逆向工程技术及其在福田车身开发中的应用

2004·1FOTONTechnology逆向工程技术及其在福田车身开发中的应用·张志亮34逆向工程技术及其在福田车身开发中的应用北汽福田技术研究院张志亮【摘要】进入21世纪知识经济已成为主导经济，制造业面临新的环境。为了适应新的变化，各国政府、产业界和科技界提出了各种先进的制造技术，其中逆向工程技术作为先进制造技术之一，得到各国普遍重视。我国汽车开发，尤其是车身开发技术目前远远落后于发达国家水平，如何利用先进的制造技术提升我国汽车车身开发技术水平，这正是本课题研究的出发点：即探索利用逆向工程技术来提升我国汽车车身开发水平。本文首先将阐述逆向工程的基本概念，其次介绍车身逆向工程的基本原理、车身逆向工程中测量技术与原理,以及车身三维数学曲面模型建立的理论基础、车身外形曲面光顺方法，和车身逆向工程中点数据处理技术、曲线曲面重建技术，最后结合福田重卡车身逆向开发项目，重点阐述车身逆向工程技术的应用与流程。关键词：车身汽车开发逆向工程1概述1.1逆向工程技术的简要描述传统以来，工业产品的开发均是遵循序列严谨的开发流程，从产品的功能与规格的指标确定开始，构思产品的零组件需求，再由各元件的设计、制造、检验、零件分装、整机总装、性能测试等程序来完成。这种开发模式，被称为正向工程FE(ForwardEngineering)。近十几年来，随着测量技术、计算机软、硬件技术的发展，有别于传统正向工程的一门新技术正在蓬勃兴起，这种技术在东南亚工业界已广泛应用，它就是逆向工程RE(ReverseEngineering)。所谓逆向工程就是指在没有设计图纸或设计图纸不全、不完整以及没有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新构造零件三维CAD数学模型的过程，包括目标产品原型数字化和三维CAD模型重建两个主要阶段。1.2逆向工程在车身开发中应用的可能众所周知，车身的开发它需要大量资金的积累、技术的积累、人才的积累。我国汽车业尚没有形成很强的研发能力，很多专家认为：过去多年我们走的开发思路，一是完全自主开发，一切从零开始，这种开发思路实践证明不成功，因为我们没有那么大规模支持，更没有那么多的技术、管理积累；二是图省事，简单“拿来主义”，这样技术永远在别人的手里，不可能形成开发能力。逆向工程技术就是迅速解决提升我们汽车车身研发水平重要手段之一。我们提升汽车自主开发能力，赶上世界水平唯一的办法，必须采取站在巨人的肩膀上，要消化、吸收、创新。韩国、日本都曾经走这条路，他们不是简单的把别人的车拿来装配，而是真正地消化、吸收，通过消化、吸收学习，缩短和世界水平的差距，逐步培养起自己的自主开发能力，因此成为今天的世界汽车五大强国之一。逆向工程技术正是消化、吸收先进技术重要方法之一，尤其在车身开发方面，逆向工程技术是送我们走上巨人肩膀的强大武器。我们福田公司车身开发人员正是利用这先进技术开展了欧曼重卡车身的研发，并取得了成功。2004·1FOTONTechnology逆向工程技术及其在福田车身开发中的应用·张志亮352车身逆向工程的原理与基本理论2.1车身正向工程开发与车身逆向工程的原理2.1.1车身正向工程开发过程汽车车身正向工程开发走过了两个历史发展阶段。一是20世纪70年代以前属于传统的正向开发，二是70年代末至今的计算机辅助设计正向开发。现代的车身正向开发：随着70年代末计算机技术的发展，计算机车身辅助设计逐步在车身正向开发中得到应用。现代的车身正向开发流程总的来说与传统正向开发流程相似，但其中应用了大量的计算机辅助技术，具体如下流程：图1车身正向开发流程从上述流程图可以看出，现代车身正向设计比传统设计更加复杂，更加精细，其中最大特点应用计算机辅助技术，在造型阶段应用CAS技术（ComputerAidedStyling），在模型制作阶段应用计算机NC技术（NumericalControl），在总布置及结构设计阶段采用三维CAD，在设计验证阶段采用了CAE（ComputerAidedEngineering）以及RP（RapidPrototyping）技术，在制造阶段采用CAM（ComputerAidedManufacturing）。