何龍

（成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空維修工程系，四川 成都610100）

傳統(tǒng)的車身設(shè)計(jì)過(guò)程要付出大量的勞動(dòng)，還存在著精度低、修改調(diào)整困難、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)等問(wèn)題.逆向工程是從一個(gè)存在的物理模型構(gòu)造出與之對(duì)應(yīng)的特征是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）仿真模型或?qū)嶓w物理模型的過(guò)程［1－5］.該技術(shù)作為現(xiàn)代復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與批量制造的常見(jiàn)重要技術(shù)手段，深受計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)域和現(xiàn)代工程技術(shù)屆的廣泛重視，而數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)是逆向工程（逆向技術(shù)）中的關(guān)鍵技術(shù)之一［6－10］.近年來(lái)，逆向工程在車身設(shè)計(jì)中得到了廣泛的重視.本文提出基于逆向工程技術(shù)的車身數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)框架，并對(duì)車身復(fù)雜曲面的造型方法和實(shí)施逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究.

1 車身逆向工程三維計(jì)算機(jī)模型的建立

由于汽車整體車身是由高度復(fù)雜的、不規(guī)整的三維曲面組成，為了汽車整車設(shè)計(jì)制圖的便利，根據(jù)現(xiàn)有參數(shù)化曲面理論通常把汽車整體車身劃分為較多的相對(duì)比較簡(jiǎn)單、易于輸入以及處理的曲面形狀，提取這些曲面的有關(guān)信息，建立數(shù)字化工程數(shù)據(jù)庫(kù)，為車身加工制造提供支持［11－17］.從油泥模型或者實(shí)體車身到建立車身三維計(jì)算機(jī)模型的流程圖，如圖1所示.

2 車身逆向工程三維數(shù)據(jù)的獲取

圖1 車身逆向工程流程圖Fig.1 Flow chart of the auto body reverse engineering

車身逆向工程的工作過(guò)程之一就是整車車身外表面的數(shù)字化，而外表面數(shù)字化技術(shù)方法就是利用現(xiàn)代測(cè)量設(shè)備獲取實(shí)物或物理模型的外表面數(shù)據(jù)［18－21］.因此，整車車身外表面數(shù)據(jù)采集是在整車車身外邊面逆向工程設(shè)計(jì)工程中最基本和必需的一環(huán)節(jié)，只有采集測(cè)量數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行車聲曲面對(duì)比和誤差分析，進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的曲面重新構(gòu)造.

造型師所設(shè)計(jì)的油泥物理模型或者實(shí)體整車車身外表面模型通常都由極其復(fù)雜的自由曲面組成，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)再現(xiàn)或者直接構(gòu)建數(shù)字化模型是非常困難的，必須依據(jù)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)曲面建模.此外，被測(cè)物理點(diǎn)的分布及密度也會(huì)影響到后續(xù)幾何曲面重新構(gòu)造的快慢和車身外表曲面的質(zhì)量.測(cè)量的目的是將造型師的設(shè)計(jì)理念及車身物理模型轉(zhuǎn)化成三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)重構(gòu)車身的CAD 模型或直接生成CAM 模型獲取數(shù)控加工的軌跡.因此，車身外表面形狀的三維空間離散采樣速度、精度在逆向工程的工業(yè)過(guò)程中顯得尤為重要.目前，表面數(shù)字化測(cè)量的實(shí)現(xiàn)手段已由過(guò)去的手工數(shù)字化測(cè)量過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)橐袁F(xiàn)代測(cè)量設(shè)備和計(jì)算機(jī)控制全自動(dòng)測(cè)量過(guò)程.

