毕业论文——电动汽车构件逆向工程设计及快速成型

电动汽车构件逆向工程设计及快速成型专业班级： 学生学号：学生姓名：指导老师： 年 月华东交通大学毕业设计（论文）任务书姓名学号毕业届别专业班级机制2012-4毕业设计（论文）题目电动汽车构件逆向工程设计及快速成型指导教师学 历职 称主要任务及要求：（1）电动汽车车身构件的三维数据测量。根据测量对象的特点确定扫描方法以及扫描设备，利用ATOS II三维光学扫描仪来获取零件实物表面点的三维坐标值。（2）点云数据的处理。点阶段的主要工作，包括去除杂点、体外非连接项体外孤点和孤岛，降低噪音，封装等（3）曲面造型及实体造型的重构。通过Goemagic studio 12 完成电动汽车车身结构件点云数据的曲面重构，在Pro /ENGINEER5.0中对曲面进行实体化及细节处理。（4）重建CAD模型的检验与修正。由于测量得到的数据点往往存在一些数字误差，所以需要对曲面或曲线进行光顺处理，提高曲面质量。另外还要检验重建的CAD模型是否满足精度或其他实验性能指标的要求，对不满足要求的应进行适当的调整修改，直至达到零件的设计要求。（5）快速成型件的制作。在构建电动汽车车身构件产品的CAD模型后，通过FDM快速成型工艺实现电动汽车车身构件产品模型件的制作。进度安排：1、2016年2月28日至2016年3月10日，收集并阅读相关资料，深入了解逆向工程原理及应用领域，自学并掌握逆向工程软件Geomagic studio12的应用，并完成开题报告；2、2016年3月10日至2016年3月28日，完成电动汽车结构件三维点云数据的测量；3、2016年3月28日至2016年4月18日，对电动汽车结构件点云数据进行预处理；4、2016年4月18日至2016年4月28日，通过Geomagic studio 12重建电动汽车结构件CAD模型，在Pro /ENGINEER5.0中对曲面进行实体化及细节处理；5、2016年4月28日至2016年5月20日，打印出电动汽车结构件模型件；6、2016年5月10日到2016年5月30日，毕业论文修改、整理。指导教师签字：年 月 日系（部）意见：同 意系（部）主任签章：年 月 日题目发出日期设计（论文）起止时间附注：华东交通大学毕业设计（论文）开题报告书题 目电动汽车构件逆向工程设计及快速成型课题来源课题类型导师学生姓名学号专业机械设计制造及其自动化一、目的及意义目的：随着国民经济的飞速发展，传统的产品开发模式已不能满足经济社会的市场的需求。传统的产品开发过程遵循正向工程（或正向设计）的思维，从市场需求信息着手，按照“产品功能描述（产品规格及预期目标）产品概念设计产品总体设计及详细的零部件设计制定生产工艺流程设计、制造工夹具、模具等工装-零部件加工及装配产品检验及性能测试”这样的步骤开展工作，是从未知到已知、从抽象到具体的过程。现在我国虽然是一个制造大国，但仍然不是一个制造强国，沿海很多中小型企业都是为外国大企业进行贴牌制造生产，没有自己的产品，这样很难适应如今的国际经济形势。所以国家提出技术创新，要有自己的设计、创新的产品，并且要不断地推陈出新。采用逆向工程技术，可以直接在国内外已有的先进产品基础上进行性能分析、设计模型反求、再设计优化制造。这次电动汽车车身的设计不是通过常规的方法设计，而是基于先进的制造技术逆向工程，一个“从有到无”的过程，为电动汽车车身设计技术的迅速发展起着至关重要的推动作用。这样，不仅可以更好地消化和吸收国外先进技术，赶超发达国家，扩大在世界经济市场的占有份额，赢得更多的利润，而且可以打破西方国家对我国进行的技术封锁，从而研制出更先进的产品，以提高我国的综合国力。意义：随着计算机、数控和激光测量技术的飞速发展，逆向工程已经成为航空、航天、汽车、船舶、和模具等工业领域最重要的产品设计方法之一，是工程技术人员通过实物样件、图样等快速获取工程设计概念和设计模型，实现快速产品创新设计的重要途径，实物原型的再现仅仅是逆向工程的初步阶段，在此基础上进行的基于原型的再设计、再分析、再提高，从而实现重大改型的创新设计，使我国企业缩短与发达国家的差距，具有特别重要的意义。逆向工程技术在我国，特别是以生产各种汽车、玩具配套件的地区、企业有着十分广阔的应用前景。同时，对于机械类学生而言，掌握逆向工程设计技能，对今后从事机械设计及制造的工作也有现实的指导意义。二、主要内容和重点工作本文主要的内容如下：1. 根据电动汽车车身构件具有形状复杂空间曲面的特点，采用非接触式激测量扫描方法获取其三维点云数据。2. 通过Goemagic studio 12 完成电动汽车车身结构件点云数据的曲面重构，在Pro /ENGINEER5.0中对曲面进行实体化及细节处理。3. 在构建电动汽车车身构件产品的CAD模型后，通过FDM快速成型工艺实现电动汽车车身构件产品模型件的制作，用以评价产品的结构合理性及外观审美性及整个逆向工程的质量。