(论文)逆向工程汽车天窗(2013年优秀毕业设计论文)

中文摘要 本文以外开7 5 0 型电动天窗和内藏式电动天窗为基础模型，集成运用快速成 型和逆向工程技术，研究汽车天窗产品的开发，论文的主要工作包括： 将逆向工程与快速成型技术集成引入汽车天窗的研发，提出了逆向工程与快 速成型技术集成模式。研究了汽车天窗的逆向工程流程及其关键技术，建立了外 开7 5 0 型和内藏两款天窗的数字模型。探讨了数据采集、数据处理、曲面重构、 曲面品质分析及优化等关键技术；运用快速成型技术进行数字模型的校核和验 证，以完善天窗的设计模型。 研究了天窗的再设计问题，包括逆向工程再设计和刨新再设计两部分。在 分析内藏天窗的基本结构和工作原理的基础上，论述了内藏天窗与汽车顶棚的匹 配问题及解决办法，提出了控制系统再设计的思路和实现措施。在创新再设计方 面，论述了外丌天窗排水结构、上框架、下框架的零件创新设计。通过实验测试 证明，内藏天窗结构合理，控制系统运行可靠；外开天窗整体结构紧凑、综合性 能良好。 对于汽车天窗的车型匹配问题，提出了两种实现方法。对于原厂配套产品， 提出了参数化设计的解决方案及实施步骤。对于后加装产品，建立了天窗总成模 型库和通用零件库。实践验证了这两种方法的可行性和有效性。 关键词：汽车天窗逆向工程快速成型再设计 A B S T R A C T T h ed i s s e r t a t i o ni sad e s c r i p t i o no fap r o j e c t ，w h i c hw a sb a s e do nt h em o d e l i n g o f7 5 0e l e c t r o m o t i o no u t e rs u n r o o fa n de l e c t r o m o t i o ni n n e rs u n r o o f , b yi n t e g r a t i n g r a p i dp r o t o t y p i n gw i t hr e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ，d e v e l o p ss u n r o o fp r o d u c t s M a i nr e s u l t sa c h i e v e di nd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： B r i n g i n gf o r w a r dt h er e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dr a p i dp r o t o t y p et e c h n o l o g yt o r e s e a r c ho ns u n r o o f , t h ei n t e g r a t e dm o d e lo fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dr a p i dp r o t o t y p e t e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r d T h ef l o wo fr e v e r s ee n g i n e e r i n go fs u n r o o fa n di t sk e y t e c h n o l o g i e si sr e s e a r c h e d T h ed i g i t a lm o d e lo ft h et W Ot y p e so f7 5 0e l e c t r o m o t i o n o u t e rs u n r o o fa n de l e c t r o m o t i o ni n n e rs u n r o o fi ss e t u p ，D a t ac o l l e c t i o n ，d a t a p r o c e s s i n g ，s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ，a n ds u r f a c eq u a l i t ya n a l y z i n ga n do p t i m i z i n g t e c h n o l o g ya r ed i s c u s s e d T oc o r r e c ta n dv e r i f yt h ed i g i t a lm o d e lv i ar a p i dp r o t o t y p e t e c h n o l o g yi st op e r f e c tt h ed e s i g nm o d e l ， T h er e d e s i g no fs u n r o o f , i n c l u d i n gt h er e d e s i g no fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dt h a t o