測(cè)量設(shè)備一般采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x（CMM），也有一些應(yīng)用是在數(shù)控機(jī)床或工業(yè)機(jī)器人末端加裝測(cè)量部件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量和采集工作.根據(jù)測(cè)量元器件與被測(cè)對(duì)象的相對(duì)位置關(guān)系，可以將測(cè)量設(shè)備劃分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量，如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)采集方法的分類Fig.2 Classification of the data collection methods

接觸式測(cè)量主要包括基于力觸發(fā)原理的觸發(fā)式數(shù)據(jù)測(cè)量和連續(xù)式數(shù)據(jù)測(cè)量，通過(guò)提取測(cè)頭上的探針與物件表面的接觸情況進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量和提取.在接觸式測(cè)量方法中，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x（CMM）發(fā)展較為成熟，使用范圍較廣.它利用傳感器來(lái)完成測(cè)量探頭在物件表面上移動(dòng)，然后記錄下路徑點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，由一系列二維測(cè)量獲取復(fù)雜的三維曲面的相應(yīng)數(shù)據(jù).這種數(shù)字化測(cè)量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是位置點(diǎn)的高精度和被測(cè)點(diǎn)分布的低密度.接觸式測(cè)量精度高，噪聲低、可重復(fù)性好，并能按曲面曲率的變化不均勻地布點(diǎn).但是其測(cè)量速度相對(duì)較慢、效率低，而且容易受到被測(cè)對(duì)象材料的限制；探頭與被測(cè)對(duì)象間的摩擦力和接觸力的存在也會(huì)引起被測(cè)對(duì)象的彈性變形，從而產(chǎn)生測(cè)量的誤差，對(duì)剛性較差的物件難以做到高精密的測(cè)量，需要對(duì)探頭的半徑以及探頭的表面損傷進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償.此外，由于微細(xì)高精度曲面因探頭不能觸及而無(wú)法測(cè)量，所以不容易獲取連續(xù)的三維坐標(biāo)點(diǎn).

非接觸式測(cè)量一般采用光學(xué)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量.它是跟據(jù)結(jié)構(gòu)光三角形測(cè)量原理，把激光的光源投射到被測(cè)對(duì)象的表面；然后，利用光電敏感元器件在另一特定的位置接受激光的反射，根據(jù)反射的光點(diǎn)或光條在被測(cè)對(duì)象上成像的偏移，通過(guò)被測(cè)對(duì)象基于平面、像點(diǎn)和像距等之間的關(guān)系取得深度信息.通常典型的測(cè)量方法有激光三角測(cè)量法、激光測(cè)距測(cè)量法、結(jié)構(gòu)光測(cè)量法等.非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)是測(cè)量裝置不與被測(cè)對(duì)象接觸，因而可以有比較高的測(cè)量速度，并可以測(cè)量材質(zhì)較軟的材料，但對(duì)被測(cè)對(duì)象的顏色、光照要求較高.測(cè)量方式也決定了非接觸式測(cè)量的精度較低，后續(xù)數(shù)據(jù)處理過(guò)程較為復(fù)雜.

從國(guó)內(nèi)目前的逆向工程中的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，逆向工程中數(shù)據(jù)測(cè)量手段主要采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x來(lái)實(shí)現(xiàn).隨著社會(huì)對(duì)效率和速度的要求在現(xiàn)代科技、工業(yè)設(shè)計(jì)和工業(yè)生產(chǎn)中的地位日益增長(zhǎng)，非接觸式測(cè)量方法和設(shè)備在工業(yè)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛.

3 車身逆向工程三維數(shù)據(jù)的處理

對(duì)數(shù)字化測(cè)量中得到的被測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理是逆向工程技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一.基于逆向工程技術(shù)的車身數(shù)字化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與傳統(tǒng)的CAD／CAM 系統(tǒng)相比，有兩個(gè)顯著的不同特點(diǎn)［11］：一是數(shù)據(jù)量巨大，測(cè)量的掃描點(diǎn)具有大量數(shù)據(jù)，通常一個(gè)小的零部件都有十幾萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，整車車身表面的數(shù)據(jù)量則可以達(dá)到幾千萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，并且密度非常大，常用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件難以處理如此海量的數(shù)據(jù)；另一個(gè)是測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)離散，通常將車身逆向工程中測(cè)量得到的數(shù)據(jù)形象地稱為點(diǎn)云.數(shù)據(jù)量大并不意味著能得到比較好的結(jié)果，其計(jì)算成本也會(huì)過(guò)高.