本文重点工作如下：电动汽车车身结构件的三维测量。重构电动汽车车身构件模型。电动汽车车身构件的快速成型。三、方法及预期目标完成电动汽车结构件的逆向工程及快速成型的基本过程，熟悉工业制造生产过程中逆向工程在产品设计的过程中的应用及具体流程，掌握逆向工程软件Gomagic studio12的基本操作，及快速成型在新型制造业中的应用，重点掌握作为设计人员一种新的逆向创新设计思维的技能。四、计划进度1、2016年2月28日至2016年3月10日，收集并阅读相关资料，深入了解逆向工程相关文献及应用领域，自学并掌握逆向工程软件Geomagic studio12的应用，并完成开题报告；2、2016年3月10日至2016年3月28日，完成电动汽车结构件三维点云数据的测量；3、2016年3月28日至2016年4月18日，完成电动汽车结构件点云数据的处理；4、2016年4月18日至2016年4月28日，通过Geomagic studio 12重建电动汽车结构件CAD模型，在Pro /ENGINEER5.0中对曲面进行实体化及细节处理；5、2016年4月28日至2016年5月10日，按比例制作电动汽车结构件的快速成型件；6、2016年5月10日到2016年5月30日，绘制相关工程图；毕业论文整理，修改完善。五、参考文献1 张学昌.逆向建模技术与产品创新设计M北京：北京大学出版社.2009.9.2 成思源等.Geomagic Design Direct逆向设计技术及应用M.电子工业出版社.2015.2.3 成思源等.Geomagic Qualify三维检测技术及应用M.北京：清华大学出版社.2012.4.4 成思源.逆向工程技术综合实践M北京：电子工业出版社.2010.10.5 成思源.Geomagic studio逆向工程技术及应用M.北京：清华大学出版社.2012.4.6 陈雪芳等主编.逆向工程与快速成型技术应用M北京：机械工业出版社.2009.7 祖文明.逆向工程技术的应用及国内外研究的现状及发展趋势J.价值工程.2011.8 肖乾等主编.Pro/ENGINEER Wildfire5.0中文版实践教程M北京：中国电力出版社.2012.2.9 刘晓宇编著.Pro/ENGINEER逆向工程设计完全解析M.北京：中国铁道出版社.2010.10 刘德平，陈建军.逆向工程关键技术研究M.机械制造，2005，（6）.11 刘志军.基于三坐标测量机的点云数据测量规划研究J.黑龙江科技信息，2008，（20）.12 袁平.逆向工程技术研究与工程应用J.昆明理工大学，2002.13 刘伟军，孙玉文.逆向工程（原理方法及应用）M.北京：机械工业出版社，2009.14 赵萍，李景阳.逆向工程中数字化测量方法及其应用J.机械设计与制造，2009.15 李江熊，柯映林，程耀东.基于实物的发展曲面产品反求工程中的CAD建模技术J.中国机械工程，1999,10（4）：390-393.16 李中海.反求工程中拟合曲面连续性的研究.沈阳工业大学硕士学位论文，2005.17 林峰，巫少龙，周建强.逆向工程及其关键技术J.CAD/CAM与工业信息化，2003（9）.18 王广春.快速成型技术与应用M.北京：机械工业出版社.2012.1.19 杨振贤,张磊,樊彬等.3D打印:从全面了解到亲手制作M北京：化学工业出版社2015.12.20 邱志惠,卢秉恒Pro/ENGINEER建模实例及快速成型技术M西安电子科技大学出版社.2005.2.21 H.-C.Kim,S.-M.HurandS.-H.Lee, Segmentation of the Measured Point Data in Revers.指导教师签名： 日期：注：课题类型请填写相应代码，如AY，BX等，其中（1）A工程设计；B技术开发；C软件工程；D理论研究；（2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题。本科毕业设计（论文）指导教师评分表学生姓名学号专业年级机制2012-4设计（论文）题目电动汽车构件逆向工程设计及快速成型序号评价指标满分评分标准ABCDE1选题难度、综合性及完成的工作量2020-1817-1615-1413-1211-02调研、资料收集与整理、图纸、程序、设计、试验等工作完成质量2020-1817-1615-1413-1211-03研究过程中表现出的理论水平、分析问题和解决问题的能力1010-98765-04研究过程中反映出来的创造性（改进或独立见解）、以及组织能力或团队合作能力等1010-98765-05研究过程中的工作态度、严谨的科学精神等1010-98765-06说明书、论文、试验报告等书写质量（内容完整性和结构合理性、图表规范性、语句通顺性等）2020-1817-1615-1413-1211-07外文翻译（数量和质量）1010-98765-0是否同意该设计（论文）提交答辩：是（ ） 否（ ）总分补充说明：指导教师（签名）： 年 月 日指导教师姓名职称或学位工作单位主要讲授课程或研究方向注：1、请给出每项评价指标的得分（整数），并计算总分；2、总分优秀（90分）比例原则上不超过20%，优良（80分）比例原则上不超过60%；3、总分低于60分，或评价指标1、2、6中有一项为E级得分时，不得提交答辩；4、补充说明栏不够用时可另加附页。