fi n n o v a t i o n ，i sr e s e a r c h e d ，B ya n a l y z i n gt h eb a s i cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fi n n e r s u n r o o f , b r i n gf o r w a r dt h er e a s o no fw h o l er e d e s i g n ，a n dt h es o l u t i o no nt h ew h o l e r e d e s i g na n di d e a sa n dm e t h o d so fc o n t r o l l i n gs y s t e mr e d e s i g n a r ep r o v i d e d A n da n i n n o v a t i v ed e s i g no fs t r u c t u r ef o rt h ed r a i no fo u t e rs u n r o o fa n dn e wm a t e r i a ld e s i g n f o rt o pf r a m ea n db o t t o mf l a m ea r ep r o p o s e d T h et e s t i n gp r o d u c ta p p r o v e st h e r e a s o n a b l yo fi n n e rs u n r o o fs t r u c t u r e ，t h et r u s t i n e s sa n ds t a b i l i z a t i o no fc o n t r o l l i n g s y s t e ma n dt h et i g h t n e s sa n dt h eg o o dc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo f o u t e rs u n r o o f T w oe f f e c t i v em e t h o d st o w a r d st h e m a t c h i n go fc a ra n dt h e s u n r o o fa r e s u g g e s t e d F o ro r i g i n a le q u i p m e n t s ，s u g g e s t i n g t h ep a r a m e t e r i z em e t h o da n d p r o c e d u r e ；f o ra f f e r m a r k e tp r o d u c t s ，t h ec a rt y p em a t c h i n gm e t h o df r o ms u n r o o f d a t a b a s ei ss u g g e s t e d I t St e s t i f i e dt h a tt h e s et w om e t h o d si n c r e a s e st h ep e r f o r m a n c e a n dq u a l i t ys i g n i f i c a n t l yo fd e s i g n i n gs u n r o o ft h u ss e t t l e das t a b l eb a s ef o rt h eq u i c k a n dm a s s i v ep r o d u c t i o no fs u n r o o f K E YW O R D S ：S u n r o o f , R e v e r s eE n g i n e e r i n g ，R a p i dP r o t o t y p e ，R e d e s i g n 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 逆向工程 1 1 1 逆向工程概述 第一章绪论 传统的工程将产品的概念模型或C A D 模型通过制造加工转变为实际的零 件，而逆向工程( R e v e r s eE n g i n e e r i n g ，R E ) 贝J J 是将实际的零件转变为产品的C A D 模型或概念模型。 广义的逆向工程是指消化吸收已有产品先进技术的一系列分析方法和应用 技术的结合，包括影像逆向、软件逆向和实物逆向1 2 J 。它是通过综合运用专业人 员的工程设计经验、知识和创造性思维，对已有产品进行解剖、消化和再创造的 过程，是对已有设计的再设计。一般逆向工程多指实物逆向，即在没有产品原始 图纸、文档或C A D 模型情况下，通过对已有实物或样件的测量和分析，反求出 产品的几何模型、工艺过程、物理和材料特性等，从而复制或开发出同类新产品 的过程。 逆向工程技术是设计和产品之间的双向通道之一。通过逆向工程技术，可以 根据实物模型的数字化信息重建实物的C A D 模型，使得那些以实物为制造基础 的产品在设计和制造过程中，充分利用C A D 、C A M 、R P M 、P D M 、C I M S 等先 进制造及管理技术。