點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)與其他各種類型的測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)比，具有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)中比較容易出現(xiàn)噪聲點(diǎn)，也就是誤差很大的點(diǎn)，也會(huì)形成某些背景上的無(wú)用數(shù)據(jù)；2）當(dāng)被測(cè)對(duì)象較大或三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量區(qū)域不夠大時(shí)，就要?jiǎng)澐譃椴煌瑓^(qū)塊來(lái)測(cè)量，這也就必然導(dǎo)致所測(cè)量的各個(gè)區(qū)塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的區(qū)塊坐標(biāo)系不一致；3）當(dāng)被測(cè)量對(duì)象的曲面較粗糙時(shí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)形成比較大的隨機(jī)誤差；4）點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常為海量，很難直接用于構(gòu)建曲面，甚至有時(shí)是不可能，需要進(jìn)行過(guò)濾、精簡(jiǎn)；5）雖然數(shù)字化系統(tǒng)能夠自動(dòng)地對(duì)實(shí)物在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行掃描，可是掃描方法往往缺乏一定的智能與靈活性，如在相對(duì)平坦的表面獲取大量的重復(fù)數(shù)據(jù)點(diǎn)，而在曲面曲率變化較大的區(qū)域卻沒(méi)有記錄反映曲面特點(diǎn)的關(guān)鍵點(diǎn).鑒于以上原因，有必要在曲面重構(gòu)之前先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，以改善數(shù)據(jù)點(diǎn)的質(zhì)量和提高后續(xù)曲面重構(gòu)的效率.

數(shù)據(jù)的后續(xù)處理和分析包括數(shù)據(jù)誤差的修正與數(shù)據(jù)的規(guī)則化.由于被測(cè)對(duì)象的表面精度的不同，以及測(cè)量本身誤差、測(cè)量設(shè)備自身誤差等的影響，測(cè)量獲取的空間三維坐標(biāo)值一定有著一定范圍的誤差值.為了得到滿足工業(yè)實(shí)際需要的精度及性能要求的整車車身外形數(shù)據(jù)，需要依據(jù)整車車身外形曲面的幾何特性及形成規(guī)律，在實(shí)施外形曲面重新構(gòu)造之前，進(jìn)行三維坐標(biāo)數(shù)值的誤差修正.誤差修正包括去噪、均化，以及冗余數(shù)據(jù)的去除、不完整數(shù)據(jù)的修正補(bǔ)充等處理.數(shù)據(jù)的規(guī)則化就是根據(jù)被測(cè)對(duì)象本身具有的基本特征，將測(cè)量獲取的三維坐標(biāo)值的點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分成若干個(gè)不同的區(qū)塊，在各個(gè)不同的區(qū)塊內(nèi)得到相應(yīng)數(shù)量的截面圖形，各截面圖形之間的間隔可以不相等.將每個(gè)劃分得到的截面上的三維坐標(biāo)數(shù)值擬合成一條平滑的曲線.最后將三維坐標(biāo)值的點(diǎn)云數(shù)據(jù)修正成為由曲線組成的網(wǎng)格圖形.坐標(biāo)三維數(shù)值數(shù)據(jù)規(guī)則化時(shí)如果截面分割得很少，就會(huì)導(dǎo)致造型與被測(cè)對(duì)象之間誤差很大；而如果界面分割得太多，又會(huì)導(dǎo)致造型生產(chǎn)的曲面不平滑，曲面效果不理想.

獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后續(xù)處理需要完成以下幾個(gè)方面的工作.

1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的除噪與濾波，提高數(shù)據(jù)的規(guī)整性和有效性.三維坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備在掃描獲取數(shù)據(jù)的實(shí)際過(guò)程中，特別容易受測(cè)量的方式、被測(cè)對(duì)象的物理性質(zhì)、所處測(cè)量環(huán)境的溫度和濕度等因素的干擾，這就會(huì)導(dǎo)致獲取的三維坐標(biāo)數(shù)值存在較大誤差甚至失真的點(diǎn).因此在處理三維坐標(biāo)數(shù)值時(shí)，首先是刪除誤差大的數(shù)值點(diǎn)和失真點(diǎn)，即直接瀏覽獲取的圖形，把與截面上偏離較大的點(diǎn)以及計(jì)算機(jī)上顯示的孤立點(diǎn)刪除；然后，運(yùn)用曲線檢查方法，把截面線上的全部坐標(biāo)點(diǎn)擬合成樣條曲線，曲線的階次應(yīng)該依據(jù)截面的幾何外形來(lái)確定，一般選取3～4階；最后，分別計(jì)算得出數(shù)據(jù)點(diǎn)與樣條線之間距離，再依據(jù)誤差控制的大小刪除壞點(diǎn).

