基于逆向工程技术的列车零部件模型重建方法研究

赵勇力，李忠元，董成文，孙 超，张玉琢

（1.南车四方车辆有限公司，青岛 266111；2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 266111；3.中国铁道科学研究院 标准计量研究所，北京 100081；4.北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044）

基于逆向工程技术的列车零部件模型重建方法研究

赵勇力1，李忠元2，董成文3，孙 超3，张玉琢4

（1.南车四方车辆有限公司，青岛 266111；2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 266111；3.中国铁道科学研究院 标准计量研究所，北京 100081；4.北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044）

本文主要针对基于逆向工程技术的列车零部件模型重建的基本流程和实现方法进行论述。明确了列车零部件逆向重建的基本工作流程；根据列车零部件逆向重建工程特点确定采用的软硬件工具，并对列车零部件曲面重建主要工作过程和利用Catia V5R19具体实现方法进行重点论述，给出一些项目实施过程参考性意见，为逆向工程技术在其他相关行业应用提供了参考。

逆向工程技术；列车零部件；Catia；曲面重建

随着高速铁路的飞速发展和人们对列车环境舒适性要求的不断提高，列车零部件被更多的厂商进行加工制造，产品的多样性得到了很好的满足，但由于各厂商有不同的生产加工标准，也给列车的装配带来了很多问题。三维数字化技术能够让列车制造厂商在实际生产前对列车进行虚拟装配，为提高实际生产时列车的装配精度，防止生产问题的发生，节省资源等带来了很多便利。因此列车虚拟装配过程中，能否根据实物高精度的还原重构物件的三维模型成为工作关键。

逆向工程技术即反求工程，是从实物样本获取产品数学模型的一项重要技术，已经成为CAD/ CAM系统中研究和应用的热点[1]。它打破了传统正向工程的工作思路，从产品的引进、消化到吸收与创新的设计思路，按照从实物到设计目标，再到三维模型重构，最后进行再设计的工作流程，能够快速并精确的完成实物模型重构[2]，因此被广泛应用于机械、汽车、航空航天，医疗等各领域。本文主要针对逆向工程技术在列车零部件三维模型重构中的工程过程及相关技术方法进行研究。

1 列车零部件逆向工程过程和主要实现工具

1.1 一般逆向工程过程

逆向工程过程主要包括：数据采集、数据预处理、曲面重构、误差分析、曲面实体化等[3]，在实际应用中基本都遵循这个工作流程，有时也会根据实际应用需求进行变动。根据实际情况，列车零部件逆向建模工作过程也遵循一般的逆向过程，基本的工程过程内容如图1所示。

图1 列车零部件逆向工程过程图

1.2 列车零部件逆向工程过程工作内容

1.2.1 对列车零部件进行数据采集

对列车零部件进行数据采集是进行逆向处理的第一步，主要是利用数据获取设备对列车零部件实物进行数据采集。通常数据采集的方法主要包括接触式、非接触式和破坏式3大类[4]，每种采集方法都有特定的数据采集设备和应用范围。对于列车零部件，由于部件较多，器件较大，且必须是非破坏性的，因此对列车零部件数据的获取多采用光学扫描仪进行，这样不仅能够保证零部件的完好，而且扫描精度高，扫描速度快，很好的满足列车零部件数据扫描的基本要求。

1.2.2 采集数据的预处理

采集数据进行预处理是为后期工作提供方便，主要是优化数据，提供精简准确的点云数据，主要工作包括：

（1）对采集的实物数据进行合并。列车零部件的数据采集是分批完成的，特别是大型设备的采集是分区域完成的，因此需要对采集的数据进行合并，以保证实体数据的唯一性和完整性。

（2）对数据进行去噪处理。为保证数据的精确性，降低数据模型数据量，便于后期工作的进行，在对数据合并后需要进行去噪处理。

（3）数据简化和压缩。通过数据采集设备获取的汽车零部件设备原始数据量非常庞大，特别是将多次采集的数据进行合并后，数据量会成倍增加，因此为了很好的利用这些数据，提供处理速度，需要对这些庞大的数据进行数据简化和压缩处理，以便于后期应用。

（4）对缺损数据进行补洞。由于数据获取过程中，会存在部分表面被阻挡，扫描疏忽等原因，造成数据缺损的情况，进行补缺处理，可以保证数据的完整性。

数据预处理的好坏，直接影响后期曲面重构结果，因此在逆向工程实施过程中需要投入较大的工作量。

1.2.3 对数据模型进行曲面重建

根据对实物正向分析，使用设计工具获取到点云的几何特征线，利用几何特征线对点云数据进行分割，然后利用分割线对各曲面片进行拟合，再通过曲面的延伸、连接、相交、裁减、倒圆角等手段，将多个曲面片结合成一个整体，形成完整的曲面三维模型[5～6]。