同时，由于能在很短的时间内复制实物样件，从而可以缩短 产品的开发周期，提高经济效益、生产能力和产品质量。随着测量设备和测量技 术的发展，逆向工程技术在航空、航天、造船、汽车和模具等现代制造业中显得 同益重要【3 】。 1 1 2 逆向工程的应用 逆向工程技术的应用已渗透到多个领域，主要包括： 1 对产品的仿制和改型设计 在没有产品的设计图纸和三维C A D 模型的情况下，利用逆向工程技术进行 数据测量和处理，构造与样件相符的C A D 模型，并在此基础上进行改型和设计。 进而将此模型用于产品的分析和制造中，从而实现产品的仿制和改进。通过产品 仿制可以吸收先进的设计制造成果，从而使产品设计起点高、周期短、见效快。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 为了提高产品的质量和竞争力，再创新爿是反求的目的。通过对C A D 模型的修 改，实现仿制产品的再设计和已有产品的改掣设计。目前在我国，逆向工程在新 技术和新产品的消化、吸收及创新，进口产品国产化的进程中起着不可代替的作 用，被广泛地用于摩托车、家用电器等产品外形的修复、改造和创新设计。 2 在新产品开发中的应用 这是汽车和飞机等工业部门的通常做法。首先由外形设计师使用油泥、小利 或泡沫塑料进行产品的外形设计，得到产品的比例模型，以便从审美角度评价产 品的外形。然后通过逆向工程技术将比例模型转化为C A D 模型，于是得到精确 的数字模型。 3 在模具制造中的应用 逆向工程技术在模具制造中的应用主要体现在两个方面；一是以样水模具为 对象。对已符合要求的模具进jJ ：测量并反求出其C A D 模型，从向加工出模具。 这样可以提高生产率，降低成本。二是以实物零件为对象。首先要将实物转化为 C A D 模型，继瓶在此模型基础上进行模具设计。 4 用于快速成型制造 原型在产品的实验分析、评估、装配检查、供应商与客户的沟通等方面起着 重要的作用，原理制作己成为产品开发中的重要程序。运用快速成型a p i d P r o t o t y p e R P ) 技术可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定 功能的原型或直接制造零件，用以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验， 大大缩短了产品的研制周期。逆向工程中的建模技术为快速成型提供所需的 C A D 模型。两者相结合一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供 充足的信息，另一方面可以及早验证产品质量和评估市场反应口J 。 除卜述领域外，逆向工程技术也应用于娱乐、服装、艺术、考古、医疗、自 然景物描述等领域。随着计算机软硬件成本的下降，模型重建方法的完善，逆向 工程技术的应用会越来越广泛。 1 1 3 逆向工程研究现状及其关键技术 随着计算机科学的迅速发展以及现代先进测量技术和现代制造技术的形成， 逆向工程技术越来越受到学术界和工业界的重视，并成为C A D C A M 技术领域 的一个研究热点。目前，逆向J 一程的研究主要集中在几何反求上，即将实物转化 为C A D 模型的数字化技术和几何模型重建技术的研究。 为C A D 模型的数字化技术和几何模型重建技术的研究。 1 研究现状 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 随着逆向工程技术成为研究热点以来，国内外对其理论和应用进行了大量的 的研究，并发表了大量的论文。逆向工程研究的理想目标是建立一个能够自动从 物理模型生成C A D 模型，不需要或很少需要人工干预的高度智能化系统，但目 前距离这个目标的实现还很远。 迄今，国外开发了多个具有逆向工程功能的系统或模块，主要有：l m a g e w a r e 公司的S u r f a c e r ：D e l C a m 公司的C o p y C A D ；原M D T V 公司的S t r i m l 0 0 ；P T C 公司的P r o S c a n ；U n i g r a p h i c s 公司的P o i n t C l o u d 模块；基于A u t o d e s k 的M D T 平台的M e t r i s 。这些系统主要以交互操作为主，用户可以方便地对测量数据点集 进行简化、光顺、分割及拟合处理。通过数据交换标准，如I G E S 、D X F 、S T L 等，它们还可以与其它系统集成进行数据交换。 在我国，浙大、清华、华中理工、西安交大、南航、西工大、北航、上海交 大等单位先后开展了逆向工程建模技术和快速成型制造设备的研究开发，并取得 了很多可喜的成果。浙江大学最早在我国推出了R E - S o f t 逆向工程系统，其C A D 实验室在C T 复原三维模型方面丌展了大量的研究，取得了较好的成绩。上海交 大利用B P 神经网络重构反求技术研究基于数字化点的曲面。北京隆源公司实现 了将片层反求数据和激光扫描数据直接转化成R P 加工的数据。 