本科毕业设计（论文）评阅人评分表学生姓名学号专业年级机制2012-4设计（论文）题目电动汽车构件逆向工程设计及快速成型序号评价指标满分评分标准ABCDE1选题难度、综合性及完成的工作量2525-2322-2019-1716-1514-02调研、资料收集与整理、图纸、程序、设计、试验等工作完成质量2525-2322-2019-1716-1514-03毕业设计（论文）中表现出的理论水平、分析问题和解决问题的能力2020-1817-1615-1413-1211-04毕业设计（论文）中反映出来的创造性（改进性或先进性）1010-98765-05说明书、论文、试验报告等书写质量（内容完整性和结构合理性、图表规范性、语句通顺性等）2020-1817-1615-1413-1211-0是否同意该设计（论文）提交答辩：是（ ） 否（ ）总分补充说明：评阅人（签名）： 年 月 日评阅人姓名职称或学位工作单位主要讲授课程或研究方向注：1、请给出每项评价指标的得分（整数），并计算总分；2、总分优秀（90分）比例原则上不超过20%，优良（80分）比例原则上不超过60%；3、总分低于60分，或评价指标1、2、5中有一项为E级得分时，不得提交答辩；4、补充说明栏不够用时可另加附页。本科毕业设计（论文）答辩委员会评分表（小组答辩使用）学生姓名学号专业年级机制2012-4设计（论文）题目电动汽车构件逆向工程设计及快速成型序号评价指标满分评分标准ABCDE1自述：条理性、正确性2020-1817-1615-1413-1211-02问题回答的能力：正确性、概括性、逻辑性2020-1817-1615-1413-1211-03毕业设计（论文）质量：方案的合理性、内容的正确性、结论的可靠性3030-2726-2423-2120-1817-04完成的工作量3030-2726-2423-2120-1817-0是否同意或推荐参加学院公开答辩 是（ ） 否（ ）答辩成绩答辩委员会特殊说明：负责人（签章） 年 月 日注：1、本表填写答辩小组各成员给出的平均成绩；2、分项分数保留一位小数，答辩成绩由各分项成绩求和后四舍五入取整数；3、指导教师或评阅人之一不同意提交答辩者，不得进行小组答辩；根据整改情况和个人申请，答辩委员会应做出是否同意其参加学院公开答辩的决定。毕业设计（论文）最终成绩（参加公开答辩的同学不填写本表）指导教师评定成绩（40%）评阅人评定成绩（30%）答辩成绩（30%）百分制成绩（ ）优秀总评成绩原则上应90分，且人数应控制在专业总人数的20%以内（ ）良好总评成绩原则上应80分，且优良率应控制在专业总人数的60%以内（ ）中等总评成绩原则上应70分（ ）及格总评成绩60分（ ）不及格总评成绩60分或答辩成绩60分答辩委员会主席（签章）本科毕业设计（论文）答辩委员会评分表（公开答辩用，未参加学院公开答辩的同学不填写本表）学生姓名学号专业年级机制2012-4设计（论文）题目电动汽车构件逆向工程设计及快速成型序号评价指标满分评分标准ABCDE1自述：条理性、正确性2020-1817-1615-1413-1211-02问题回答的能力：正确性、概括性、逻辑性2020-1817-1615-1413-1211-03毕业设计（论文）质量：方案的合理性、内容的正确性、结论的可靠性3030-2726-2423-2120-1817-04完成的工作量3030-2726-2423-2120-1817-0答辩成绩答辩委员会特殊说明：负责人（签章） 年 月 日注：1、本表填写答辩委员会各成员给出的平均成绩；2、分项分数保留一位小数，答辩成绩由各分项成绩求和后四舍五入取整数。3、答辩成绩小于60分时应视为答辩未通过，毕业设计（论文）成绩按不及格处理。毕业设计（论文）最终成绩（未参加公开答辩的同学不填写本表）指导教师评定成绩（40%）评阅人评定成绩（30%）答辩成绩（30%）百分制成绩（ ）优秀总评成绩原则上应90分，且人数应控制在专业总人数的20%以内（ ）良好总评成绩原则上应80分，且优良率应控制在专业总人数的60%以内（ ）中等总评成绩原则上应70分（ ）及格总评成绩60分（ ）不及格总评成绩60分或答辩成绩60分答辩委员会主席（签章）注：参加公开答辩的同学，答辩成绩以公开答辩成绩为准，小组答辩成绩一并保存。