曲面重建是列车零部件逆向工程过程中的基本实现目标，也是实现过程的重点和难点，是本文研究的主要内容。

1.2.4 模型误差分析

误差分析是逆向工程质量控制的重要手段，曲面重建过程中常用误差分析主要包括重构曲面与点云数据的距离误差分析和曲率分析。其中距离分析主要是测量重构曲面与被选取的点云之间误差数值等信息，以保证重构曲面与原始点云数据误差值在规定范围内。曲率分析主要是用来判断相邻曲面间的位置、切线、曲率等，以保证曲面的光顺性和连续性等[7]。

1.2.5 曲面模型实体化

在重构曲面达到重构设计要求后，根据实际需要对曲面模型进行增加壁厚、拔模等操作，将曲面模型转化为实体模型，便于加工处理以及实际生产应用。

1.3 列车零部件逆向工程过程应用的软硬件工具

1.3.1 列车零部件数据

列车零部件数据的采集主要涉及扫描仪硬件设备，这一过程采用了多种仪器进行，每种器件适用场合各不相同，有自己独特的扫描优势。

1.3.2 点云数据的预处理

点云数据预处理是进行后期工作的基础，可以与曲面重建过程分开，目前流行的多种逆向软件工具都能够很好的预处理功能。本研究根据项目需求特点主要使用Catia V5 R19进行点云的预处理工作。

1.3.3 曲面重建过程

采用Catia V5 R19进行曲面重建过程，该软件具有多个功能模块，具有强大逆向处理和造型设计等功能。

2 列车零部件逆向建模主要工作流程和方法

2.1 逆向建模的基本方式

逆向建模是逆向工程中的重要环节，主要是根据点云数据勾勒出模型特征曲线，通过曲线实现曲面重构。通常逆向建模方法分为两类：即传统曲面造型方式和快速曲面造型方式。

传统曲面造型方式遵循典型的逆向工作流程，即点—线—面。其中曲线是曲面重建的关键因素，曲线质量直接影响最终曲面模型质量。传统曲面造型方式能够根据破损不全的点云数据勾勒出模型，且模型重建质量能够达到A面要求，但对建模人员专业能力要求较高，而且对勾勒的特征曲线需要进行反复调整，比较费时费力。

快速曲面重建是利用专门的逆向工程软件，将点云数据经过人工干预实现快速多边形化，利用多边形化的模型直接进行曲面片拟合，从而形成需要的造型曲面[8]。这种方式最大优点是速度快，方法简单，能够达到G1连续曲面。缺点是对点云数据的质量要求较高，还不能很好的实现A面。

本研究中由于很多点云数据都存在较大的残损，绝大多数模型逆向建模过程中都存在再设计过程，且部分部件重建曲面质量要求较高，因此，主要采用传统曲面造型方式进行完成。Catia V5 R19恰恰能够很好的满足这些功能需求，列车零部件逆向建模过程各阶段工作都能够在Catia V5 R19不同功能板块完成，这样也便于设计人员集中一个软件工具的学习，节省工作时间，提高工作效率。

2.2 列车零部件逆向曲面重建工作过程

对列车零部件逆向曲面重建具体工作过程如图2所示。

图2 列车零部件曲面重建工作过程

Catia V5 R19为列车零部件曲面重构过程各阶段都提供了专门的功能模块，主要包括：数字图形编辑器（Digitized Shape Editor，DSE）、创成式外形设计、快速曲面重构（Quick Surface Reconstruction）等，曲面重建的每一阶段具体实现方法各不相同，涉及到的Catia V5 R19软件具体功能也不相同。

2.3 列车零部件点云数据预处理

同其它点云预处理的目的一样，列车零部件点云数据预处理主要是优化列车零部件点云数据，便于后续处理。Catia V5 R19提供的DSE功能模块能够很好的完成点云数据的预处理工作，主要工具包括对点云中的导入（Import），过滤（Filter），删除冗余（Remove），补洞（Fill Holes）以及点云网格化（Mesh Creation）等，利用这些命令可以便捷的完成点云数据的预处理。

对于体积较大的列车零部件，其点云数据是分区域扫描完成的，具有多块点云数据，在进行数据预处理前，需要对点云数据进行对齐合并处理，主要使用Catia的点云对齐功能进行完成。

