1 逆向工程在汽车覆盖件中的应用

由于逆向工程技术的迅速发展，逆向工程在车身造型现在及未来的设计方法中占有举足轻重的地位。将逆向工程运用于车身设计中不仅可以弥补传统设计上存在的技术缺陷，而且缩短了产品设计周期，节省了生产成本，同时逆向工程与快速成型技术的结合将使汽车制造业产生前所未有的本质变化。

目前，逆向工程技术在车身覆盖件、装饰部件的设计中的应用方法主要是对以手工或数控方法进行制作或局部修改后的车身模型或实物样件，用三坐标测量仪采集其数据点，然后输入计算机，再用逆向造型软件进行曲面构造，最后反复光顺后，建立CAD模型。只有建立了基于逆向工程的CAD模型，才能利用先进的CAD/CAM技术，进行新产品设计、工艺设计、模具设计、模具制造和质量检验等后续生产过程，也为后续的有限元分析、优化设计以及动力学分析提供了基础。

结合逆向工程技术、三维扫描和随后的计算机辅助设计过程即曲面重构过程，被认为是汽车覆盖件设计中的关键技术。本文作者通过对汽车覆盖件特有的造型理论和方法进行分析，以汽车引擎盖为例，得到了汽车引擎盖的三维数学模型，并对汽车覆盖件的测量和建模方法进行了分析。

2 汽车覆盖件的三维数据测量

2.1 数据采集实施条件

在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。目前，国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种。接触式采用测头与被测物体直接接触来获取数据信息，该方法稳定，但测量速度慢，容易划伤物体表面。非接触式是应用光学及激光的原理进行测量的，该方法采集速度快，精度高，获得的密集点云信息量大，可以最大限度的反映被测表面的真实形状。

车身覆盖件多是由尺寸大、形状复杂的三维曲面构成，不能用简单的数学解析式来表示。它不仅要求高质量外观来满足汽车造型的要求，而且要求配合精度高和形状、尺寸的一致性。针对其特点，采用非接触式的光学扫描仪进行三维数据测量。测量设备为德国GOM公司的ATOS光学扫描仪(ATOSl600EU)。该扫描仪的主要优点是可随意绕被测物体进行移动，利用光带经数据影像处理器得到实物表面数据，扫描范围可达8m×8m，测量精度为0.1mm/0.5m，扫描方式为光栅原理及GPS定位原理。

2.2 覆盖件的扫描过程

首先，要对引擎盖进行表面处理，将其表面擦拭干净，以免引起扫描误差。为了将多次不同方位扫描数据拼合在一起，应在物体表面粘贴参考点，作为拼合计算的基准；为了防止反光和增加物体表面的成像性，须在其外表面均匀地喷洒乳白色显像剂。其次，对ATOS光学扫描系统进行校准。最后，根据引擎盖的形状，进行多个角度不同方位的扫描。在ATOS软件中，通过公共参考点把每幅扫描照片自动进行拼合，最终完成整个覆盖件外形的扫描，贴点后的实物照片见图1。

图1 贴制参考点后的引擎盖实物

3 点云数据的处理及模型重建

扫描完成后，通过ATOS自带软件对点云进行预处理；在对引擎盖的点云数据处理及模型重建过程中采用了Imageware软件和UG软件。

3.1 ATOS点云数据预处理

数据处理是逆向工程中的关键环节，它的结果将直接影响到后期模型重构的质量。点云数据的初步处理，包括噪声去除、过滤、光顺、网格化等。

3.1.1 删除散乱点云噪声数据

扫描获取的点云中包含许多噪声，如实验台底面等，这些噪声在进行各种点线面处理之前应将其删除。将点群放大、变换各种角度以方便地看到整个三维空间内的噪声，然后针对各个噪声点，采用软件中的“删除”功能将其删掉。

3.1.2 点云的精简

图2 预处理后的引擎盖点云图

在逆向工程技术中采集点的数量一般都很大，单幅照片可扫描点数最大可达400 000个。如此庞大的数据需要在曲面重构之前进行精简处理，以提高运算速度。图2为经过删除散乱点云噪声数据、精简处理后得到的引擎盖外形点云文件。

3.2 用Imageware软件对点云数据进行处理

3.2.1 点云文件的读入

首先，将从ATOS中得到的汽车引擎盖点云文件读入到Imageware中，调入后的原始点云可保存为。

3.2.2 对齐点云数据

点云数据的对齐是进行数据处理的重要环节。初始的点云数据与通用的三维坐标系有一定的夹角，为方便构建引擎盖的三维几何模型，需要对点云数据进行方位对齐。首先，需要创建参考基准平面，在此，使用Creat/SurfacePrimitive/Plane功能创建出3个相互垂直的平面，平面的中心点指定为(0，0，0)。其次，需要创建相应的对齐平面，根据引擎盖的外形特点，利用Construct/Surface From Cloud/Fit Plane功能拟合平面。在拟合平面的过程中，要随时检测点云和平面之间的偏差，确保偏差在±0.2mm以内，以保证与原型的一致性。最后，选取Modify/Align/Stepwise功能将点云数据与参考基准平面对齐。

