状结构特点，有目的性地對零件进行测量。这样可以用较少的测量点（特征点）即可反映出零件的形状，汽车覆盖件的外形为一个扫描曲面和一个自由曲面，扫描曲面需要确定扫描曲线和截面曲线，这里扫描曲线为一直线。因此，只需测量零件的截面形状，对于自由曲面，则可用放样曲面或混成曲面等方式来生成。该零件内形有多处起伏和冲孔，其形状较为规则，只需测量各处的形状尺寸和定位尺寸即可，但需注意各组成部分间具有较高的位置度要求。

2.数据采集

数据采集是指通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据，数据采集是逆向工程的关键技术之一。目前，数据采集使用的方法很多，常用的有接触式测量法、非接触测量法和工业计算机断层扫描成像法等。汽车覆盖件外形表面由两个曲面经过曲面延伸、曲面过渡、曲面裁剪等混合而成，为了减少测量数据，便于建立零件模型，将两个曲面进行分块测量，每个曲面使用不同的方法完成曲面重构。

3.数据处理

通过测量设备所得到的点数据一般较多。因此，在对这么多的点数据进行曲面重构前，应对数据进行必要的预处理。数据预处理一般包括数据平滑、数据清理、补齐遗失点、数据分割、数据对齐、零件对称基准面的构建等。

4.模型重建

模型重建是指由测量点还原成实体，目前较为成熟的模型重建技术是通过构建曲面来实现模型重建。因此，构建曲面是模型重建的关键。曲面重构有基于点-样条的曲面重构和基于测量点的曲面重构，这里采用基于点-样条的曲面重构。基于点-样条的曲面重构即为由测量所得的点拟合出曲线，再由这些曲线生成曲面，应用Pro/ENGINEER软件所得的零件实体模型。

五、CATIA软件的逆向设计

1.表面数字化

正确装夹以后，可用光学扫描仪对零件进行测量。测量内容可包括工件的分型（边界）线、轮廓线、面、结构等几何特征，以及用于重定位的定位基准。由此得到零件表面数字化的ASCII文件。

2.点云预数据处理

在CATIAV的DSE模块中，通过Insert/Importcloud导入零件的ASCII文件。导入过程中可以用鼠标移动6个绿色的控制点，改变导入点云边界，过滤一些无用的点。

选择Insert/Cloud Edition/Cloud Filter，利用Adaptative选项能将曲面变化小的地方过滤较多的点，而变化大的地方过滤较少的点，使特征变得更明显。

通过Insert/Cloud Edition/Remove Point，进一删除扫描过程中边界部分的误点和缺陷点。

对点云进行铺面处理，它是点云的三角片图像，主要是为了提高点云的可视性，以便于提高曲面造型的效率。选择Insert/Mesh/MeshCreation进行铺面。

3.特征线提取

从零件具体结构特征出发，先用斑马线仔细分点云的铺面，进行曲面重构之前的合规划。划分曲面块的主要依据是零件的棱线以及面的曲率变化。零件一般由多块曲面构成，每块曲根据特性可以判断用什么方式构建。对每一条曲线都要仔细检查其连接的连续性以及它与点云的误差。这是构建高品曲面的必要保证。

4.曲面重构

根据特征线，利用GSD提供的扫掠（sweep）、混合（blend）等曲面造型功能生成特征面，再通过求交（join）、裁减（trim）、倒圆（fillet）等操作将各曲面片光滑拼接或缝合成整体的复合曲面，最后通过Insert/Wireframe/Projection将边界线投影到复合曲面上并用剪刀（split）功能完成零件曲面的边界。

六、小结

总之，在汽车覆盖件模具设计制造中，应用逆向技术，可大大缩短模具设计制造的周期，用UG软件做逆向设计是比较耗时的，而且在点云的处理和构建片体方面，都不如专业逆向软件（如Surfacer、Rapidform等）方便。几个软件进行比较，还是UG逆向方面比较好，但CATIA的整体功能和精度公认是最好的。

参考文献

[1] 陈罡，吴菁，马子余.反求工程在汽车覆盖件模具设计中的应用研究[J].机械研究与应用，2004，（3）.

[2] 刘浩，程培元，杜华平.逆向工程设计[J].汽车科技，2002，（6）.

[3] 陆佳平，薛克敏，汪昌盛.逆向工程在汽车覆盖件设计中的应用[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2006.