呂元穎1上海同濟(jì)大學(xué) (201804） 2上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 (200233）

呂元穎（1984年～），男，碩士研究生，工程師，主要從事軌道交通車輛的設(shè)計(jì)研制。

1 逆向工程概念

傳統(tǒng)的正向工程，是產(chǎn)品從無(wú)到有的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。一般工業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)是先確定目標(biāo)造型和功能，接著構(gòu)思產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行產(chǎn)品每個(gè)零部件的設(shè)計(jì)、分析、制造以及檢驗(yàn)，再經(jīng)過(guò)裝配、性能測(cè)試等程序完成整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程。每個(gè)零部件都有設(shè)計(jì)圖樣，按確定的工藝文件加工，正向工程設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 正向工程設(shè)計(jì)流程

不同于正向工程，逆向工程(Reverse Engineering)也稱為反向工程或反求工程，是在20世紀(jì)80年代初才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，是一種成型產(chǎn)品或模型的再現(xiàn)過(guò)程，逆向工程是在不侵犯目標(biāo)產(chǎn)品的知識(shí)產(chǎn)權(quán)基礎(chǔ)上，對(duì)一項(xiàng)目標(biāo)產(chǎn)品或模型進(jìn)行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產(chǎn)品的處理流程、組織結(jié)構(gòu)、功能特性、形狀輪廓及技術(shù)規(guī)格等設(shè)計(jì)要素，以用于該產(chǎn)品的修改、分析、制造、檢驗(yàn)、裝配、測(cè)試等多種目的，逆向工程設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 逆向工程設(shè)計(jì)流程

對(duì)于逆向工程設(shè)計(jì)流程而言，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型重構(gòu)是關(guān)鍵步驟，需要軟、硬兩方面的技術(shù)的結(jié)合。硬件方面，需要能精密測(cè)量、采集坐標(biāo)點(diǎn)的掃描工具；軟件方面，需要能對(duì)所得數(shù)據(jù)點(diǎn)云的處理及模型重構(gòu)的軟件技術(shù)。

2 逆向工程的基本應(yīng)用情況

目前，逆向工程主要應(yīng)用于以下幾種情況：

(1)在概念設(shè)計(jì)階段采用實(shí)物模型作為鑒定依據(jù)的產(chǎn)品，這些實(shí)物模型通常由黏土、工程塑料、石膏等材料制作而成。

(2)已經(jīng)成形或投入實(shí)用卻缺乏生產(chǎn)圖樣的產(chǎn)品，特別是在CAD/CAM 出現(xiàn)前所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，或者無(wú)任何資料的產(chǎn)品。

(3)修改后的產(chǎn)品。在按照?qǐng)D樣生產(chǎn)時(shí)，由于工藝、美觀等方面原因，對(duì)模具進(jìn)行修改但并未做記錄的產(chǎn)品。

(4)需設(shè)計(jì)再利用的產(chǎn)品。通過(guò)載入以前產(chǎn)品的CAD模型數(shù)據(jù)，通過(guò)逆向工程設(shè)計(jì)出新品種產(chǎn)品。該方法無(wú)需對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但需要對(duì)已有模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和模型重構(gòu)。

(5)數(shù)字化模型檢測(cè)的產(chǎn)品。對(duì)加工后的產(chǎn)品進(jìn)行掃描測(cè)量，再利用逆向工程構(gòu)造出CAD 模型，產(chǎn)生的模型與初始CAD模型進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。

3 逆向工程在軌道交通車輛設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)對(duì)象為國(guó)產(chǎn)化A型地鐵列車司機(jī)室，司機(jī)室外殼一般由玻璃鋼（FRP）或鋁合金面板拼接而成，其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于組成外輪廓的各個(gè)零部件多為尺寸大而形狀復(fù)雜的空間曲面。由于這些大型覆蓋件多為高次方程曲面，所以不能用一般的CAD方法將它們完整、清晰地表達(dá)出來(lái)，且考慮到司機(jī)室外形和功能的確定需要通過(guò)以實(shí)物模型作為設(shè)計(jì)依據(jù)，因此，該車輛司機(jī)室外輪廓設(shè)計(jì)通過(guò)逆向工程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 選取樣品