3.2.3 截面线及其边界线的提取

汽车引擎盖尺寸巨大，大约为1380mm×1050mm，并且中间大面左右两侧各有一条细棱，前端面向下弯曲，后端面有许多孔洞。根据其形状分析，确定截取点云和提取特征线、边界线的方案。

(1)通过Construct/Cross Section/Cloud Interactive命令横向和纵向提取若干条截面点云；

(2)采用功能Construct/Feature line/Sharp Edges将引擎盖点云的四条边界线提取出来，然后把边界点云拟合成曲线，以便构造自由曲面；

(3)为了控制点云拟合曲线的精度，选取指定公差的拟合曲线方式，通过Construct/Curve from cloud/Tolerance Curve命令来实现。

引擎盖横向提取的点云和拟合后的曲线如图3、4所示(纵向提取的点云和拟合后的曲线略)，图5为引擎盖的边界线。

图3 横向截取点云    图4 拟合曲线

图5 轮廓线和边界线的创建

3.2.4 曲面拟合

Imageware有多种曲面构建方法，本文作者采用由曲线拟合曲面。将曲线的方向、起始点位置修改一致后，即可用Construct/Surface/Loft进行曲面拟合。该功能主要是利用一组独立的3D曲线创建一个NURBS曲面。首先选中需要拟合的所有曲线，然后选择起始点的连续性，选择切线的方向，选择结束点的连续性，最后进行曲面拟合。曲面拟合后，仍需进行曲面一点云诊断，检查曲面的拟合质量。如果拟合的曲面超过指定的误差公差范围，则需要重复上述步骤，直到满足精度要求为止。

3.3 用UG软件构建覆盖件模型

在逆向工程中，曲面模型重建是最重要、最繁杂的一环，点群数据的处理、曲面的构建方式及修边与分析功能的健全，是逆向工程曲面模型重建过程中相当重要的一部分。由于在Imageware中构建的特征曲线和曲面导入到UG后都是非参数化的，因此须将其作为参考，在UG中重新构建曲线和曲面，最终构建出汽车引擎盖的模型。

由于汽车引擎盖尺寸巨大，并且中间大面左右两侧各有一条细棱，前端面向下弯曲，后端面有许多孔洞。根据其形状分析，需要将其分为前端面、中间大面、后端面三部分分别来重构。

(1)文件的读入

在UG中直接读取文件，把在Imageware中构建好的特征曲线、曲面导入到UG中，另存为。

(2)层设置

为了便于组织部件文件的数据，可先设置若干层，不同层安放不同类型的对象。

(3)特征曲线的重构

参照导入的曲线，选择“样条/通过点生成样条”命令构建参数化的曲线，保持新构建的曲线与参考曲线的一致性。

(4)光顺曲线

重构后的曲线还需要进一步的光顺操作。

(5)汽车引擎盖的模型重构

选用“通过曲线”、“通过曲线网格”、“扫描”等操作，根据参数化曲线依次构建出前端面、中间大面、后端面，再通过“桥接”、“修剪和延伸”、“缝合”等操作使其成为一个整体，如图6所示。

图6 三维汽车引擎盖的模型

4 覆盖件的三维几何模型误差分析

引擎盖三维几何模型的误差主要包括由产品样件采集点云数据产生的误差、由测量设备精度产生的误差、由点云数据重构三维数字模型过程中产生的误差。图7为引擎盖三维模型和实测点云的检测图。由于细小复杂的特征处在测量时无法完全扫描到，明显的误差往往发生在边缘、凹槽等细小复杂的特征处，这给后来的重构带来较大的误差。

图7 汽车引擎盖三维模型与原始点云的误差分析

5 结论

车身覆盖件逆向造型和数字化检测技术是一项具有广泛应用前景的高新技术，但是这门技术还存在着造型时间长、检测精度不高的问题，随着逆向工程技术及计算机技术的发展，这些问题都将得到有效的解决。

本文作者以车身覆盖件为研究对象，结合逆向工程技术，研究了车身覆盖件测量和三维重构的方法。针对车身覆盖件曲面造型和数字化检测这两个热点，通过激光扫描获取点云，以汽车引擎盖为例，分别介绍了对于覆盖件的测量、点云的获取、点云预处理及曲面重构。通过逆向工程软件Imageware和三维CAD/CAM软件UG，运用曲面重构理论，获取了高质量的车身覆盖件曲面及三维模型，并对三维模型的精度进行了检测。