2）三維坐標(biāo)系統(tǒng)的變換.由于三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備所測(cè)量獲取的三坐標(biāo)值是在該測(cè)量設(shè)備三坐標(biāo)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，而在三坐標(biāo)數(shù)據(jù)后續(xù)的計(jì)算處理中，通常希望點(diǎn)云三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)值是對(duì)應(yīng)于原始坐標(biāo)系統(tǒng)中的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)值.但是在實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)中都存在著一定程度的偏離，這就帶來(lái)測(cè)量三維坐標(biāo)系統(tǒng)與原始三維坐標(biāo)系統(tǒng)的三坐標(biāo)系統(tǒng)變換的問(wèn)題.另外，當(dāng)被測(cè)量對(duì)象過(guò)大的遠(yuǎn)離了測(cè)量三坐標(biāo)系統(tǒng)的基準(zhǔn)原點(diǎn)，那么點(diǎn)云數(shù)據(jù)中就會(huì)出現(xiàn)一些點(diǎn)的三坐標(biāo)值很大，導(dǎo)致后面的曲面模型的構(gòu)建難于處理.為了有利于后續(xù)的全部數(shù)據(jù)計(jì)算處理，也需要把坐標(biāo)數(shù)據(jù)值進(jìn)行三坐標(biāo)系統(tǒng)的相應(yīng)轉(zhuǎn)換.

3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對(duì)齊拼接.對(duì)于分區(qū)域測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為了獲取被測(cè)對(duì)象的全部數(shù)據(jù)，反映出被測(cè)對(duì)象的完整面貌，需要將分區(qū)域獲取的多片點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起，消除不同測(cè)量區(qū)域間的重疊區(qū)域，也就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對(duì)齊拼接.常見(jiàn)的數(shù)據(jù)計(jì)算處理方式有兩種：一種是采用專門的測(cè)量設(shè)備去完成各個(gè)區(qū)快點(diǎn)云數(shù)據(jù)值的對(duì)齊拼接，這樣就要設(shè)計(jì)一個(gè)專門用來(lái)采集并記錄被測(cè)對(duì)象在測(cè)量中的移動(dòng)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換平臺(tái)；另一種是運(yùn)用專用的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)多區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對(duì)齊拼接，從而實(shí)現(xiàn)重新構(gòu)造原始模型，這也是目前最常用的多區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊拼接的方法.

4）特征提取.CAD 建模中的關(guān)鍵要點(diǎn)，它對(duì)控制幾何物理外形的形狀具有極其重要的作用.一般把二次曲面和曲面間的過(guò)渡曲面統(tǒng)稱為特征曲面，把局部曲面之間的交線和局部曲面的邊界統(tǒng)稱為特征曲線.這些特征對(duì)于重新構(gòu)造物理模型的質(zhì)量具有決定性的作用.整車車身外形曲面構(gòu)造一般都要加入脊線、棱線等幾何外形特征線，才有利于提高模型所需要的精度、提高“云點(diǎn)”數(shù)據(jù)的壓縮比例.復(fù)雜幾何外形曲面有時(shí)需要混入用于過(guò)渡的曲面和平面，曲面模型建模前把這些有顯著曲率幾何特征的曲面取出進(jìn)行計(jì)算和處理，將有利于提升幾何曲面模型的精度.幾何特征提取依據(jù)的是幾何曲面曲率變化程度，來(lái)識(shí)別點(diǎn)云數(shù)據(jù)值中的棱邊、邊界和圓弧孔等突變特征，根據(jù)估算曲面、曲線上點(diǎn)的幾何法向矢量來(lái)確定曲面的不連續(xù)性幾何特征，從而得到幾何特征點(diǎn).然后，通過(guò)幾何特征點(diǎn)的連接構(gòu)造特征線和特征面.關(guān)于幾何特征識(shí)別和提取的研究，通常是對(duì)物理模型構(gòu)建中簡(jiǎn)單幾何外形的識(shí)別和提取，還沒(méi)有特別理想的幾何形狀特征提取與識(shí)別方法.