2.1.2车身逆向工程开发流程车身逆向工程开发，其基本思路是：经过广泛选择与对比分析，确定世界上最新推出的产品，且这种产品已获得用户的广泛认同，以此车型作为我们要研究的模型样车。一般来说，汽车技术先进的公司，每推出新一代产品，它都蕴涵着该公司多年研究的最新技术成果，例如日本卡新产品规划与概念设计手工1：5车身效果图1：5三维效果图三维CG动画效果1：1三维效果图1：1三维CG动画效果NC加1：1油泥模型零部件三维虚拟装配与检查零部件三维结构设计表面光顺处理车身三维总布置RP快速成型件试制、试验1：1模型表面数据数字化1：1油土模型修改1：1油泥模型风洞试验计算机模拟风洞试验修改原设计车身的CAE分析CAM：模夹具制造2004·1FOTONTechnology逆向工程技术及其在福田车身开发中的应用·张志亮36车车身每5~8年换代一次，通过研究，我们发现：每次产品换型都是一次技术飞跃。各公司都有各自的技术成果或是技术机密（Know-how），这些技术成果各公司都不会以任何技术方式向外公布或传播。但通过对其新产品分析与研究，我们不仅能消化、吸收这些技术机密，还可以推出不低于模型样车水平的新产品，这样既弥补了我们全新车身产品开发经验、开发验证手段与方法不足的弱点，又可以使开发出来的产品水平不低于世界水平。图2车身逆向开发的流程在车身逆向工程开发中，由于我们选择了其它汽车公司的最新产品作为我们的目标参考样车，我们将以此车身的基本架构作为不变的对象，但由于外观知识产权的问题，以及本土化消费者欣赏观点不同，我们不能直接沿袭参考车身，有必要对参考样车做局部的造型调整与修改，这些工作与全新车身开发相比工作量小得很多，风险也小的多。这些工作如果做得好，不仅可以继承参考样车的优点，还可以创新出差别化、规避知识产权等问题。实践证明，完全可以做到“青出于蓝而胜于蓝”。参考车身局部改型：在对参考样车与车身做局部选型修改时，必须考虑不能影响原车身结构的可靠性、结构工艺性。尽可能延用原车身的结构分块思想与联接方式，对于运动部件要延用，并做出必要分析，这样就可以继承原车身的可靠性与工艺性，不产生风险。模型样车的测量、扫描：在参考样车定位找正后，并按已确定的造型方案在局部用油土做1：1修改、评审通过后，用三坐标测量仪以及激光扫描系统对改型后的参考样车进行内外表面测量、扫描，获得车身内外表面三维点数据。参考样车车身拆解及测量扫描：由于参考样车车身是一个装配总成，要获得所有零部件全面三维信息，必须对样车“进行拆解”，一方面获得每一个零件的全面数据，另一方面取得装配（焊）工艺过程。测量、扫描数据的处理：由于车身有些零部件很大，如侧围外板，激光扫描仪不能通过一次定位就可以取得全部数据，必须多次移位扫描，得到多个文件，把同一零件分多次扫描得到的文件合成。并将多余的数据除去，这是数据处理工样车选择参考样车局部修改效果图制作车身零部件三维数学模型曲面、曲线重建参考车身局部修改模型制作模型表面扫描、测量参考样车与车身拆解与扫描测量、扫描数据的处理车身外表的光顺处理及表面制作三维数学模型转模具夹具的CAM试生产及量产三维数学模型虚拟装配与检查2004·1FOTONTechnology逆向工程技术及其在福田车身开发中的应用·张志亮37作之一；此外，每个零件的边缘及孔位信息，用扫描仪无法准确获得，必须靠接触测量获得点文件，将点文件与扫描得到的“点云”式数据合成，这是数据处理工作之二；由于测量点文件与下一步表面曲面光顺处理软件格式的不一致，为了保证二者有正确对接，必须对文件格式转换。车身表面曲面光顺处理及表面制作：经过扫描测量并处理后的文件是每一个零件的三维点文件，尚不能做为零件的全面数字化信息，尚存在很多缺陷，必须对其曲面进行光顺处理，使得车身表面达到光滑、顺畅。