为了提高点云数据预处理的效率和处理精度，也可使用Geomagic Studio、Imageware等专门的逆向工程软件进行对齐、合并以及补洞等预处理工作，将处理过的点云输出后再利用Catia再进行下一步处理，可根据具体项目情况进行灵活变通。

2.4 坐标对齐

坐标对齐与点云预处理一样是进行曲面重建的基础工作，具有良好坐标系统的点云数据能够为后续工作带来极大的便利。主要目标是将扫描时的点云三维坐标通过旋转、平移等操作，给点云建立一个符合实际需要的模型三维坐标。

使用Catia可以给点云及零部件实时的建立坐标系。利用点云数据中规则曲面，如平面、圆柱面等，通过点云数据拟合出坐标原点和x，y，z轴方向的直线。然后根据指定的原点和x，y，z直线，利用坐标命令新建用户坐标系，将新建的坐标系设置为当前坐标系，此时系统坐标就以用户指定的坐标系为处理坐标。

同样的，坐标对齐在其它逆向工程软件如：Geomagic Studio、Imageware等中都具备，也可使用它们进行完成，只是每种软件有自己独特的处理方法，可根据实际需要进行选择。

2.5 列车零部件的轮廓线勾勒

在对点云数据进行预处理和坐标对齐后，就可以对模型进行轮廓勾勒。利用Catia快速曲面重构模块的斜率分割命令或曲率分隔命令，将模型进行分片，找出模型粗略轮廓，然后根据粗略轮廓对模型特征线进行重构，将整个部件的点云数据连续曲面模型分割成若干个便于设计的较大曲面。

Catia曲线重构方法基本策略有两种：正向策略和逆向策略。

正向策略主要是根据模型粗略的轮廓，利用创成式外形设计和草图编辑器里提供的点、线、圆等基本绘图工具，尽量逼真的对模型轮廓重新勾勒，勾勒时即要尽可能与模型原始轮廓线无限逼近，又能根据实际情况重新调整、再设计模型的轮廓曲线。这种实现方式对于缺损或粗糙模型的重建和再设计具有很好灵活性，但在保证拟合精度和重建质量时需要设计人员具有良好的专业设计功底，工作过程较复杂，工作量较大。

逆向策略是利用快速曲面重构（QSR）模块提供的曲面分段、扫描获得曲线等功能直接根据粗糙轮廓生成3D曲线。这种方式对于点云数据较完整，数据精度较高的点云数据拟合的曲线效果较好，处理过程简洁，处理方法简单。但对于复杂的点云数据，特别是存在缺损或需要重构的点云，必须结合正向策略，利用创成式外形设计和草图编辑器等功能模块提供的工具对轮廓曲线进行调整，以实现模型完整的轮廓勾勒工作。多数情况下，正向和逆向曲线重建的策略都是相互结合，相互补充的，需要根据实际模型选择具体的工作过程和方法。

另外，对于较复杂的模型，在进行曲线重建时，需在同一坐标系下重新对数据点云进行分割，对分块点云进行轮廓线重构和曲面重建，最后在同一坐标系下对分块点云的曲面进行重新组装以获得所需的整个曲面模型。这与前期的点云合并是不矛盾的，点云合并主要是将扫描的点云数据进行合并，保证数据的完整性，而模型分块处理是根据模型自身特点、基本轮廓进行分块，有利于方便、快捷的完成曲线、曲面重建工作。

2.6 曲线曲率平滑

曲线平滑处理的基本原则是尽可能保证每条曲线都进行过平滑处理，在进行曲线设计时，同一平面内的多个曲面片轮廓线，如果能够使用一条3D曲线完成轮廓尽量使用一条曲线完成，然后根据每个曲面片的位置使用断开工具进行分段处理，这样既能满足曲面分片分割的需要，又能保证曲线的光顺序。

2.7 曲面生成

在搭建好良好的模型曲线轮廓后，利用快速曲面重构（QSR）和创成式外形设计功能模块提供的拉伸、扫掠、填充、多截面曲面、超级拟合、网格曲面等工具，对各曲面片进行重建，并利用桥接、延伸等工具将曲面片直接进行连接，实现完整、逼真的重建曲面。

在对存在对称特点的模型曲面进行重建时，可以根据对称特点拟合出一半曲面，然后利用对称、放射、平移等操作完整的实现整个模型曲面。另外，对可通过旋转、偏置等特殊效果生成的曲面也要注意使用，以提高曲面重建的效率和精度。对于拟合好的曲面还需要使用裁剪、修复、倒角处理等工具进行一步的优化处理。

