搜索
汽车造型设计的基于逆向工程的研究机械设计制造及其自动化（汽车工程）郑凯翔扬州大学机械工程学院第一章绪论进人20世纪90年代以来,汽车作为现代的一种交通运输工具,在国民经济、人民生活中起着重要的作用。在繁荣的背后中国汽车业依然脆弱,尽快建立中国汽车工业的技术开发体系,形成自主开发产品的能力,将关系到汽车工业发展的全局和长远规划。而逆向工程技术能够快速吸收国外汽车车身设计的先进技术，快速响应市场，提高我国自主设计开发汽车的能力。1.1逆向工程的学术背景逆向工程，通俗的说法叫“抄数”，它是与“正向工程”相对而言的，它是将现有产品或实物模型转变为CAD模型的数字化技术、几何模型重建技术以及产品制造技术的总称。逆向工程从现有的，己经研究开发出来的优秀产品或样件出发，在对产品或样件的设计思想和理念充分吸收后，对样件原型进行三维坐标数据采集，继而对采集的数据进行数据处理，然后进行模型重构，得到实物样件的数字化模型，并在此基础上进行生产加工或二次开发，进行创新设计。逆向工程设计是有别于传统的正向设计过程的，它是一个“认识原型一再现原型一超越原型”的过程。1.2课题背景及选题依据在汽车工业不断发展的今天，计算机新技术的不断应用及人们消费需求的不断变更，促使汽车产业界要努力缩短产品生命周期，不断除陈推新。这就对汽车车身及各零部件的设计工作提出了更高的要求。在传统开发中，工业产品均是循着序列严谨的研发流程，从功能与规格的预期目标确定开始，构思产品的零组件需求，再由各个组件的设计、制造以及检验零组件组装、检验整机组装、性能测试等程序来完成。每个组件都保留有原始的设计图，现在已用电子的CAD图档来保存。顺向设计已突显其耗时、耗力，产品生命周期长，成本高昂的缺点。另外，产品的客户需求个性化，也使得传统设计方法力不从心，很难直接通过数学模型来建立其结构;不能适应对产品快速修改、个性多样的特点。在这样的背景下，逆向工程应运而生。第二章逆向工程技术在车身设计中的优势及发展现状传统的车身设计主要分为初步设计和技术设计两个阶段，整个开发过程是从制作1:5的油泥模型和全尺寸的立体模型开始的，然后设计人员要根据油泥模型绘制出所有车身图纸和模具加工图纸。设计过程所遵循的顺序是山外及内，山模型到图纸。整个设计过程是通过实物、模型、图纸和样板来传递信息的。2.1逆向工程技术在车身设计中的优势缺点:任何设计细微的改变，都将导致主模型和大量图纸的修改，增加工作量，延长开发周期;单向不可逆的过程，车身如果定型，想要修改又将是极其繁琐的。逆向工程也叫反求工程，是把实物转化为CAD模型数字化技术、儿何模型重构技术和产品制造技术的总称。主要包括三个过程:数据采集、数据处理、曲面拟合重构。避免传统的车身设计方法中每个设计阶段都要反复进行的平面图形和立体模型制作的过程，以致新产品的开发设计周期长、工作量大。2.2逆向工程的国内外现状逆向工程这一概念是在20世纪80年代初分别由美国3M公司、日本名古屋工业研究所和美国UVP公司提出的。自从20世纪80年代产生以来，逆向工程技术以其显著的优势收到学术界和工业界的越来越多的重视。在测量方法和测量设备方面，传统的三坐标测量机，在速度和精度方面不断提高。在曲线曲面重构理论方面，将Bezier和B样条理论融合到NURBS中，这使得NURBS曲面造型方法成为现代主流设计方法。在逆向工程软件方面主要有美国EDS公司出品的Imageware软件和英国DelCam公司的CopyCAD等。在我国，逆向工程技术是90年代后期才迅速发展和推广的。虽然我国在逆向工程理论研究和软件开发方面与国外先进水平尚有一定差距，但是国内逆向工程技术在多个不同行业的广泛推广应用取得了很大成绩。2.3逆向工程分类几何反求技术主要包括三个方面:实物反求、软件反求和影像反求。目前研究较多的是实物反求技术。1、实物反求:在已知现有的产品、样件、模型等实物的条件下，通过一定的测量设备和测量方法，提取出实物的表面信息。