為了適應新的變化，各國政府、產業(yè)界和科技界提出了各種先進的制造技術，其中逆向工程技術作為先進制造技術之一，得到各國普遍重視。進入21世紀，知識經濟已成為主導經濟，制造業(yè)面臨新的環(huán)境。
我國汽車開發(fā)技術，尤其是車身開發(fā)技術目前遠遠落后于發(fā)達國家水平，如何利用先進的制造技術提升我國汽車車身開發(fā)技術水平，這正是本課題研究的出發(fā)點：即探索利用逆向工程技術來提升我國汽車車身開發(fā)水平。
本文首先將闡述逆向工程的基本概念，然后介紹車身逆向工程的基本原理、車身逆向工程中測量技術與原理,以及車身三維數學曲面模型建立的理論基礎、車身外形曲面光順方法，和車身逆向工程中點數據處理技術、曲線曲面重建技術，最后結合福田重卡車身逆向開發(fā)項目，重點闡述車身逆向工程技術的應用與流程。
1.概述
1.1 逆向工程技術的簡要描述
傳統(tǒng)以來，工業(yè)產品的開發(fā)均是遵循序列嚴謹的開發(fā)流程，從產品的功能與規(guī)格的指標確定開始，構思產品的零組件需求，再由各元件的設計、制造、檢驗、零件分裝、整機總裝、性能測試等程序來完成。這種開發(fā)模式，被稱為正向工程FE(Forward Engineering)。
近十幾年來，隨著測量技術、計算機軟、硬件技術的發(fā)展，有別于傳統(tǒng)正向工程的一門新技術正在蓬勃興起，這種技術在東南亞工業(yè)界已廣泛應用，它就是逆向工程RE(Reverse Engineering)。
所謂逆向工程就是指在沒有設計圖紙或設計圖紙不全、不完整以及沒有CAD模型的情況下，按照現有的目標產品模型，利用各種數字化技術重新構造零件三維CAD數學模型的過程，包括目標產品原型數字化和三維CAD模型重建兩個主要階段。
1.2 逆向工程技術在車身開發(fā)中應用的可能
眾所周知，車身的開發(fā)它需要大量資金的積累、技術的積累、人才的積累。我國汽車業(yè)尚沒有形成很強的研發(fā)能力，很多專家認為：過去多年我們走的開發(fā)思路，一是完全自主開發(fā)，一切從零開始，這種開發(fā)思路實踐證明不成功，因為我們沒有那么大規(guī)模支持，更沒有那么多的技術、管理積累；二是圖省事，簡單"拿來主義"，購買技術，這樣技術永遠掌在別人的手里，不可能形成自主開發(fā)能力。
逆向工程技術就是迅速解決提升我們汽車車身研發(fā)水平重要手段之一。我們提升汽車自主開發(fā)能力，趕上世界水平唯一的辦法，必須采取站在巨人的肩膀上，要消化、吸收、改進、創(chuàng)新。韓國、日本都曾經走這條路，他們不是簡單的把別人的車拿來裝配，而是真正地消化、吸收，通過消化、吸收學習，縮短與世界水平的差距，逐步培養(yǎng)起自己的自主開發(fā)能力，因此成為今天的汽車開發(fā)世界強國 。
逆向工程技術正是消化、吸收先進技術重要方法之一，尤其在車身開發(fā)方面，逆向工程技術是送我們走上巨人肩膀的強大武器。我們福田公司車身開發(fā)人員正是利用這先進技術開展了歐曼重卡車身的研發(fā)，并取得了成功。
2.車身逆向工程的原理與基本理論
2.1車身正向工程開發(fā)與車身逆向工程的原理
2.1.1車身正向工程開發(fā)過程
汽車車身正向工程開發(fā)走過了兩個歷史發(fā)展階段。一是20世紀70年代以前屬于傳統(tǒng)的正向開發(fā)，二是70年代末至今的計算機輔助設計正向開發(fā)。