Error! No text of specified style in document.电动汽车构件逆向工程设计及快速成型摘要电动汽车车身外观结构件多采用流线型设计，车身外壳由诸多块复杂的空间曲面拼接而成。空间曲面通常难以用传统制图方法表示清楚，在传统车身设计的方法中，车身的结构信息和设计参数传递是借助二维图纸和三维模型来进行的，这就使得汽车车身设计开发技术难度大，周期过长，成本高昂，无法响应竞争日趋剧烈的市场需求。本文采用逆向设计的方法对电动汽车车身构件进行研究，采用ATOS II三维光学扫描仪扫描得到车身构件的点云数据，在逆向工程软件Goemagic studio 12上对电动汽车车身的点云数据进行处理，并完成车身曲面的重构工作，获得参数化曲面CAD模型后，然后在Pro/E中进行实体化及后续的细节处理，最后过通过FDM快速成型技术制作电动汽车车身构件的模型件，用于评价电动汽车产品外观和结构，为后续车身研发设计及改进创新奠定了基础。关键词：电动汽车车身结构件、逆向工程、点云数据、曲面重构、快速成型REVERSE ENGINGEERING AND RAPID PROTOTYPING OF ELECTRIC VEHICLE BODY COMPONENTSABSTRACTThe exterior structure of the electric vehicle body is designed with streamline design, and the body shell is made up of a plurality of complex space curved surfaces. Usually curved surface hard to express clearly by use conventional cartography, in traditional body design method, body structure and design parameter transfer is carried out with the help of 2D drawing and 3D model, which makes automotive body design and development technical With a great difficulties, long cycle, high cost and unable to respond to the needs of the increasingly fierce market competition.This article uses the method that reverse design to study electric vehicle components. Body of the electric automobile point cloud data were collected by ATOS II 3D optical scanner, and processed by Goemagic studio 12. After the reconstruction of the body surface, the CAD model of the parametric surface can be obtained. And then in the Pro/E to carry out the physical and follow-up of the details of processing, and finally the model by FDM rapid prototyping manufacture of electric vehicle components, for the evaluation of the appearance and structure of electric vehicle products, which lays a foundation for subsequent body development, design and innovation.Key words: electric vehicle body structure, reverse engineering, point cloud data, surface reconstruction, rapid prototyping目录第一章 绪论11.1 逆向工程简介11.1.1 逆向工程定义11.1.2 逆向工程应用的领域11.1.3 逆向工程的步骤划分11.1.4 逆向工程的发展现状21.2 