车身零部件曲线、曲面重建：在表面光顺及测量点的基础上，根据原有零件特征，利用基于Bezier、B样条、NURBS曲线、曲面理论设计而编制成的三维曲面建模软件，对零件进行三维设计建模，从而获得每一个零件全面的数字化信息，它可以作为零件加工的依据。三维数学模型虚拟装配与检查：不同于正向工程，车身逆向工程中，很多零件可能由很多工程师同时进行曲面三维重新建模，为了保证这些零部件准确无误地表达原参考样车的装配（焊）关系，必须在计算机中对各零部件数学模型进行虚拟装配，以检查协调各部件、零件之间的关系。2.1.3车身逆向工程中的关键技术从上述逆向工程流程可知，车身逆向工程中的关键技术在于两个方面：一方面是实物模型表面数据获取技术，即数字化扫描测量技术；另一方面是车身表面光顺处理技术以及零件的曲面重建技术（曲面构造技术）。这两个方面技术及应用基础理论，将在下面讨论。2.2车身逆向工程中测量技术2.2.1各种三坐标测量系统的方法及原理按照测量仪与被测样品是否接触，可将三坐标测量系统分为接触式与非接触式，具体分类见图3。在非接触式测量系统问世前，硬式三坐标测量机（即CMM-CoordinateMeasuringMachine）是逆向工程早期必备工具，它是一种机械式的系统，通过探针直接与被测物体接触，得到三坐标信息。非接触式三坐标测量方法，它是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取其三维信息，如声、光、电磁等。其中应用物理光学原理发展起来的现代三维形状测量方法应用最为广泛，如三角法等由于具有测量过程非接触和测量迅速等优点，越来越受到人们的重视。图3非接触式三坐标测量方法激光干涉法是通过测量两束相干光的光程差来计算物体的高度分布，测量精度相当高，但测量范围小，抗干扰能力弱，不适合测量凹凸变化大的复杂曲面。激光衍射法的情况与干涉法基本相同，激光三角法原理是采用激光作为光源，照射到被测物体上，利用CCD（ChargeCoupled接触式非接触式三坐标测量硬接触式单独触发式连续触发式ICT声电磁光学立体视觉激光三角法结构光激学干涉激光衍射图像法距离法2004·1FOTONTechnology逆向工程技术及其在福田车身开发中的应用·张志亮38Device）接受漫射光成像点，根据光源物体表面反射点、成像点之间的三角关系计算出表面反射点的三维坐标。此方法已经相当成熟，目前已广泛使用。如果采用线光源，激光扫描测量方法可以达到很高的测量速度。英国3DSCANNER公司生产的REVERSA激光扫描头扫描速度达15000点/秒，精度达到0.025mm。本文下面所述的福田重卡车身逆向工程，就是利用此技术。结构光投影测量法被认为是目前三维形状测量中最好的方法，它的原理是将具有一定模式的光源，如栅状条投射到物体表面，然后用两个镜头获取不同角度的图像，通过图像处理的方法得到整幅图像上像素的三维坐标，这种方法具有速度快、无需运动平台的优点。德国GOM公司ATOS光学扫描测量系统可以在1min内完成一幅包括430000点的图像测量，精度可达0.03mm。但存在图像获取和处理时间长、测量量程短等问题。莫尔等高线以及其他方法在车身逆向工程基本不用，本文就不作介绍。2.3车身逆向工程中零件曲面建模理论我们从车身逆向工程流程中可知，车身表面及其零件计算机三维造型建模是逆向工程工作的关键工作之一。当今主要流行的三维CAD软件如UG、IMAGEWARE、CATIA、I-DEAS、Pro/Engineer其自由曲面造型模块，主要采用Bezier、B-Spline、NURBS作为数学理论基础,本文下节将对Bezier理论、B-Spline理论、NURBS理论做介绍。2.3.1Bezier曲线、曲面理论Bezier理论是1971年由雷诺（Renault）汽车公司工程师P.Bezier发展的一种以逼近为基础的构造曲线和曲面的方法。Bezier曲线参数表达为：)()(,1uBPuPninni（0≤u≤1）其中：Bi，u(u)为Bezier基函数（即Berns