現代的車身正向開發(fā)：隨著70年代末計算機技術的發(fā)展，計算機車身輔助設計逐步在車身正向開發(fā)中得到應用。現代的車身正向開發(fā)流程總的來說與傳統(tǒng)正向開發(fā)流程相似，但其中應用了大量的計算機輔助技術，具體如下流程：
車身正向開發(fā)流程
從上述流程圖可以看出，現代車身正向設計比傳統(tǒng)設計更加復雜，更加精細，其中最大特點應用計算機輔助技術，在造型階段應用CAS技術（Computer Aided Styling ）， 在模型制作階段應用計算機NC技術（Numerical Control），在總布置及結構設計階段采用三維CAD，在設計驗證階段采用了CAE（Computer Aided Engineering）以及R P（Rapid Prototyping）技術，在制造階段采用CAM（Computer Aided Manufacturing）。
2.1.2車身逆向工程開發(fā)流程
車身逆向工程開發(fā)，其基本思路是：經過廣泛選擇與對比分析，確定世界上最新推出的產品，且這種產品已獲得用戶的廣泛認同，以此車型作為我們要研究的模型樣車。一般來，汽車技術先進的公司，每推出新一代產品，它都蘊涵著該公司多年研究的最新技術成果，例如日本卡車車身每5~8年換代一次，通過研究，我們發(fā)現：每次產品換型都是一次技術飛躍。各公司都有各自的技術成果或是技術機密（Know-how），這些技術成果各公司都不會以任何技術方式向外公布或傳播。但通過對其新產品分析與研究，我們不僅能消化、吸收這些技術機密，還可以推出不低于模型樣車水平的新產品，這樣既彌補了我們全新車身產品開發(fā)經驗、開發(fā)驗證手段與方法不足的弱點，又可以使開發(fā)出來的產品水平不低于世界水平。
車身逆向開發(fā)的流程：
在車身逆向工程開發(fā)中，由于我們選擇了其它汽車公司的最新產品作為我們的目標參考樣車，我們將以此車身的基本架構作為不變的對象，但由于外觀知識產權的問題，以及本土化消費者欣賞觀點不同，我們不能直接沿襲參考車身，有必要對參考樣車做局部的造型調整與修改，這些工作與全新車身開發(fā)相比工作量小得很多，風險也小的多。這些工作如果做得好，不僅可以繼承參考樣車的優(yōu)點，還可以創(chuàng)新出差別化、規(guī)避知識產權等問題。實踐證明，完全可以做到"青出于藍而勝于藍"。
參考車身局部改型：在對參考樣車與車身做局部選型修改時，必須考慮不能影響原車身結構的可靠性、結構工藝性。盡可能延用原車身的結構分塊思想與聯接方式，對于運動部件要延用，并做出必要分析，這樣就可以繼承原車身的可靠性與工藝性，不產生風險。
模型樣車的測量、掃描：在參考樣車定位找正后，并按已確定的造型方案在局部用油土做1：1修改、評審通過后，用三坐標測量儀以及激光掃描系統(tǒng)對改型后的參考樣車進行內外表面測量、掃描，獲得車身內外表面三維點數據。
參考樣車車身拆解及測量掃描：由于參考樣車車身是一個裝配總成，要獲得所有零部件全面三維信息，必須對樣車"進行拆解"，一方面獲得每一個零件的全面數據，另一方面取得裝配（焊）工藝過程。
測量、掃描數據的處理：由于車身有些零部件很大，如側圍外板，激光掃描儀不能通過一次定位就可以取得全部數據，必須多次移位掃描，得到多個文件，把同一零件分多次掃描得到的文件合成。并將多余的數據除去，這是數據處理工作之一；此外，每個零件的邊緣及孔位信息，用掃描儀無法準確獲得，必須靠接觸測量獲得點文件，將點文件與掃描得到的"點云"式數據合成，這是數據處理工作之二；由于測量點文件與下一步表面曲面光順處理軟件格式的不一致，為了保證二者有正確對接，必須對文件格式轉換。