2.8 误差分析

列车零部件拟合曲面的误差分析也需要进行距离分析和曲率分析两项工作。

距离分析主要是分析重建曲面与原始点云数据之间的误差，主要用来衡量拟合的曲面是否满足拟合误差要求。这里可以使用Catia快速曲面重建等模块提供的距离分析工具直接对拟合的区域与参照点云进行比对即可完成。

曲率分析是保证曲面质量的重要手段。高品质曲面的评判标准是曲线、曲面的光顺性。对同一点云数据，曲面光顺衡量准则主要包括：二阶几何连续；不存在奇点与多余拐点；曲率变化较小；应变能较小。曲线、曲面连接时构建方式主要包括：位置连续GO、斜率连续G1、曲率连续G2，其中G2效果是最佳效果，即所谓的A面，图3为曲线对应的曲率分析图。

图3 曲线曲率分析图

在实际过程中，拟合的曲面尽量向G2靠拢，但很多情况达到G1的连续性效果即可满足需求。

点云模型轮廓的划分方法和曲线拟合的质量是影响曲面拟合质量的重要因素，因此在实际工作过程中，点云轮廓线的实现是整个工程中的核心。

3 列车零部件逆向建模效果

列车零部件曲面重建工作是一个十分庞杂的工作，每种类型的零部件，甚至同一个零部件都有多种不同的处理方式和操作方法，但基本工作流程、工作重点和工作规则相似。每个工作人员根据数据模型拟合的曲面效果受其专业背景和工具熟练情况的限制，但是只要严格按照以上工作流程进行，拟合的轮廓线较为工整，拟合的曲面模型满足误差和曲率的要求，则该曲面模型的重建工作就是成功的，图4是按照以上曲面重建过程实现的列车零部件重建曲面模型。

4 结束语

图4 列车零部件重建曲面模型图

本文主要对逆向工程技术在列车零部件三维模型重建中的应用方法进行研究，介绍列车零部件模型逆向重建过程的基本流程和基本方法，对Catia V5 R19具体实现方式进行详细论述，明确了列车零部件逆向工程过程和曲面重建的工作重点和注意事项，并根据项目实际情况提出一些可行性建议，为列车零部件的重建及其他相关行业工业生产的实际需要提供了参考和借鉴。

[1] 成思源，谢韶旺. Geomagic Studio逆向工程技术及应用 [M].北京：清华大学出版社，2010.

[2] Varady T, Martin R R， Cox J. Reverse engineering of geometric models-an introduction [J]. Computer-Aided Design, 1997, 29(4): 255-268.

[3] 成思源. 逆向工程技术综合实践[M].北京：机械工业出版社，2010.

[4] 王 霄，刘会霞. CATIA逆向工程实用教程 [M].北京：化学工业出版社，2006.

[5] 王 庆，梁 刚，张 智. 基于CATIA的逆向工程在汽车车身设计中的应用[J].贵州工业大学学报：自然科学版，2005，34（6）：92-96.

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[7] 余国鑫. 逆向工程曲面重建技术的研究与应用[D]. 广州：广东工业大学，2008.

[8] 王银冰，黄皖苏，屈新怀，等. 基于CATIA的逆向工程中的曲面重建[J].现代机械，2005（6)：65-66.

责任编辑 陈 蓉

Train parts model reconstruction method based on reverse engineering

ZHAO Yongli1, LI Zhongyuan2, DONG Chengwen3, SUN Chao3, ZHANG Yuzhuo4
( 1.CSR Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China; 2.CSR Qingdao Sifang Locomotive & Rolling Stock Co., Ltd. , Qingdao 266111, China; 3. Standards and Metrology Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 4. School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

This paper mainly focused on the basic process and implementation approach of train parts model reconstruction, and demonstrated the basic working process of the reverse reconstruction of train parts. It was chose hardware and software tools according to the characteristics of the train parts reverse reconstruction, described the main process of train parts surface reconstruction and concrete realization with Catia V5R19. This paper also put forward some suggestions for the project implementation process, supplied reference opinions for the reverse engineering technology and other related industries.

reverse engineering; train parts; Catia; surface reconstruction

U270.2∶TP39

A

1005-8451（2015）06-0009-05

2015-01-02

国家科技支撑计划（2015BAG12B01）；国家自然基金项目（51305021，U1234205）。

赵勇力，工程师；李忠元，工程师。