2 关键技术 ( 1 ) 数据采集 数据采集的主要任务是获取样件表面的三维坐标信息。它是逆向工程技术的 基础，是曲面重建中三维坐标点的来源。数据采集方法可分为接触式和非接触式 1 4 1 嘲【6 1 。 ( 2 ) 数据处理 数据处理技术主要是预处理和特征提取、数据分割两部分。数据预处理包括 点云的杂点、噪声点去除、多视拼合、数据精简【“ 、三角剖分等。目前，多视重 叠数据如何合理融合仍然是逆向工程的难点之一。 特征提取、数据分割是几何重建的瓶颈技术，如何实现一种方便快捷、实用 有效的区域划分算法一直是困扰学术界的难点问题。数据区域分割是建立在分块 数据几何特征一致的基础上的。一般有自动边界划分( 8 】和交互构造特征曲线两种 方法。 ( 3 ) 曲面重构 曲面重构是逆向工程中研究最多的技术之一。文献 9 1 0 1 1 1 1 2 等从不同的 角度对曲面重建的各类方法进行了分类总结。根据所使用曲面的数学模型，曲面 重构分为函数曲面方法、隐函数曲面方法、三角网格模型方法、三角B e z i e r 曲面 方法和N U R B S 曲面方法。 天沣大学硕十学位论文第一章绪论 ( 4 ) 陆面的光顺品质分析和优化技术 曲面光顺晶质的评价及优化技术是逆向工程中曲面质量的保证。曲面的光顺 品质检查方法包括各种曲率绘制、高亮度线显示【1 3 】f 1 4 1 15 1 等，算法比较成熟。光 顺品质优化通过调整原始蓝面的形状，在其形状变化满足给定约束的前提下，使 曲面变得更光滑【1 6 1 。 1 2 快速成型 1 2 1 快速成型概述 快速成型( R a p i dP r o t o t y p i n g ，R P ) 是集计算机辅助设计技术、数控技术、激光 技术、材料科学，以及机械电子工程为一体的综合技术。它可以快速、准确地将 设计思想转变为具有一定功能的原型或者零件，以便进行陕速评估、修改及功能 测试，从而大大缩短产品的研制周期及开发费用，加快新产品推向市场的进程1 1 7 J 。 快速成型是由C A D 模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体的技术 的总称，其基本过程是：首先设计出所需零件的计算机三维模型，然后根据： 艺 要求，按照一定的规则将该模型离散为一系列有序的单元，通常在z 向将其按一 定厚度进行离散( 习惯称为分层) ，把原来的三维C A D 模型变成一系列的层片： 再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后根据每个 层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成一个三维物理实体。这样就将一个物 理实体复杂的三维加工转变成一系列二维层片的加工，大大降低了加工的难度。 由于不需要专用的刀具和夹具，使得成型过程的难度与待成型的物理实体的形状 的复杂程度无关【1 8 J 。因此，快速成型就是将三维零件的制造问题转化为两维面片 的制作，从而使三维复杂实体的制作变得非常简单。 1 2 2 快速成型技术的应用 快速成型技术自十几年出现以来，以其显著的时问效益和经济效益得到了制 造业广泛的关注，在机械行业、汽车行业、医疗行业及相关的其他行业都有广泛 的应用【1 9 。 1 在产品设计中的应用 计算机技术和数控技术与设备使得C A D C A M 高度集成，提高了产品开发 的效率和质量。但是，C A D 和C A M 一直以来都存在一个缝隙，即C A D 总不能 天津大学硕士学位论文第一奄绪论 在C A M 之前尽善尽美。快速成型技术的出现，萨好弥补了这个缝隙。R P 的早 期应用主要集中在产品设计阶段的外观评估、装配与功能检验方面。 ( 1 ) 概念模型可视化 快速成型制造技术能够迅速地将设计师地设计思想变成三维实体模型，既可 节省大量地时间，又能准确地体现设计师地设计理念，为产品评审决策工作提供 直接、准确的模型，减少了决策工作中的不F 确因素。 f 2 ) 设计评价 快速成型制作的样件，能够使用户直观地了解尚未投入批量生产地产品外观 及其性能并能及时作出评价，使厂方能够根据用户的需求技术改进产品，为产品 的销售创造有利条件并避免由于盲目生产可能造成的损失。 快速成型技术由于成型时间短、精度高，可以在设计的同时制造出高精度的 模型，使设计者能够在设计阶段对产品的整体或者局部进行装配和综合评价，从 而发现设计上的缺陷与不合理部分，改进设计。最终提高产品整体的设计质量。 f 3 ) 装配校核 在投产前，用快速成原型件进行装配，进行装配校核、干涉检查，验证设计 的合理性和安装工艺与装配要求。 ( 4 ) 性能和功能测试 快速成型可以直接用于性能和功能参数实验与相应得研究，如机构运动分 析，流动分析、流体和空气动力学分析等。如通过风扇、风毂等设计的功能检测 和性能参数确定，可获得最佳扇叶、最低噪声的结构。如果用传统的方法制造原 型，这种测试与比较几乎是不可能的。 2 快速模具的母模 快速成型的另一大类应用就是作为翻制快速经济模具的母模，如硅橡胶模 具、聚氨脂模具、金属喷涂模具、环氧树脂模具等软质模具进行单件小批量的试 制以及浇注石膏、陶瓷、金属基合成材料、金属等硬质模具进行塑料件或金属制 件的批量生产。 