車身表面曲面光順處理及表面制作：經過掃描測量并處理后的文件是每一個零件的三維點文件，尚不能做為零件的全面數字化信息，尚存在很多缺陷，必須對其曲面進行光順處理，使得車身表面達到光滑、順暢。
車身零部件曲線、曲面重建：在表面光順及測量點的基礎上，根據原有零件特征，利用基于Bezier、B樣條、NURBS曲線、曲面理論設計而編制成的三維曲面建模軟件，對零件進行三維設計建模，從而獲得每一個零件全面的數字化信息，它可以做為零件加工的依據。
三維數學模型虛擬裝配與檢查：不同于正向工程，車身逆向工程中，很多零件可能由很多工程師同時進行曲面三維重新建模，為了保證這些零部件準確無誤地表達原參考樣車的裝配（焊）關系，必須在計算機中對各零部件數學模型進行虛擬裝配，以檢查協調各部件、零件之間的關系。
2.1.3車身逆向工程中的關鍵技術
從上述逆向工程流程可知，車身逆向工程中的關鍵技術在于兩個方面：一方面是實物模型表面數據獲取技術，即數字化掃描測量技術；另一方面是車身表面光順處理技術以及零件的曲面重建技術（曲面構造技術）。
這兩個方面技術及應用基礎理論，將在下面討論。
2.2車身逆向工程中測量技術
2.2.1各種三坐標測量系統(tǒng)的方法及原理
按照測量儀是否與被測樣品是否接觸，可將三坐標測量系統(tǒng)分為接觸式與非接觸式，具體分類見下圖。
在非接觸式測量系統(tǒng)問世前，硬式三坐標測量機（即CMM-Coordinate Measuring Machine）是逆向工程早期必備工具，它是一種機械式的系統(tǒng)，通過探針直接與被測物體接觸，得到三坐標信息。
非接觸式三坐標測量方法，它是利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現象來獲取其三維信息，如聲、光、電磁等。其中應用物理光學原理發(fā)展起來的現代三維形狀測量方法應用最為廣泛，如三角法等由于具有測量過程非接觸和測量迅速等優(yōu)點，越來越受到人們的重視。
激光干涉法是通過測量兩束相干光的光程差來計算物體的高度分布，測量精度相當高，但測量范圍小，抗干擾能力弱，不適合測量凹凸變化大的復雜曲面。激光衍射法的情況與干涉法基本相同，激光三角法原理是采用激光作為光源，照射到被測物體上，利用CCD（Charge Coupled Device）接受漫射光成像點，根據光源物體表面反射點、成像點之間的三角關系計算出表面反射點的三維坐標。此方法已經相當成熟，目前已廣泛使用。如果采用線光源，激光掃描測量方法可以達到很高的測量速度。英國3D SCANNER公司生產的REVERSA激光掃描頭掃描速度達15000點/秒，精度達到0.025mm。本文下面所述的福田重卡車身逆向工程，就是利用此技術。
結構光投影測量法被認為是目前三維形狀測量中最好的方法，它的原理是將具有一定模式的光源，如柵狀條投射到物體表面，然后用兩個鏡頭獲取不同角度的圖像，通過圖像處理的方法得到整幅圖像上像素的三維坐標，這種方法具有速度快、無需運動平臺的優(yōu)點。德國GOM公司ATOS光學掃描測量系統(tǒng)可以在1min內完成一幅包括430000點的圖像測量，精度可達0.03mm。但存在圖像獲取和處理時間長、測量量程短等問題。
莫爾等高線以及其他方法在車身逆向工程基本不用，本文就不作介紹。
2.3車身逆向工程中車身零件曲面建模的理論簡述
我們從車身逆向工程流程中可知，車身表面及其零件計算機三維造型建模是逆向工程工作的關鍵工作之一。