汽车车身构件产品开发31.3 论文的研究内容及组织结构5第二章 电动汽车车身结构件的三维测量52.1 电动汽车车身结构简介52.2点云数据62.2.1 点云数据的基本概念62.2.2 点云数据的存储格式62.3 点云数据测量方法简介72.3.1 接触式测量法82.3.2 非接触式测量法92.4 ATOS II 三维光学扫描仪简介102.5 电动汽车车身构件的三维测量112.5.1 测量过程122.5.2 数据测量的误差分析152.6 本章小结17第三章 电动汽车车身构件模型的重构173.1 曲面重构概述173.2 电动汽车车身构件曲面重构的特点173.3 Geomagic Studio软件简介183.4 基于Geomagic的电动汽车车身构件的曲面重构203.4.1 点处理阶段203.4.2 多边形阶段243.4.3 形状阶段273.5 基于Pro/E的车身构件的实体化造型313.6 本章小结36第四章 电动汽车车身构件的快速成型364.1 快速成型概述364.1.1 快速成型定义364.1.2 快速成型的特点及应用领域364.1.3 典型的快速成型工艺384.2 快速成型工艺及方法的选择394.3 模型件的工艺制作流程394.4 本章小结46第五章 结束语465.1 总结465.2 展望47参考文献48致谢49附录A.外文翻译原文50附录B.外文翻译译文5761第一章 绪论1.1 逆向工程简介1.1.1 逆向工程定义 逆向工程：一种基于已有产品，通过学习、模仿、借鉴，吸收该产品的设计并对其进行创新和改进，从而获得到新的设计，研发出新的产品的技术反向求解过程。逆向工程是基于原有产品或实物样件的基础上，在无原有产品设计信息的技术支持下，获取到结构设计的概念，用以实现对产品进行深入剖析，然后应用于制造生产，开发创新的一种工程技术手段。逆向工程开始来自于广义范畴上的计算机辅助设计和计算机辅助制造系统，但是因为其又与几何测量学、计算机视觉图像处理学、数字化集成制造技术学等学科之间有着相互的联系，所以逆向工程它的交叉领域比较广泛，目前已经形成为相当独立的技术研究分支。1.1.2 逆向工程应用的领域当今发达的科技造就了多种多样的产品设计、制造、创新技术的进步。在产品开发设计中，通过逆向工程已成可以大大降低产品研发成本，快速完成产品投产，迅速占领市场，极具实用商业战略。其应用领域包含：逆向设计、品质评价、物体还原等。逆向设计：在没有产品原始设计资料及相关参数，而市场对产品又有需要情况下，我们可以通过逆向工程来实现技术垄断，解决产品开发与市场需求之间的矛盾。品质评价：通常投放在市场上的产品都会有市场反馈这一环节，企业管理者可以根据这些反馈对原有的产品进行改进创新，通过逆向工程对产品进行改进创新，然后再回馈市场，用于品质评价。物体还原：文物及艺术品比较通常比较脆弱，如保护不当容易损坏，特别是一些珍贵的古文物、古建筑，在考古挖掘时由于各种原因已经发生损毁的，我们可以通过逆向工程手段对其进行复原，可以将复制品展示给世人。1.1.3 逆向工程的步骤划分逆向工程的步骤按照先后关系可依次为：测量点云数据处理点云数据重构数字化CAD模型检验并修改模型。每一个步骤的工作内容都不一样，处理和针对的问题也不一样，在逆向工程中，前一个工作一般会对后续工作产生影响，因此我们尽可能完善当前的工作，然后再进入下一个阶段的处理中去，主要就可以避免回到上一个步骤去进行修改，可以省去很多时间和工作量。逆向工程其详细主要步骤流程如下图1.1所示。测量点云数据：测量点云数据，也称点云数据的获取，是产品逆向工程的第一个步骤，前提基础之一，它也是重构数字化模型的不可缺少的重要条件。测量点云数据即通过专用测量仪器对物体表面进行空间（X,Y,Z）点坐标值（三维点数据）进行提取，得到的是物体表面大量点云数据点。想要测得理想的数据，那么就要有符合精度要求的测量设备并选择合理的测量方法。处理点云数据：一般情况下我们测量出来的点云数据店的数量多，有些比较混乱，拓扑关系不清晰，同时受到测量方法本身的缺点影响会造成噪点及烂点，因此需要对获取的三维坐标数据进行后续的精细处理。这一过程为下一步的重构数字化模型打下了坚实的基础，这一过程处理得好，我们才更容易在后续的数字化模型重构中获得较好的模型质量。重构数字化CAD模型：获取工业产品数字化CAD模型主要是为了用于评价，对模型的评价主要解决以下问题：通过逆向工程得到的模型是否具有实际的利用价值；所建立的CAD模型的精确度能不能符合要求；根据模型制造出来的零件是否出现大范围变形，与原来的产品能不能保持一致。检验并修改模型：工程技术上通常采用数控加工或快速成型加工出样品，然后进行重新检测，对重构的数字化CAD模型进行误差分析，以检验重构的数字CAD化模型的精度合格或者其他指标是否达到要求。