3 在铸造领域的应用 ( 1 ) 直接浇注铸件 这种方法适用于形状复杂的单件生产，例如航空航天工业中的特铸件，或者 是在新产品试制时先做一两个铸件供进一步实验用。具体操作是将R P 原型或者 用熔模铸造方法制壳浇注铸件，或者用消失模铸造方法直接浇注铸件。 ( 2 ) 用原型翻制母模后再浇注铸件 天津人学硕十学位论文 第一章绪论 对铸件数量需要较多时可以应用这种方法。它是先用硅橡胶方法、石膏型方 法等翻制母模，然后制蜡或者直接浇注成铸件。 ( 3 ) 利用原型模样制造模具 1 ) 最直接的模具应用是在砂型铸造用的模板和芯盒上。选用适当的树脂材料 值得原型模样，再进行表面喷镀，或者是用L O M 法烧结陶瓷原型，然后将模样 直接安装在模板、芯盒上使用。这样可以减少模具的制造周期，成本比用数控机 床加工还有所降低。 2 ) 把一些低熔点合金喷涂在原型表面，可以用做压蜡模具，也可用环氧村脂 配合原型模样做成芯盒或者压蜡模具。 3 ) 可以直接通过三维C A D 系统设计出模具图形，然后用快速成型技术制得 模具原型，再用上述方法直接铸造出金属模具。 4 在医学领域的应用 R P 已经运用于种植体原型、监视系统和很多其他医疗设备原型的制作。运 用生理数据采用S L A 、L O M 、S L S 、F D M 等技术快速制作物理模型，对想不通 过开刀就可以观看病人骨结构的研究人员、种植体设计师和外科医生等能够提供 非常有益的帮助。这些技术在很多专科如颅外科、神经外科、口腔外科、整形外 科和头颈外科等得到了广泛应用，帮助外科医生进行手术规划。 n ) 设计和制作可植入假体 运用R P 技术，设计师可以根据特定病人的C T 或者M 砒数据而不是标准的 解剖学几何数据来设计并制作种植体。基于R P 制造的植入体具有相当准确的适 配度，其优点在于能够提高美观度，缩短手术时间，减少术后并发症等。 ( 2 、外科手术规划 快速成型可以为复杂外科手术提供需要的三维模型进行演练以确保手术的 成功。模型还能让医生在手术之前对着模型进行手术规划，大大地节省了手术的 时间。 ( 3 1 生物工程 针对骨的具体结构，进行C A D 造型，然后利用内部细微结构仿真建模技术 进行分层制造，常温下用生物可降解材料一边分层制造，一边加入生物活性因子 及种子细胞。用快速成型技术制成的细胞载体框架结构来创造一种微环境，以和 于细胞的粘附、增值和功能发挥，以此达到组织工程骨的并行生长，加速材料的 降解和成骨过程。 大津大学硕十学位论文 第一章绪论 1 3 汽车天窗的分类与作用 几十年来，随着现代汽车工业技术的不断提高及发展，汽车天窗 2 0 - 2 8 1 技术得 到了飞速发展。汽车天窗长期以来是豪华汽车的象征也是提高汽车舒适性，丰 富汽车生活的一个不可或缺的产品。近几年来，国外汽车天窗已成了汽车的一个 标准配置。随着人们对驾乘舒适性要求不断提高，汽车天窗以时尚气息和和优越 性能赢得了市场，并进而成为一种迅速蔓延全球的时尚热潮。 1 3 1 汽车天窗的分类 汽车天窗按照其面板材质可以分 为玻璃面板、金属面板及复合材料面 板三种：按其开启的方式，可分为外 丌式、内藏式、敞篷式三种；按动力 方式分，可分为电动和手动两种。 外开式天窗( 图1 1 ) 在开启后向 车顶的外后方滑移，分电动和手动两种形 图I - 1 外开式天窗 图1 - 2 内藏式天窗 舒适性、密封性都是最好的 等大中型轿车上。 式。可阻隔紫外线和热能；可具有防央功能 和自动关闭功能；可配可拆式遮阳板。此类 天窗主要安装在夏利、捷达、富康、奥拓、 普通桑塔纳等中小型轿车上。 内藏式天窗( 图1 2 ) 在开启后可以保持 不同的弧度。可阻隔紫外线和热能；可具 有防夹功能和自动关闭功能；可配有独立的 内藏式太阳挡板。此类天窗功能性、安全性、 多用于别克、桑塔纳2 0 0 0 、帕萨特、奥迪、红旗 敞篷式天窗( 图1 3 ) 在丌启后天 窗完全打开。使用三层高品质的特殊材 料组合而成，具有防紫外线和隔热的效 采。此款天窗非常前卫，适合年轻人驾 驶。相对于前两款天窗，敞篷式天窗的 密闭防尘效果要略差一些。 本文主要研究外丌7 5 0 型电动天窗 图1 3 敞篷式天窗 天津大学硕士学位论文第一章绪论 和内藏式电动天窗这两款天窗。 1 3 2 汽车天窗的作用 ( 1 ) 换气性 1 ) 负压换气汽车天窗换气是利用负压原理，依靠汽车在行驶过程中气流在 天窗顶部的快速流动，而形成车内的负压，将车内污浊空气抽出，向外排出异昧 ( 烟、酒、腐蚀气味) 等，把车辆内部空气换为自然空气，从而提供清爽和湿润 感，减轻驾驶者疲劳，并且解决打开侧窗时所带来强风灌入及灰尘扑面的问题。 在潮湿的天气和寒冷的季节，使用天窗亦可防止车窗结雾。 2 1 降低风噪行驶中开侧窗通风时会产生较大风嗓，且驾驶者直接受强风 吹，增加疲惫感觉。汽车天窗利用空气力学设计降低风噪，开启时几乎没有通风 噪音。在普通情况下，车速达到1 0 0 公罩时，打开侧窗通J x L 而引起的噪音可高达 l l O 分贝，而打开汽车天窗却仅6 9 分贝。 ( 2 ) 经济性和实用性 冬季，天窗能将车内憋闷的空气转换成轻松、舒适的自然空气；炎热的夏季， 天窗作为空调的辅助装置能让人感受多倍的清爽。在盛夏，车厢内温度过高时， 打开天窗比开空调降温速度快2 3 倍。