當今主要流行的三維CAD軟件如UG、IMAGEWARE、CATIA、I-DEAS、Pro/Engineer其自由曲面造型模塊，主要采用Bezier、B-Spline、NURBS作為數學理論基礎, 本文下節(jié)將對Bezier理論、B-Spline理論、NURBS理論做介紹。
2.3.1Bezier曲線、曲面理論
Bezier理論是1971年由雷諾（Renault）汽車公司工程師發(fā)展的一種以逼近為基礎的構造曲線和曲面的方法。Bezier曲線參數表達為
（0≤u≤1）
其中：Bi，u (u)為Bezier基函數 （即Bernstein基）
Pi為控制點
n為階數
u為參數值
i為頂數點
2.3.2B-Spline曲線、曲面數學模型
由于Bezier曲線缺乏局部控制的能力，70年便興起了有局部控制功能的B-Spline曲線，其曲面方程如下：
其中：
Pi為控制頂點
n+1是控制頂點數
Ni，p為B-Spline基函數
u為參數值
p為階數
B-Spline基函數不同于Bezier基函數之處是，它增加了節(jié)點向量在B-Spline基函數中的定義，使得當控制頂點改變時，只會影響部分曲線，因此具有較好局部控制性，此外通過改變控制點的位置或重置多個控制點于同一位置或選擇不同階次來改變曲線的形狀，階數越大控制點越遠離曲線而重置多個控制點則將增加控制點附近的曲率，重置控制點越多，使得曲線越接近控制頂點。
2.3.3NURBS曲線、曲面數學模型
NURBS曲線（Non-Uniform Rational B-Spline Cure）方程式如下：
式中：Pi為控制點
Ni,p（u）：為p階B-Spline基函數
wi：為加數值
u：參數值
p：為階數
Ri,p（u）為有理基函數，除了具有與B-Spline基函數相同的性質外，更多了加權值的影響力，由于加權值的加入，使得控制點對曲線、曲面的控制產生了不同比例的影響力，當加數值修改時會使曲線遠離或接近控制多邊形，使得曲線的控制有了更大的空間。
2.3.4Bezier、B-Spline、NURBS關系
現有的三維設計軟件UG、Pro/E、CATIA等，Bezier、B-Spline、NURBS數學模型是其基本、最常用的理論基礎，然而由以上可知，Bezier函數是B-Spline函數的一個特例，而當加權值為1時，有理基函數將變成B-Spline基函數，因此B-Spline函數是NURBS函數的一個特例。當加權值為1，又沒有內部節(jié)點存在時，有理基函數又變成Bezier基函數，成為NURBS函數的特例，因此對于NURBS曲線而言，改變加權值為與內部節(jié)點時，便可與Bezier函數與B-Spline函數相容，這個特性在不同CAD/CAM系統(tǒng)中，對于資料的交換是很重要的（見下圖）。
圖1 Bezier、B-Spline和NURBS的關系
2.4車身逆向工程中車身表面光順處理
在車身逆向工程中由于汽車車身覆蓋件（或模型表面）的三坐標測量得到的是龐大的離散點數據，缺乏必要的特征信息，另外往往存在數字化誤差，對離散點數據進行表面光順處理，是逆向工程中重要的工作環(huán)節(jié)，是決定車身表面質量的好壞重要標準。
2.4.1光順的概念
車身外形曲線曲面的設計既要保證良好的空氣動力學特征，又要符合汽車造型的藝術原則，總是要求生產出的汽車產品的外形是光順的。
光順是工程上的術語，包括光滑與順眼兩方面含義。光滑是指空間曲線和曲面的連續(xù)階，數學上一階導數連續(xù)的曲線即為光滑的曲線。而順眼是人的主觀感覺評價，不同的外形設計人員按照同樣的設計要求，可能設計出不同的曲線曲面，看起來同樣光順。