對(duì)于逆向工程來(lái)說(shuō)，選取樣品并非關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，卻是整個(gè)設(shè)計(jì)流程中的起始點(diǎn)，且決定了所設(shè)計(jì)最終目標(biāo)的大致方向。樣品可以是已經(jīng)運(yùn)營(yíng)或設(shè)計(jì)完成的地鐵、輕軌、高鐵車輛的司機(jī)室外輪廓；也可以是一個(gè)由木材或工程塑料做成的司機(jī)室輪廓模型。由于為了滿足空氣動(dòng)力學(xué)、外形造型美觀、本身功能等要求，軌道交通車輛司機(jī)室外形已從原來(lái)的平直、方正等形狀逐步演變成賦有動(dòng)感和立體感的流線型、圓潤(rùn)型等外形輪廓，且這些輪廓基本上都有多個(gè)復(fù)雜曲面拼接而成，所以傳統(tǒng)的正向工程采用的CAD三維建模設(shè)計(jì)方案已經(jīng)無(wú)法滿足復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)要求，而更具自由特點(diǎn)的實(shí)物模型設(shè)計(jì)方法被應(yīng)用到司機(jī)室外輪廓方案設(shè)計(jì)中。選用樣品為由ABS工程塑料制造而成的模型，比例為傳統(tǒng)地鐵車輛司機(jī)室模型的五分之一，模型如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是逆向工程的第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，它是指通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲取產(chǎn)品表面離散點(diǎn)的三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。高效、準(zhǔn)確地采集到產(chǎn)品表面的三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)逆向工程的基礎(chǔ)和重要技術(shù)之一。根據(jù)測(cè)量的方式不同，可以將三維測(cè)量設(shè)備分為接觸式和非接觸式兩大類型。

(1)接觸式測(cè)量法

接觸式測(cè)量法通常是指三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)法(Coordinete Measuring Machine)，簡(jiǎn)稱CCM。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)法主要應(yīng)用于由基本的幾何形體（如平面、圓柱面圓錐面、球面、流線型曲面等）構(gòu)成實(shí)體的數(shù)字化過(guò)程，適用于測(cè)量實(shí)體外部的幾何形狀。采用該方法可以達(dá)到很高的測(cè)量精度，且對(duì)測(cè)量對(duì)象顏色和光照沒(méi)有要求，但該方法測(cè)量速度較慢，且對(duì)軟質(zhì)材料適應(yīng)差。CMM有兩種不同的測(cè)量方式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)量法（Point to Point Method）和截面掃描法（Section Scanning Method）

(2)非接觸式測(cè)量法

非接觸式測(cè)量法采集實(shí)物模型的表面數(shù)據(jù)時(shí)，測(cè)頭不與實(shí)物表面接觸，它們利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象來(lái)獲取其三維信息，如聲、光、電磁等。其中應(yīng)用光學(xué)原理發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代三維形狀測(cè)量方法應(yīng)用也比較廣泛，如三角形法、結(jié)構(gòu)光法等。激光三角法是采用激光作為光源，照射到被測(cè)物體上，利用CCD 接受漫射光成像點(diǎn)，根據(jù)光源、物體表面反射點(diǎn)、成像點(diǎn)之間的三角關(guān)系計(jì)算出表面反射點(diǎn)的三維坐標(biāo)。此方法已經(jīng)成熟，目前已走向?qū)嵱谩＝Y(jié)構(gòu)光投影測(cè)量法被認(rèn)為是目前三維形狀測(cè)量中較好的方法，它的原理是將具有一定模式的光源，如柵狀光條投射到物體表面，然后用兩個(gè)鏡頭獲取不同角度的圖像，通過(guò)圖像處理的方法得到整幅圖像上像素的三維坐標(biāo)，這種方法具有速度快、無(wú)需運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)。

考慮到司機(jī)室外輪廓模型主要以圓滑或流線型大面積曲面為主，且需要高精度數(shù)字化要求，所以采用Globa Silver三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其三維空間精度可以達(dá)到1～2 μm，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)如圖4所示。

圖4 Globa Silver三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

測(cè)量機(jī)的測(cè)頭沿著司機(jī)室外輪廓模型的表面連續(xù)掃描，針對(duì)復(fù)雜的三維邊界曲面進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)不能完全到達(dá)被測(cè)部位的邊界，在這里采用柱形側(cè)頭點(diǎn)接觸式測(cè)量司機(jī)室模型外輪廓邊界，保證測(cè)準(zhǔn)三維邊界一個(gè)方向（測(cè)頭方向）上的數(shù)據(jù)，然后再沿測(cè)頭方向投影實(shí)測(cè)邊界曲線到延伸后的曲面，利用投影曲面對(duì)曲面進(jìn)行裁剪獲得逆向工程數(shù)字化模型邊界。最終，把采集的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)形成“點(diǎn)云”文件，以asc格式輸出。

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是逆向工程的第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，它決定了模型重構(gòu)過(guò)程是否能夠方便、準(zhǔn)確地進(jìn)行。使用Globa Silver三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)取的司機(jī)室外輪廓模型三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)都是一些離散點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中，數(shù)據(jù)存在著噪聲點(diǎn)和數(shù)據(jù)的重疊、缺失，尤其是尖銳邊和邊界附近的測(cè)量數(shù)據(jù)，所以還需要相應(yīng)的軟件來(lái)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理包括噪聲去除、多視對(duì)齊、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、數(shù)據(jù)光順、數(shù)據(jù)分割等諸多方面。預(yù)處理通常要經(jīng)過(guò)以下步驟：