图1.1 逆向工程步骤流程图1.1.4 逆向工程的发展现状（1）国外现状 20世纪90年代逆向工程技术得到了极大的推进，这归功于三维测量技术的发展，而三维测量技术的发展，又归功于激光技术的发展。人们将激光学应用在测量学上，因其在速度、精度、操作性等方面表现出了绝对的优势。随着激光技术、计算机辅助设计技术等在国外的飞快发展和突破，逆向工程的研究开发和推广应用得到国外的政府部门、企业、科技研究所的大量资金的支持。在国外，目前逆向工程技术发展得十分成熟，理论体系完整，配套的测量设备也多种多样，已经达到了一个稳定的阶段，也被广泛应用于各个行业，并形成了具有相当大规模的产业。（2）国内现状相对于国外而言，我国的在逆向工程技术落后于国外发达国家好多，理论体系不是特别健全，国产逆向工程软件这方面欠缺，国内市场多被国外垄断着，三维激光扫描设备主要以国外的为主，国产的少。中国虽然是工业大国，但是在汽车领域，存在研发时间较长、质量差、竞争力弱、成本高等问题。随着我国市场经济的发展，我国市场对逆向工程技术的需求越来越大和迫切，因此在上世纪90年代后期逆向工程技术在我国开始高速发展起来。近年来，校企合作的组织加大对逆向工程方面的研究力度，但是逆向技术的软件研发和普及还处在中级阶段，还无法和国外先进的企业相抗衡，还不能形成完整的技术产业链。与此同时，有关部门也非常重视技术的应用，并且取得了一定的进展。在国内，由于三维激光扫描技术的可应用领域特比广泛，大批专家对这方面加大了研究，并在关键技术上取得了一定的成果。总之，随着工业不断进步与发达，我国对逆向工程技术的需求越来越迫切，现国家在逆向工程技术方面已经加大软件产品和测量技术的开发与研制力度，逆向工程技术在我国正在不断向前发展。1.2 汽车车身构件产品开发 汽车行业是一个涉及的技术众多产业，近年来，政府部门对汽车工业支持力度和市场需求的加大，我国汽车研发设计、加工制造水平已经得到很多的提高，家用汽车行业得到了很好的发展，成为我国支柱产业之一，最近这几年来我国汽车销量已经连续排在世界第一位，目前我国汽车保有世界第一，是名副其实的汽车大国。同时，在新能源电动汽车方面，逐渐得到人们的接受与欢迎，为其自身的发展提供了一个充满期待的前景。虽然我国的汽车行业经历了较长期的发展，但车身设计却是我国自主品牌的一个技术难题，一直没有得到很好的解决，竞争力方面弱于国外知名汽车公司。我国汽车品牌的外观设计需要外协，外协设计费用增加了汽车开发预算，降低了自主车的市场竞争力。我国汽车应该充分有效利用先进的技术和设计方法，加快汽车工业设计和外形设计过程，设计制造出符合大众审美的汽车车身构件，打破国外垄断，让产品快速换代更新，提升自主民族汽车品牌在市场上的竞争力度。随着计算机辅助设计和计算机辅助制造技术在汽车行业的应用日益广泛，我国的汽车行业研发技术已经逐渐走出一些困境，取得一些突破，目前上已经实现了三维数字开发，技术上已经提高到较高的水平。但与国外相比我国的汽车开发技术的差距仍然很大，目前我国的一些较好的自主品牌仍需要国外先进汽车设计公司的外协，在独立研发设计这条道路上走得比较困难。我国一些汽车企业虽然加大研发资金的投资，但却少有能够设计出得到广大消费者热爱的车型，由此看出来我国汽车企业对国外技术的吸收、消化、创新还有相当长的一段路要走。汽车车身是对汽车消费者选购汽车和的导向性很大的组成部分，人们在选购汽车的时候常常就是被其外观吸引的，款式越美观越得到汽车消费者的追捧和喜爱，汽车销量就越好，所以汽车车身对车型是否畅销起着很大的影响作用。车身的研发周期为13年，而生命周期为36年，并且还需要根据消费者的反馈不断修改车身风格和款式，不像底盘和发动机标准化、序列化、通用化，成熟化。目前大部分汽车车身遵循符合美学的流线型外观设计原则，流线型外观是通过多张复杂的空间曲面拼接过渡而成的，常用的二维制图不能很好的表达清楚其流线型外观，通过建立三维模型才能很好展示其外观构造。因此传统车身设计方法中，流线型外观车身的设计是用二维图纸和三维概念模型来共同完成的，传统的汽车车身设计流程如下图1.2所示按小比例绘制车身结构图模具设计与制作按小比例制作车身油泥模型按1:1比例制作车身油泥模型制作主模型样品试制按小比例绘制车身彩色效果图图1.2 传统车身设计流程以缩小的汽车车身结构设计图为基础，然后按照比例进行放大是汽车车身的设计常用的流程。因此本文采用合理的测量方法对汽车车身产品进行点云数据的获取，通过快速成型的办法制作缩小的汽车车身结构件。用于评价产品的外观和结构，指导车身产品开发设计。1.3 论文的研究内容及组织结构本文采用逆向设计的方法对电动汽车车身构件进行研究，共分为五章，其研究内容及组织结构如下：本文主要的研究内容如下：1. 电动汽车车身构件点云数据的获取；2. 