對于平面曲線，只要滿足下列三條要求準則，即成為光順的，即：1）曲線二階連續(xù)；2）沒有多余拐點；3）曲率變化均勻
對車身外表特征線，很多是空間曲線。對于空間曲線，目前尚沒有明確的光順性定義，我們只要把曲線投影到三個正交平面上（如車身的平面），用這三條投影曲線的光順性作為空間曲線光順性數據就可以了。
2.4.2車身曲線的光順
在車身逆向工程中，我們對模型樣車的車身零件三坐標測量，得到是龐大的離散點數據，進行車身表面光順是必不可少的。上面已論述過，曲面光順是很復雜的。導致曲面不光順主要原因在于組成曲面的曲線不合理、不光順。解決曲面光順的方法是選擇合理的曲面造型方案，保證組成曲面的曲線都是光順的。目前常用的光順方法有：能量法最小二乘法，圓率法，磨光法。（篇幅所限，不一一詳述）
工程中，我們在粗光順采用圓率法，精光順采用能量法。
車身曲線光順的步驟：1、尋找壞點，并修改壞點的坐標值；2、粗光順，使曲線上各段的曲率符號均一致，保證曲線的單凸或單凹性；3、精光順，使曲線上各段的曲率變化均勻，滿足光順的要求。由微分幾何理論可知，曲面凸性的判據是曲率。由高斯曲率幾何意義可知，當給定的主曲率大于零時，曲面在給定切平面的一側，曲面為凸平面。當給定的主曲率小于零時，曲面在給定切平面的兩側，給定點附近非凸。
2.4.3車身曲面光順
曲面光順應滿足在曲面上沒有多余的凸區(qū)和凹區(qū)。曲面可視為包容于若干縱橫截面線曲線網格中的實體。只要縱橫兩方向的任何截面線達到光順，那么光順的曲面就形成了。因而，如果對空間型值點陣{pi(xi,yi)}在縱橫兩方向分別進行光順處理，再得到的這線新的空間點陣形成曲面，就是光順曲面。
光順曲面的方法：先光順曲面的縱向曲線，在所有的縱向曲線光順完畢后，通過新的型值點生成橫向樣條曲線并光順。因光順橫向樣條曲線時，改變了某些型值點的位置，這樣會引起縱向樣條曲線的波動。這樣就要重新生成縱向樣條的曲線并重新光順曲線。這樣反復多次，直至所有的縱向、橫向樣條曲線都滿足曲線光順的準則，最后形成光順的車身曲面。
2.5車身曲線、曲面間處理的方法
前兩節(jié)中，我們論述了曲線、曲面的生成理論，以及曲線、曲面的光順理論與方法，依據這些理論和方法，我們可以得理想而光順的曲面，但這些只是單純的曲線與曲面。我們知道，無論車身外表，還是車身內部結構件本身均不是單純的曲面。車身零部件的復雜性，決定了它不能用一塊或幾個單純曲面來構成，它一般都是由幾十塊大小不等、形狀各異的曲面，通過一定的曲面間技術處理而得到。
車身零部件曲面間常見的處理方法有：曲面間拼接技術、過渡面生成、三角域曲面的生成、法向等距曲面生成、曲面間交線生成、車身任意特征線生成、車身曲線曲面的追加造型（含曲線寄生、曲面寄生、曲線的延拓、曲面的延拓、車身曲面加筋、車身曲面翻邊等）。（篇幅所限，不一一詳述）
3.車身逆向工程技術在福田重卡車身的應用過程
3.1掃描前的作業(yè)
3.1.1參考樣車的準備
參考樣車五臺: 一臺作為標準車，作為設計參考標本； 一臺拆解、作車身逆向工程測繪用；
一臺作為造型設計做1：1油土模型用,土模型允許對車身局部破壞，但不得使車身基準有變化；一臺作為模具開發(fā)單位提前對車身進行解體，對車身鈑金件提前進行沖壓工藝分析；一臺作為焊裝夾具設計制造單位解體、分析用。
3.1.2參考車身總成的掃描、測繪前定位、找正
① 定位、找正設備
② 車身初步找正
③車身坐標系的精確再定位