然后利用模型重构技术再现实物的CAD模型。2、软件反求:在缺乏产品样件实物的情况下，可以利用现有的软件信息(如使用说明书、技术文件、图纸、关于标准和规范说明的文档等)进行分析研究，最终获得产品的几何模型。3、影像反求:所谓影像反求就是根据产品照片或影视画面等影像信息，生成产品的三维几何模型。影像反求技术目前发展还不太成熟，处于成长阶段。2.4逆向工程研究意义与研究内容意义(1）在CAD模型设计阶段，运用逆向工程可以快速设计出符合市场需求的车身外形。(2)在CAD设计后期通过有限元分析可以基本掌握车身的各方面信息，可以实现车身的轻量化设计，节约成本、降低油耗。此外，通过有限元分析后，汽车公司可以根据自己的市场定位对汽车进行必要的更改。内容（1）基于逆向工程的汽车车身数据测量技术。（2）基于逆向工程的汽车车身数据处理技术及CAD模型重构。（3）车身有限元建模。（4）汽车车身有限元分析。第三章逆向工程及其关键技术“逆向工程”这个名词最早出现在对硬件产品的分析中。人们分析硬件产品以便改进自己的产品,或出于军事目的分析敌方的产品,或者出于商业目的分析竞争对手的产品,从而产生了关于硬件产品的逆向工程这个概念.M.G.RekoffJr将逆向工程定义为:对一个复杂的硬件系统实施有条理的检查,以开发出关于这个系统的一组规范说明的过程。软件工程的概念是大家熟知的,与软件工程密切相关的三个概念是正向工程、逆向工程、再工程。这些概念由CrossandChikofsky1990年提出。3.1逆向工程概述值得说明的是,在对一个系统实施逆向工程时,并不改变这个系统本身,也不包括在此系统上构建新的系统的过程。逆向工程对系统实施的是一个检查过程,它把正向工程作为要逆转的对象。3.1.2逆向工程在引进技术中的应用所谓逆向工投(ReverseEngineering,RE)，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程，它的设计流程如图2所示。概括地说，正向设计工程是由概念到CAD模型，再到实物模型的开发过程;而逆向工程则是由实物模型到CAD模型的过程，对实物模型进行三维数字化处理，构造实物的CAD模型，并利用各种成熟的CAD/ACE/CAM以及CIMS等先进技术进行再创新设计。关步骤和方法一、车身模型的测量比如对于图1所示的吉普车车身，采用非接触测量的方法只需要一两天的时间即可。为了提高测量的效果和精度，一般要在车身上喷上显影增强剂，如图2所示。1.车身模型坐标系的确定对于轿车车身，一般以汽车前轴的中心为坐标原点，向后为X轴，向右为Y轴，向上为Z轴。具体的做法是将车身支撑固定在单臂或双臂的划线机(三坐标测量机)，如图3所示。2.贴车身Mark点Mark标记点实际上是后序测量的点云片的拼接所用的定位点，如图4所示。3.测量车身Mark点4.车身曲面片测量二、车身点云的数据处理1.数据预处理2.点云的渲染图9点云数据精简图10渲染效果三、车身曲面逆向工程设计(1)车身坐标系的确定(2)分析被测量车身的部位与功用(3)分析是否变形(4)要从全局来分析曲面的大小(5)整体考虑(7)车身曲面的细节处理(6)车身曲面的评价与修改3.1.3逆向工程关键技术分析逆向工程设计方法是汽车车身设计过程中的一个重要环节，也是一种快速设计的工程方法。逆向工程设计主要包括如下过程：三维测量获得点云数据、数据处理、特征的提取、曲面重构和曲面评价等。3.2逆向工程分析技术与测量方法3.2.1静态数据采集方法静态信息的获取多数逆向工程工具中静态分析部分都是采用现成的工具完成的。有关这方面的工具很多,如Rigi,RationalRose，Panorama提供的OO2Browser,OO2Diagrammer,OO2Analyzer及OO2SQA各类编译器。