5）數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)，去除點(diǎn)云不必要的數(shù)據(jù)點(diǎn)，減少計(jì)算量.數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)一般是在幾何外形曲面曲率變化顯著的位置留下較多的三坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)，曲率變化比較小的位置留下比較少的三坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn).不同形式的點(diǎn)云三坐標(biāo)數(shù)據(jù)，它的精簡(jiǎn)方式方法也不同，散亂點(diǎn)云三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)通常運(yùn)用隨機(jī)采樣精簡(jiǎn)；掃描線以及多邊形點(diǎn)云三坐標(biāo)數(shù)據(jù)運(yùn)用等量、等間距、弦偏差以及倍率變化等方式精簡(jiǎn)數(shù)據(jù).除此之外點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)的方法還有均勻網(wǎng)格數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)法和非均勻網(wǎng)格數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)法.均勻網(wǎng)格數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)法不改變點(diǎn)的位置，只是選取其中的某些點(diǎn)，可以較好的保留原始數(shù)據(jù)，這種方法比較適合于需要快速處理的簡(jiǎn)單表面；非均勻網(wǎng)格數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)法可以根據(jù)被測(cè)對(duì)象幾何形狀特征的實(shí)際需要來(lái)確定網(wǎng)格的密度，能在確保曲面重新構(gòu)造精度的前提下適當(dāng)減少數(shù)據(jù)的數(shù)量，該方法較適合處理幾何形狀變化較大的自由曲面.

4 車身逆向工程的曲面重新構(gòu)造

曲面重新構(gòu)造是逆向工程中極其重要的工程環(huán)節(jié)，它的作用是依據(jù)數(shù)據(jù)處理后得到各區(qū)塊的曲線網(wǎng)格.首先，需要將各區(qū)塊分別擬合計(jì)算出各自的曲面，再利用曲面求交、過(guò)渡、拼接、裁剪、延伸和平順等方法把擬合計(jì)算出的曲面連接，得到被測(cè)對(duì)象的表面形狀以及尺寸幾何精度內(nèi)的曲面模型.在實(shí)際應(yīng)用中，評(píng)價(jià)曲面重新構(gòu)造的關(guān)鍵性指標(biāo)是模型的幾何不變性、光順性、精確性.

工程實(shí)際中，對(duì)自由曲面的數(shù)學(xué)描述，業(yè)界普遍采用非均勻有理B 樣條曲線（non－uniform rational B－spline，NURBS）方法的數(shù)學(xué)描述.NURBS比過(guò)去的網(wǎng)格建模方法能較好地控制模型表面的曲線度，從而可以構(gòu)造出更加真實(shí)、生動(dòng)的模型［5］.其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：di，j（i＝0，1，…，m；j＝0，1，…，n）為呈拓?fù)渚匦侮嚵械目刂祈旤c(diǎn)網(wǎng)格；Ri，k，j，l（u，v）是雙變量有理基函數(shù)（C2連續(xù)）且有

其中：Wi，j是與頂點(diǎn)聯(lián)系的權(quán)重因子，初始狀態(tài)取Wi，j＝1；Ni，k（u）為u向l次規(guī)范樣條基，一般l＝3；Nj，l（v）為v向l次規(guī)范樣條基，一般l＝3；取重復(fù)度為r＝4；即

Wi，j越大，曲面就越靠近控制頂點(diǎn)，四角頂點(diǎn)處權(quán)重因子為非負(fù)；曲面擬合的第一步是確定插值曲面的節(jié)點(diǎn)矢量.設(shè)u，v兩個(gè)方向分別獲得m×n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，則曲面上應(yīng)有（m＋3）×（n＋3）個(gè)控制頂點(diǎn).因此有

用積累弦長(zhǎng)參數(shù)法求（u0，um＋3）內(nèi)的節(jié)點(diǎn)值，得切點(diǎn)矢量值.則可根據(jù)方程求得控制頂點(diǎn)為

NURBS曲面能夠精確表示解析實(shí)體和自由曲面，具有靈活性大、效率和簡(jiǎn)潔度高等特點(diǎn).NURBS曲面與非有理B樣條曲面都具有同樣的凸包性，以及幾何不變形性.NURBS方法已成為自由曲線曲面形狀表示方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，是STEP標(biāo)準(zhǔn)中描述產(chǎn)品幾何形狀的唯一方法.曲面重構(gòu)的流程圖，如圖3所示.