3.2 車身總成內外表面掃描、測繪（參見下圖2、3示例）
圖2進行外表面掃描 圖3激光掃描時監(jiān)控掃描數據
3.3車身焊接總成的拆解、掃描
3.3.1拆解前工藝模型架的制作（參見下圖4、5示例）
圖4工藝模型架制作 圖5已制作完成的工藝模型架
3.3.2大塊焊接總成工藝模型架的制作、車身總成拆解(參考圖6、7示例)
3.3.3大焊接總成及其另部件的補充掃描、測量 (參考圖8示例)
圖6鉆除焊點除去焊縫 圖7 用大力鉗夾緊焊接
圖8對各大總成再次進行掃描
3.4車身外表面的掃描數據處理及表面光順
工作流程：對上述步驟掃描數據進行處理→拼合掃描點云→以點云產生初步的表面→進行表面光順→表面分線。下面分別以福田重卡前圍外表面為例加以說明。（見圖9、10、11示例）
圖9拼合掃描點云 圖10以點云產生初步的表面
圖11 進行表面光順、分塊
3.5車身外表面表面光順的質量檢查
3.5.1利用計算機軟件曲面檢查功能進行表面質量檢查。
主要利用光順表面反射斑馬線、反射云圖、任意斷面線二階導數連續(xù)等。下面舉例說明福田重卡車身前圍板表面質量檢查情況，結果是斑馬線均勻、流暢，無多余褶皺，反射云圖自然、真實，任意斷面線二階導數連續(xù)，說明光順的表面計算機檢查通過。檢查圖片如下：
圖12水平斑馬線檢查 圖13水平斑馬線檢查
圖14反射云圖自然、真實
圖15 任意斷面線二階導數連續(xù)（橫向） 圖16 任意斷面線二階導數連續(xù)（垂直）
3.5.2銑削1：1樹脂外表模型評價
在用計算機軟件車身外表面光順的質量檢查合格后，為了更加詳細地評價表面光順處理的結果，確保表面光順處理以及表面分塊、縫線設計合理，一般須用光順后的三維數據NC加工1：1的外表面樹脂模型。福田重卡逆向工程車身的外表面樹脂模型見下圖：
圖17福田重卡逆向工程車身1：1外表面樹脂模型
3.6零部件曲面及結構三維重新建立
工作流程：對掃描數據進行處理→拼合掃描點云→以點云產生初步的表面→對雜訊點進行處理、刪除→根據處理后的點云以及零件特征，進行零件三維曲面、結構重建，得到零件的三維數學模型和線架構圖。下面以福田重卡前圍某零件為例說明。
圖18拼合后的掃描點云 圖19掃描點云生成初步的表面
圖20刪除雜訊點后的掃描點云
圖21根據點云建立零件的三維數學模型和線架構
3.7車身零件數模的虛擬裝配檢查較核
在車身所有零部件完成三維數學建模后，為了確保零部件裝配狀態(tài)良好，可以通過在計算機中進行虛擬裝配。通過虛擬裝配，檢查零部件可能存在的干涉和不應有的間隙，同時檢查裝配孔位配合情況。只有經過虛擬裝配檢查并沒有問題的另部件，才能開始建立二維圖檔，并且正式發(fā)布3D、2D設計文件，作為模具、檢具、夾具設計制造的依據。福田重卡車身總成虛擬裝配情況圖片如下。
圖22福田重卡車身總成虛擬裝配情況
4.結束語
福田公司成功地采用了車身逆向工程技術，僅用一年多的時間就開發(fā)出了造型新穎、結構領先、內外飾檔次高以及高可靠性的重型卡車車身（見圖23），此重型卡車車身，目前在國內具有領先水平，獲得北京市科技進步二等獎。2004年，福田歐曼重卡銷量已經成為國內重卡行業(yè)的四強之一。
通過逆向工程技術在福田歐曼重卡車身開發(fā)中應用的成功，進一步說明：車身逆向工程技術是目前我國建立和提升車身自主開發(fā)水平和能力的重要方法之一，也是我們能夠盡快地消化、吸收國際最新技術水平的捷徑之一，逆向工程技術在中國汽車車身開發(fā)中有著重要意義與價值。
圖23利用逆向工程技術開發(fā)的歐曼重卡車身
（轉載）