同时自然空气的循环可预防因使用空调引 起的头痛；停车时利用天窗打开功能能排出热气，防止车内温度上升。 ( 3 1 时尚、个性 通过天窗驾乘人员视野开阔，直接感受阳光，享受自然，消除车厢内的压抑 感。驾车时打开遮阳板，可以欣赏到更多的风景，增添驾乘的乐趣。 ( 4 ) 其它 汽车天窗是销售旧车时的有利增值条件；汽车报废时，天窗可拆卸后重新安 装：车辆发生事故时的它可作为一个紧急出口；在野外进行拍照、摄像和狩猎等 活动时也能充分利用。 1 3 。3 集成快速成型与逆向工程技术研发汽车天窗 快速成型与逆向工程技术集成应用在汽车天窗研究所表现出来的优点与传 统方法是无可比拟的，主要表现在： ( 1 ) 效率高，缩短了设计制造周期，显著降低研发成本。基于快速成型的逆 向工程技术，将逆向工程与快速成型制造相结合，组成产品测量、建模、制造、 验证、再设计的闭环系统，可以实现快速测量、设计、制造、修改的反复迭代， 高效率完成产品设计。将其应用在天窗新产品丌发以及单件、小批量产品生产中 有效地提高产开发速度、质量，减少了开发成本和风险。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 新产品研发更具灵活性与便捷性。为天窗建立模型后，输入快速成型设 备，制作出物理原型，进行外观评估、设计检验、装配检验以及性能和功能分析 等。然后再将快速成型分析结果反馈到数字模型，通过再设计环节，最终获得满 足设计要求的数字模型。这就使得新产品设计更灵活和便捷，在产品更新换代同 益加快的今天无疑大大提高的产品竞争力。 ( 3 ) 提高产品精度。逆向工程非常有利于获取零件数据的完整获取，经过建 模修改或者快速成型工艺参数的调整，可以实现零件和模型的变异复原，设计精 度大大高于传统的设计方法。在整个开发过程中，数字化设计与制造贯穿于设计、 丌发和生产过程，数字模型为样件试制、工装设计制造和模具设计生产提供准确 的原始数据。从而提高了产品的加工精度。 1 4 选题意义、主要内容及技术路线 1 4 1 选题意义 汽车天窗分为两类产品，一是原厂配套汽车天窗，二是后加装汽车天窗。原 厂配套汽车天窗在汽车产量中所占比率如表1 1 所示；为汽车后加装天窗也已经 是相当普及，美国每年就有2 8 万辆汽车购买后加装天窗，韩国则为2 万辆。 表l l 汽车天窗原厂配套在汽车产量中所l 与比率 类别高档车中档车低档车 国外 8 0 7 0 5 1 0 国内 3 0 6 0 5 - 1 0 出于成本及消费习惯的考虑，国内很大部分的整车没有安装天窗。这给我国 汽车天窗原厂配套和后加装汽车天窗提供了很大的市场。根据汽车天窗原厂配套 在汽车产量中所占比率，汽车产量按5 0 0 力辆，天窗按汽车产量的t 0 计，明 年的需求量为5 0 万套；再者，这三年国内每年有近万辆汽车安装了天窗，装载 数量正呈现出强劲的上升趋势。由此得出，2 0 0 5 年的需求量至少为5 0 万套，随 着汽车业的蓬勃发展，这个数字将在今后几年翻番。 虽然我国汽车天窗的市场需求强劲，但是国内没有自主知识产权的汽车天窗 技术，天窗产品长期以来依赖国外进口。所以，研发适合我国的汽车天窗产品， 对于降低整车成本，提高汽车零部件国产化率有重要意义。 犬津人学硕士学位论文第一章绪论 1 4 2 研究内容 本文以外开7 5 0 型和内藏天窗为对象，集成快速成型和逆向工程技术，研究 汽车天窗产品设计开发中的相关技术，研究内容如下： ( 1 ) 阐述逆向工程的应用、研究现状及其关键技术，概述快速成型技术的原 理和应用；将逆向工程与快速成型技术集成引入汽车天窗的研究。 ( 2 ) 研究逆向工程与快速成型技术集成模式，建立外开7 5 0 型和内藏两款天 窗的数字模型。探讨汽车天窗的逆向工程流程及数据采集、数据处理、曲面重构、 曲面品质分析及优化等关键技术；运用快速成型技术完善天窗数字模型。 ( 3 ) 研究天窗的再设计问题，包括逆向工程再设计和创新再设计两大部分。 分析整体再设计的原因，给出整体再设计的方案，并研究控制系统再设计的思路 和实现措施。给出外开天窗排水结构创新设计和上框架、下框架创新设计。 ( 4 ) 研究汽车天窗的匹配车型设计问题，提出两种高效的实现方法。对于原 厂配套产品，提出参数化的理念和解决方案，并阐述参数化设计实施步骤；对于 后加装产品，给出建立天窗总成模型库和通用零件库的车型匹配方法。 1 4 3 技术路线 1 趸F等 午C A D 萋 模型 启厩分 黛_ F 隔件f 和逆 汽 天窗总成 汽 析、拆分 成型 生 车 天向I 一 天 C A D 模型 窗样 窗 窗 总 再 车 成型 原 和整车装 设 匹 型 再己、整车试验l 溃拍晤拥坊制晤柙1 计 配 - I 2 刈8 “、1 2 。塌8r 图1 4 研究汽车天窗技术路线 本文的技术路线如图1 4 所示，首先对汽车天窗原型总成进行两方面的工作， 一是结构分析、拆分零件，了解其基本结构；二是和整车装配，进行整车试验， 掌握其运动原理和控制原理。 然后，对于单个零件，集成运用快速成型和逆向工程技术，反求出零件C A D 模型，再结合运动、控制原理进行再设计，优化、完善其结构和控制系统，最终 获得理想的天窗总成模型。 最后，开展汽车天窗的车型匹配研究工作。 天津大学硕士学位论文第一二章集成快速成型的汽车天窗逆向，I 。