5 車身逆向工程的CAD建模

車身逆向工程的CAD 建模方法主要有：參數(shù)法建模、基于工程圖紙的三維建模方法、三坐標(biāo)測(cè)量建模、車身外表面分塊造型，以及基于圖像技術(shù)的模型重建等［18］.實(shí)際應(yīng)用中，三維參數(shù)化造型技術(shù)應(yīng)用最廣泛.參數(shù)化建模的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員與計(jì)算機(jī)交互式的智能化設(shè)計(jì)，其主要工作是要在不同的集合元素或特征信息之間構(gòu)建尺寸的關(guān)聯(lián)或集合特征的約束關(guān)系.

當(dāng)通過(guò)測(cè)量油泥模型或?qū)嵨镘嚿磉M(jìn)而建立起車身曲面或曲線的參數(shù)方程后，以CAD 軟件UG 為例，生成幾何空間曲線的參數(shù)方程，其過(guò)程［17］如下：

1）構(gòu)建形成三維坐標(biāo)系統(tǒng)和二維平面坐標(biāo)系統(tǒng)；

2）選取合適的曲線構(gòu)成方式；

3）編輯曲線構(gòu)成數(shù)學(xué)公式；

4）計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的幾何曲線.

圖3 曲面重構(gòu)流程圖Fig.3 Flow chart of the surface reconstruction

6 車身數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框架

面向整車車身設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示.該平臺(tái)采用開(kāi)放式的系統(tǒng)架構(gòu)，一般分為工作層、應(yīng)用層、協(xié)同平臺(tái)層和基礎(chǔ)服務(wù)層4個(gè)層次.

1）基礎(chǔ)服務(wù)層.它主要包括汽車外形數(shù)據(jù)庫(kù)、產(chǎn)品知識(shí)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)等，這些都是該平臺(tái)架構(gòu)的主要硬件和軟件設(shè)施.

2）協(xié)同平臺(tái)層.它由信息集成平臺(tái)應(yīng)用集成接口、過(guò)程集成平臺(tái)流程管理系統(tǒng)、協(xié)同工作平臺(tái)支撐工具和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)VPM，PM.該平臺(tái)層通常采用標(biāo)準(zhǔn)的、通用的系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)軟件支持的多樣化；通過(guò)對(duì)車身設(shè)計(jì)過(guò)程中，不同類型數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理，制定各軟件之間接口的標(biāo)準(zhǔn)，將有關(guān)車身三維CAD 信息分類、封裝并存入到車身數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)車身的數(shù)字化快速集成設(shè)計(jì)提供了可能.

3）應(yīng)用層.該層由汽車概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)、虛擬油泥造型系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)、拓?fù)鋬?yōu)化系統(tǒng)、汽車車身氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)等構(gòu)成整車車身數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的主體.系統(tǒng)由一系列專用功能的模塊構(gòu)成，通過(guò)調(diào)用、協(xié)調(diào)、控制和集成這些專用功能模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的通用平臺(tái).

4）工作層.這是車身數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的集成用戶界面.軟件界面具有良好的人機(jī)交互功能，能夠?yàn)橛脩籼峁┍M量的分別，可以降低技術(shù)人員操作的要求，為在汽車企業(yè)的應(yīng)用推廣創(chuàng)造條件.

圖4 車身數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)框圖Fig.4 Block diagram of the auto body digital design platform

7 結(jié)束語(yǔ)

文中分析和介紹了實(shí)施逆向工程技術(shù)各階段的關(guān)鍵技術(shù)，分析逆向工程中不同部分的特點(diǎn)和解決方案，重點(diǎn)討論NURBS曲線曲面理論在車身曲面重構(gòu)中的應(yīng)用.在汽車車身的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中采用逆向工程技術(shù)，能夠大大地縮短設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)費(fèi)用.對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)和仿形設(shè)計(jì)以及對(duì)車身復(fù)雜型面的數(shù)控加工具有較大意義.

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