通过Goemagic studio 12 完成电动汽车车身结构件点云数据的曲面重构，在Pro /ENGINEER5.0中对曲面进行实体化及细节处理；3. 在完成CAD建模后，利用快速成型工艺实现部分构件产品模型件的制作，用于指导汽车车身的设计研发工作。本文主要的组织结构如下：第一章：绪论。第二章：电动汽车车身结构件的三维测量。第三章：重构电动汽车车身构件模型。第四章：电动汽车车身构件的快速成型。第五章：结束语。第二章 电动汽车车身结构件的三维测量2.1 电动汽车车身结构简介电动汽车车身和其他典型轿车车身类似，也是由不同的型面和钣金件通过焊接拼装而总成的。承载式结构是目前市场上车身多采用结构，其零部件如图2.1所示。图2.1 典型汽车车身结构部件图2.2点云数据2.2.1 点云数据的基本概念点云：在同一个空间参考坐标系下获取物体表面取样点的空间绝对坐标值后，所得到的是大量点的总和。位置精度和外表面法向量是点云数据主要特性参数。根据点云中点的空间分布方式特征可以将划分为：杂乱、线形化、网格化三种类型点云。此外，根据测量点云的点数量大小又可以将点云数据分为稀疏点云和密集点云。2.2.2 点云数据的存储格式在数据测量时使用不同测量设备，得到的点云存储格式也不同。点云数据常见的存储格式有*.las、*.pcd、*.txt 、*.pts、*.asc、*.dat、*.stl、*.imw等。由三维坐标测量机和激光扫描测量得到的点云数据一般是以*.asc或*.txt格式的绝对三维坐标值进行存储的。2.3 点云数据测量方法简介在逆向工程中，数据测量，又称物体三维空间点云信息获取，是在专用的测量仪器和特定测量方法的情况下，对物体的表面三维空间信息进行提取，并转换成非收敛的几何点空间坐标信息的过程。数据测量是逆向工程的必要前提条件，逆向建模的前期准备，测量出来的数据，我们获取物体信息越精确、越完整，重构CAD曲面实体模型的质量就越好，那么快速成型制造出来的模型就更能够准确的反映原始的模型。计算机技术、传感技术、激光技术、控制技术和视觉图像技术等相关技术的不断发展的同时推动了测量技术的不断发展，并出现了多种数据获取方法，我们按照不同获取物体表面三维数据的原理，可分为接触和非接触两种测量法，具体方式分类如下图2.2所示。数据获取方法接触式方法机械手臂CMM图像分析结构光法干涉法激光测距光学三角测量超声波法层析法声学电磁非接触式方法图2.2 逆向工程数据获取方法分类2.3.1 接触式测量法接触式测量法指的是由接触式三维数据获取设备通过与物体轮廓发生接触，测量系统记录下当时的对应的物体空间信息的一种测量方法。接触式测量法中常采用三坐标测量机或者机械手臂式进行测量，如图2.3所示。 图2.3a 桥式三坐标测量机 图2.3b 关节臂式测量仪接触式测量的优点：1. 外界干扰光线对探头无干扰；2. 测试系统稳定；3. 精度高。接触式测量的缺点：1. 接触式探头容易磨损；2. 易和物品碰撞导致损坏；3. 测量速度相对较慢；4. 受到物体形状和材质的限制。2.3.2 非接触式测量法非接触式测量法指的是测量仪器不需要与被测量物体发生接触的情况下就能获取其三维空间点云信息的一种测量方法。非接触式测量法的原理主要有光学的激光三角法、激光测距法、结构光法、图像分析法以及基于声波、磁学的方法等。在三维测量中，非接触式测量方法是一种优点特别多的测量方法，受到欢迎越来越大，因此在这方面的研究也越来越多。尤其是以激光、白光为代表的光学测量法更是备受关注，其分辨率范围为10310-6mm,囊括了了从宏观三维测量到微观结构研究的研究领域。非接触测量的优点：1. 可以直接测量不宜接触的软质构件；2. 测量速度很快，不需要逐个点测量；3. 不需要进行探头补偿。非接触测量缺点：1. 容易受到工件表面的颜色、粗糙度特性的影响；2. 容易受到环境和杂色光的影响；3. 测量精度约为20m以上精度不是特别高。总之，在综合考虑测量费用、测量物体几何形状和精度要求的同等条件下，先考虑接触式测量；如果被测产品具有复杂表面外形轮廓、需要大量点云或者不允许接触式测量的条件下考虑采用非接触式测量。2.4 ATOS II 三维光学扫描仪简介ATOS II三维光学扫描仪系德国 GOM 公司研发生产的，其使用立体相机测量技术和先进的电位差相位测量光栅，可在1-2秒内测得高达4百万的高精度点云数据，并可以满足任何测量环境，对不同大小的复杂零件进行三维测量，还可以提供完整的误差分析和评估功能。本研究使用到的扫描仪器为ATOS II 三维光学扫描仪，如 图2.4所示。图2.4 ATOS II 三维光学扫描仪其设备性能参数如下：相机：500万像素2；点距：0.2-0.62 mm；扫描范围：3829-20001500mm；重量：12kg；其工作原理主要是利用光学摄像定位技术原理和光栅测量原理，其扫描原理图如下图2.5所示。