释技术 第二章集成快速成型的汽车天窗逆向工程技术 2 1 集成快速成型的汽车天窗逆向工程模式 2 1 1 模式框图 蓊磊；藁博墨塑量+ n 孬萌稠! ! 兰竺 图2 1 集成快速成型的汽车天窗逆向一程模式 集成快速成型的汽车天窗逆向工程模式如图2 1 所示，首先由测量系统采集 天窗零件原型点云数据，然后经过数据预处理、特征提取和数据分割等处理环节， 再重构曲面，生成C A D 模型，输入快速成型设备，制作出零件快速成型件。与 此同时，数据预处理后，由点云生成S T L 文件，传入快速成型设备，得到样件 快速成型件。综合对零件快速成型件和样件快速成型件的分析，经过再设计环节， 天津大学硕十学位论文 第二章集成快速成型的汽车天窗逆向r 狂技术 获得理想的C A D 模型。 在C A D 模型基础上，经过C A D C A M 系统，获得模具C A D 模型，传入加 工中心，生成零件和模具的N C 程序，最终加工得到零件和模具。另一方面，C A D 模型也可以直接输入R P 系统，一步得到快速模具：或者利用R P 系统制得零件 快速成型件作为母模，再用传统的方法通过一次或数次翻模来产生快速模具。 2 1 2 关键技术 集成快速成型的汽车天窗逆向工程的关键技术为：数据采集、数据处理、曲 面重构、曲面品质分析和优化、快速成型和再设计。 2 2 数据采集 2 2 1 数据采集方法 数据采集，即零件原型的数字化，主要任务是获取样件表面的三维坐标信息。 它是逆向工程技术的基础，是曲面重建中三维坐标点的来源。数据采集技术是逆 向工程的前端技术。近年来，随着光电技术、微电子技术和计算机技术等相关技 术的快速发展，出现了各种各样的样件表面数字化方法。数据采集方法按其特性 及应用，分为接触式和非接触式两种。 接触式数据采集方法有基于力触发原理的点位触发式和连续数据扫描式。前 者采集速度较低，一般只适于零件的表面形状检测，或需要数据较少的表面数字 化的场合：后者速度较快，因而可用于采集较大规模的数据。典型的接触式测量 设备是三坐标测量机( C o o r d i n a t i o nm e a s u r i n gM a c h i n e ，C M M ) 。接触式测量的优 点是准确性和可靠性高，对被测样件的材质和反射性无特殊的要求，不受表面颜 色的影响。缺点是测量速度慢，测量过程中存在着摩擦力和弹性变形，不适于对 软质、易碎、易变形、超薄样件进行测量，对尺寸小于测头直径的微细部分的测 量受到限制。 非接触式数据采集方法主要是利用光学原理，测量时不接触待测物体的表 面，其数据传递介质有激光、声波、电磁场三种，包括激光三角测量法、激光测 距法、结构光法、图象分析法、光栅测量法等。这种方法的最大优点是速度快、 自动化程度高、不受样件材质和薄厚的影响，没有测量摩擦力和接触压力，排除 了由这些力引起的模型变形测量误差。测得的数据量大，能充分反映被测样件的 表面形状信息，适于各种复杂模型的三维高速测量。缺点是易受样件反射特性和 环境光的影响L 3 J 。 大津人学硕士学位论文 第二章集成快速成硝的汽车大窗逆向T 程技术 前面介绍的方法都存在“遮挡”问题，不适于测量样件的内部特征，如发动机 缸体、航空叶片等复杂零件。断层扫描测量能够同时对样件的表面和内部特征进 行精确的测量。测量数据是按层组织的有序点构成的剖面扫描线，具有密集、完 整的特点。主要包括层切法和C T 扫描。层切法将样件逐层铣削，摄取每一一断层 上的图像，不同层的图像集合就构成了被测物件的三维轮廓。该方法的主要问题 是速度慢，而且对被测样件是破坏性的。工业C T 实现了对被测样件内部的无损 测量，缺点是精度低，而且设备价格昂贵。 2 2 2 数据采集规划 测量规划主要是确定测量原型、测量方法、测量设备和区域规划，作为整个 测量工作不可缺少的环节，起着重要的作用，良好的规划可以提高测量的工作效 率。如图2 2 所示，本文外开7 5 0 型电动天窗的测量规划： 图2 - 2 外开7 5 0 型电动天窗测量规划 1 测量原型 测量原型为外开7 5 0 型电动天窗总成，如图2 3 所示。 2 测量方法 采用接触式和非接触式两种测量方法。 1 1 接触式测量出于精度要求和为避免反光所造成的测量数据的闭塞，上框 架、下框架和机械组等零件采用接触式测量方法。扫描过程中针对零件形状复杂 这一特点，对模型进行多角度扫描，这样可以避免扫描盲区的存在。最后，实物 模型扫描文件以I G E S 格式输出。 犬津大学硕士学位论文第二章集成快速成型的汽车天窗逆向上程技术 2 ) 非接触式测量出于速度要求和精度，本文的玻璃体采用非接触式测量方 法。对模型进行多角度扫描，实物模型扫描文件以I G E S 格式输出。 图2 - 3 外开7 5 0 型电动天窗总成 3 测量设备 A L L A N C E I 型单臂三维测量机和3 DS c a n n e r s 激光三维扫描仪，如图2 - 4 所示，技术指标见表1 1 。 图2 - 4 测量设备 a ) A L L A N C E - I 型单臂三维测量机b ) 3 DS c a n n e r s 激光三维扫描仪 表1 1 测量设备技术指标 、测量设备A L L A N C E I 型3 DS c a n n e r s 指单臂三维测量机激光三维扫描仪 每程( m m ) 6 0 0 01 5 0 精度( m m ) O 0 30 1 速度( m m s ) 2 0 0 3 0 天津大学硕士学位论文第二章集成快速成型的汽车天窗逆向J ：程技术 4 区域规划 在激光测量中，可及性是必须考虑的问题，它直接影响着测量结果的好坏。 