(1)異常點(diǎn)處理；

(2)數(shù)據(jù)精減；

(3)數(shù)據(jù)插補(bǔ)。

目前比較常用的逆向工程軟件有：

Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD、

RapidForm、UG、I-DEAS、Pro-E等。由于該軌道交通車輛研發(fā)基于CATIA V5平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，為了便于設(shè)計(jì)兼容性和后續(xù)連續(xù)性，所以將測(cè)量獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)CATIA V5 軟件的DSE模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，導(dǎo)入后形成的司機(jī)室模型外輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

這里采用的是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)獲得的散亂的點(diǎn)云，可利用直觀檢查法，通過(guò)CATIA V5軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步檢查，再通過(guò)圖形終端，用肉眼直接通過(guò)CATIA V5軟件將與截面數(shù)據(jù)點(diǎn)集偏離較大的點(diǎn)或存在于屏幕上的孤點(diǎn)剔除。由于接觸式測(cè)量已將零件的特征值完整采集，所以不需要進(jìn)一步做數(shù)據(jù)的精減或插補(bǔ)處理，經(jīng)過(guò)去噪后的司機(jī)室模型外輪廓點(diǎn)云圖如圖6所示。

圖6 去噪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

3.4 模型重構(gòu)

模型重構(gòu)又稱曲面重構(gòu)，是逆向工程的第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，它是指通過(guò)軟件將模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)特征進(jìn)行分割，然后對(duì)分割的數(shù)據(jù)點(diǎn)云重構(gòu)形成曲面片。由于司機(jī)室模型外輪廓曲面并非由簡(jiǎn)單的線段或圓弧等簡(jiǎn)單圖形元素組成，所以必須用更先進(jìn)的描述手段─光滑的自由曲面來(lái)描繪。

自由曲面一般用參數(shù)曲線曲面表示，常用的有Bezier、B—Spline和NURBS等表示方式。這里通過(guò)CATIA V5軟件采用NURBS方法進(jìn)行司機(jī)室模型外輪廓曲面重構(gòu)。NURBS是解析曲線曲面和自由曲面的綜合曲面(非有理B樣條、Bezier曲面都是NURBS的特例表示)。NURBS曲線和曲面方程如下：

(1)NURBS曲線方程

一條p階NURBS曲線被定義作：

式中｛Pi｝— 控制點(diǎn)(形成控制多邊形);

除非另述,一般假定a=0，b=1及對(duì)于所有的i都有ωi>0。

(2)NURBS曲面方程

u向p階、v向q階的NURBS曲面定義為:

式中｛Pi，j｝—構(gòu)成曲面控制點(diǎn)網(wǎng);

通過(guò)CATIA V5軟件，用NURBS曲面可通過(guò)控制點(diǎn)和權(quán)值方便靈活地控制司機(jī)室模型外輪廓曲面形狀，能有效進(jìn)行插入節(jié)點(diǎn)、修改、分割和幾何插值等處理，并具有透視變換和放射變換的不變性等優(yōu)點(diǎn)。模型最終以并以IGES 格式存儲(chǔ)，便于后期模型曲面增厚和優(yōu)化等CAD方法處理，司機(jī)室外輪廓模型重構(gòu)如圖7所示。

圖7 重構(gòu)后的模型圖

4 展 望

逆向工程改變了傳統(tǒng)鐵路和城市軌道交通車輛外觀及功能設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)模式, 大大縮短了車輛司機(jī)室及其他零部件開(kāi)發(fā)周期，提高了車輛的整體美觀及性能、工藝質(zhì)量以及加工效率，并且減輕了設(shè)計(jì)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了開(kāi)發(fā)成本。

當(dāng)然，由于軌道交通車輛部分零部件曲面構(gòu)造復(fù)雜導(dǎo)致數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、模型重構(gòu)這三大步驟仍存在著不穩(wěn)定性。但隨著測(cè)量硬件設(shè)備和計(jì)算機(jī)軟件智能化的發(fā)展，將來(lái)有望形成集成化的軌道交通車輛設(shè)計(jì)逆向工程系統(tǒng)，為軌道交通車輛設(shè)計(jì)提供更多方便和支持。

[1]金濤，童水光等.逆向工程技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

[2]趙洪倫.軌道車輛結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

[3]徐伯初.軌道交通車輛造型設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[4]朱心雄.自由曲線曲面造型技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，1998.

[5]王霄.逆向工程技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.