图2.5 光学扫描仪原理三维光学扫描仪的优点如下：1. 无需进行侧头的半径补偿；2. 扫描快，范围大、点云完整；3. 低硬度材质和不适合直接接触的物体，比如橡胶、古董、古建筑等，可用光学扫描仪测量。三维光学扫描仪的缺点如下：1. 扫描不了反光透明物体，需辅助喷涂显像剂；2. 激光扫描头在扫描过程中振动时容易造成噪音点，烂点等；3. 对小特征的识别能力差，存在测不准或者测不出的缺陷；4. 激光扫描头头与被测物体之间有测量角度制约，一些复杂物体不易调整测量头，导致测量苦难或者无法测量了；5. 外界光线可对其造成影响和干涉。2.5 电动汽车车身构件的三维测量想要得到最优的测量方法，则要综合考虑电动汽车车身构件的特点、测量速度、零件形状、测量成本等影响因素，尽量选择能够满足测量速度快，点云精度高，能符合车身构件曲面造型实际要求的测量方法，从而能够保证得到的信息完整、测量数据精度高、可满足后续高质量曲面构件的要求。电动汽车车身结构件的特点：电动汽车车身产品外观形状是非常复杂的自由曲面，曲面质量要求比较高，尤其是平滑度要求高，以满足美观的要求。通过综合分析接触式和非接触式测量方法的优劣和适用的零件，为了确保能够获取产品的复杂表面轮廓、及充分有用的点云数据，本研究拟选用的测量方法为非接触式。2.5.1 测量过程扫描头安装设备调试、校准表面能否反光 设备连接 激光扫描获取点云数据喷显像剂是本文中电动汽车车身构件数字化过程所用的设备是德国 GOM 公司的 ATOS II光学测量扫描系统，激光扫描流程图2.6如下图2.6 激光扫描测量流程图我们在扫描点云数据之前需要对被测车身构件做一定的表面处理，将车身面清洗干净后，确保无污染，泥巴，粉尘等，这一工作主要是为了不引进外界干扰点云。由于激光扫描仪对外界光线比较敏感，对于过大反光的表面，或者透明的表面无法扫描出其表面的点云，为此我们要再扫描这些表面的之前，要喷上一层显像剂来降低被测物体表面对光的反射率，这样就可以在扫描出这些表面的点云数据。三维光学测量仪的操作步骤：1、连接仪器并接通电源将ATOS II 三维光学扫描仪与计算机相应的接头相接，启动电脑，然后开启扫描摄像头；2、给构件标记及喷涂显像剂点云测量之前必须先就行标定，即贴标处理，目的是为了确定在分区域不连续扫描测量过程中，点与点之间保持着确定的空间相对位置，我们千万不能在测量过程中改变标定点之间的位置，否则就会出现位置的错误，造成测量失败，对于不能一次性扫描出来的曲面，像有些复杂多变的自由面等，给其多贴标记点，以便于连接。如图2. 8所示为后围板贴标过程。图2.7 后围板的贴标过程对应透明的和不能反光的物体曲面，扫描仪是扫描不出来的，需要喷涂特定的显像剂才能扫描得到点云，如图2. 7所示为挡风玻璃喷涂显像剂过程。图2.8 挡风玻璃喷涂显像剂3、启动ATOS激光扫描仪系统软件ATOS激光扫描仪系统附带的软件打开后扫描界面如图2.9所示。图2.9 扫描界面4、调整扫描仪因为一次扫描到的区域有限，调整扫描仪是为了对新的区域进行扫描，以确保获得健全的区域点云数据。扫描仪在X方向（或Y方向）、Z方向时都有一个移动自由度和一个转动自由度，各方向上的移动或者旋转都对应着各种的调节旋钮，我们需要对某个区域进行扫描时调节对应的旋钮，或者组合调节旋钮，使摄像头达到适合的测量位置及角度即可。5、硬件标定当出现如下图2.10所示系统标定完成窗口时，如果前面的操作步骤都顺利完成，就可以点击“完成标定”按钮，摄像机的标定过程就完成了。图2.10 系统标定完成窗口6、创建保存目录在扫描开始前，要创建文件扫描保存目录才能进行扫描。7、开始扫描并保存点云通过激光扫描得到的点云测量数据点以绝对空间坐标值的形式存储为TXT格式文件。激光扫描头系统可以轻易的测量出大量的数据点，获得高质量、低噪声的物体表面空间坐标信息，为下一步复杂曲面的重构工作和数字化建模工作奠定了根基。获取到的点云数据如图2.11所示。图2.11 获取到的点云数据2.5.2 数据测量的误差分析在处理点云时候发现由于测量设备的问题，出现了一些杂点，乱点等。影响点云数据测量精度是很多原因的综合，数据测量的误差主要来源如下图2.12所示：数据测量的误差来源机房环境条件：由于ATOS II光学扫描仪是一种高精度的检测设备，其机房环境的好坏对测量机的影响至关重要。这其中包括被测量物品表面的状态以及环境、温度条件、振动、湿度、供电电源等因素。物体的自身因素：在曲面测量中，被测物体本身的材料、粗糙度、颜色、光学性质及表面形状，对光的反射和吸收程度都有较大的差异，尤其是物体表面的粗糙度和折射率等因素会对测量的精度产生重大的影响。标定的因素：所有的测量方法都要标定。对于光学测量系统而言，由于光学测量系统的制造和装配必然存在误差，因此，对于物点到像点的非线性关系的标定技术更是获取物体三维坐标的构件，这一问题很早就被广