3.2.2动态数据采集方法动态分析部分主要有3种实现方式（1）采用在源代码中植入(instrument)语句我们称之为植入法。目前各种工具中收集动态信息主要采用这种方法。（2）采用调试器获取动态信息（3）在二进制码中植入信息这方面的工具如TheAtomInstrumentor3.2.3数据测量方法概述反求技术所采用的测量方法主要有两种:接触式测量法和非接触式测量法。接触式测量方法：接触式测量是指利用接触式测量设备对实物外表面进行数据采集。接触式测量方法根据测量原理的不同分为点位触发式数据采集和连续式数据采集两种。非接触式测量方法主要有以下几种:投影光栅法、超声波法、工业CT扫描法、逐层切削照相测量、深度图像三维测量法、核磁共振法(MRI)、自动断层扫描法等。3.3数据采集的测量规划1、建立统一的测量坐标系。2、对复杂零件进行分块测量时，按照规则与不规则曲面进行划分。3、重点进行自由曲面部分的测量规划。3.4逆向工程测量设备三维扫描仪的主要代表为：德国GOM公司独家研制的ATOS流动式光学扫描仪，是目前市场上最为先进的非接触式三坐标扫描设备。图2.1所示为本课题所采用的全自动三坐标激光测量机。3.4逆向工程测量原理Comet3D扫描仪结合了结构光技术和计算机视觉技术而形成的复合三维非接触测量技术，其工作原理图如图2-2所示。3.5.1点数据预处理基于离散点云数据的三维建模过程,实质上就是点云数据的处理过程。其通用手段有数据调整、复制区域修剪、数据密度修改、数据光顺、尖角保留等。通过此模块可以对点云数据进行识别、修剪、密度修改、优化(包括数据调整、数据光顺和尖角保留)等操作,最后得到很精确的点云数据。3.5.2三维曲面重构技术、曲面光顺、曲面拼接建立模型的好坏取决于曲线、曲面拟合是否光顺及曲面连接是否光滑,曲线、曲面的光顺特别重要。光顺曲面的方法是:先光顺曲面的纵向曲线,然后通过新型值点生成横向样条曲线并光顺,重新生成纵向样条曲线并光顺,直至所有纵向、横向样条曲线都满足光顺准则,最后利用光顺的纵向、横向样条曲线构造出光顺曲面。建模后可通过Pro/E中的View/advanced→Photorender进行渲染处理及Analysis→ModelAnalysis/CurveAnalysis/SurfaceAnalysis分析方法来检验所建立的模型、曲线和曲面的合理性和精确度。在用快速成形方法制成成品后,利用自动检查设备(如激光测量仪)对成品进行检查,取得数据,再利用Pro/Verify模块对设计模型进行比较,检查复杂产品的制造精度。第四章逆向工程在汽车覆盖件开发中的研究车身覆盖件逆向设计的关键技术主要包括实物样品模型表面点云数据获取技术、数据预处理技术和车身覆盖件曲面重建技术。4.1.1汽车覆盖件基本概念车身覆盖件为研究对象，结合逆向工程技术，研究了车身覆盖件测量和三维重构的方法。针对车身覆盖件曲面造型和数字化检测这两个热点，通过激光扫描获取点云，以轿车翼子板为例，分别介绍了对于覆盖件的测量、点云的获取、点云预处理及曲面重构。4.1.2逆向工程技术在汽车覆盖件开发中的作用1.在汽车车身造型设计的应用中，逆向汽车产品开发流程中，油泥模型师根据效果图制作的油泥模型冻结后，使用三维扫描仪对油泥模型进行测量，生成点云数据，工程师根据点云使用逆向工程软件来构建外表面。2.在逆向汽车产品开发中，逆向工程技术应用在对标杆样车的数字化上。3.逆向工程技术应用于夹具、检具的制造验收检验。5.数字化模型的检测。4.逆向工程技术在汽车模具中的应用。4.2逆向工程在汽车覆盖件开发中的应用研究4.2.1汽车覆盖件数据采集的前期准备(1)准备工作扫描的部位进行表面处理，在物体外表面均匀地喷洒乳白色显像剂，然后在上面贴参考点、数码点和放置经过标定的长度尺（如图1）。利用所有参考点的三维坐标准确定位，从而减少拼合误差。(2)ATOS系统的校准(3)车身覆盖件点云数据获取4.2.2汽车覆盖件数据处理工作方面数据处