可及性问题主要体现在两个方面：一是由于零件各部分的位置关系而造成的崎：相 遮挡产生的不可及表面，另一个则在于测量设备本身，由于激光测头自身焦距的 限制，使得只有在空间某个高度范围内的点可以被测量仪所接收，因此为了得到 零件整个高度方向上的所有点就必须依次改变测头的高度，但是有些零件的形状 会限制激光测头这种高度上的位移，从而造成了不可及表面。另外，由于激光测 头运动自由度的限制，很难直接在一个视角内获得零件完整的表面信息。因此就 必需将零件表面依据其特征分布划分为若干个区域，分别对每个区域进行测量， 最后再把每个测量结果拼合在一起，得到整个零件完整的表面点云数据。正因为 如此，在整个测量过程开始之前详细的制定一个区域规划，不仅可以避免出现不 可及表面，或者使不可及表面尽可能的少，而且还能使每个视角扫描得到的表面 点云数据与零件实体的表面特征分布相吻合，便于后续的操作处理。 2 2 3 数据采集结果 图2 5 为玻璃体用3 DS c a n n e r s 激光三维扫描仪扫描的点云数据，扫描分三 次进行。玻璃体两曲面平行只测量单面即可。测量时，在样件上固定几个辅助 圆球，玻璃体每次扫描连球一起扫描，其点云数据起辅助多视拼合的作用。其中 a ) 为左区点云，b ) 为中间点云，c ) 为右区点云。 其余的零件扫描结果这里就不一一表述，部分数据可见附录。 a 1 左区点云 辅助圆球 b ) 中间点云c ) 右区点云 图2 5 玻璃体的扫描点云 天津大学硕士学位论文 第二章集成快速成型的汽车天窗逆向J = 程技术 2 3 数据处理 数据处理是逆向工程中的关键环节，它的结果将直接影响后续模型重构的质 量。此过程中一般包括杂点、噪声点去除、数据光顺、多视拼合、数据精简、特 征提取和数据分割等工作： ( 1 ) 数据预处理如噪声处理，降低或消除噪声对后续建模质量的影响，对点 云进行平滑等，减少测量点中存在的大量冗余数据； ( 2 ) 数据光顺光顺是指曲面上各点的曲率是连续变化的，通常采用最小二乘 法、能量法和小波分析方法等来实现。 ( 3 ) 多视拼合把多块位于不同空间坐标系的测量结果，在三维重构前实现坐 标归一化处理。 ( 4 ) 数据精简压缩不必要的三角形面片内的数据点，减少计算量。将点云按 一定规则排序，以赋予特定的几何或拓扑意义。 2 3 1 数据预处理 1 杂点、嗓声点去除 测量所获得的点云数据会有不需要的杂点或不合理的噪声点存在，删除杂点 和过滤噪声点是数据处理的基础。在复杂实体反求时，一般按照产品的形状特点 进行区域划分测量，而且在数据采集的过程中，为了保证精度，通常采样密度非 常大。通常，以扫描测量为基础的点云数据的采集量可高达几兆甚至几十兆字节。 这些数据之间通常没有相应的、显式的拓扑关系，其中还包括大量的无用数据， 并存在着噪声。 最简单、最常用的噪声去除法是人机交互，即通过图形显示，判别明显坏点， 在数据序列中将这些点直接删除。很明显，这种方法在数据量大的情况下是不适 宜的。对于大范围数据云的噪声过滤常用程序判断滤波、N 点平均滤波以及预测 误差递推辨识与卡而曼滤波相结合的自适应滤波法等【5 2 j 。从目前的研究状况来 看，直接处理很难，因为点和点之间的拓扑关系并没有建立，可行的途径是首先 建立拓扑关系，然后通过高斯曲率等其它标准进行判定。 本文这一步中主要是噪声点的去除，以人机交互的方式为主，它既可以在多 视拼合之前进行，又可以在多视拼合完成后进行，或者是交错进行。 2 多视拼合 由于测量范围和角度等原因，对大物体及表面形状较复杂的物体测量常常是 分块进行的。为了保证数据的完整性，数据块之间往往有一定量的重叠。通常的 天津大学硕士学位论文 第一章集成快速成型的汽车天窗逆向丁：程技术 做法是重新定位，以另一角度或方向获取样件的表面信息，这称为视图( s h e l l ) 。 因此要获得物体完整的表面信息就必须把每次的测量结果拼合起来，这就是多视 图数据拼合。多视拼合有三种方法：点位法、固定球法以及平面法【3 5 l 。多视拼合 后采用数据值叠加或者相减来进行数据融合。目前，多视间重叠数据如何合理融 合仍然是逆向工程的难点之一。 点云拼合的过程也就是将每次测量中不同的测量坐标系统统一起来，即为坐 标系的归一化处理。坐标系归一的方法是根据指定的若干个参考点或参考特征确 定出坐标系间的转换矩阵，从而确定点云数据间的关系。F 面是几种常用的拼接 方法： ( 1 ) 点位法 点位法至少用到三点，一般用三点即可。三点一般应是特殊的容易识别的点。 要求三点在两次测量中都被测到，利用两对三点的连接矢量计算出坐标系倒的平 移和旋转关系。此算法的精度受到各点误差的很大影响。 ( 2 固定球法 固定球法至少用到三个标志球，一般用三个球。同样要求这三个标志球在两 次测量中都被测到，利用测量到的辅助小球球表面数据拟合成球，并以球心计算 坐标系间的转换关系。比较而言，这种方法的精度比上面一种要好，因为其不容 易受到单个点误差的影响。 ( 3 ) 平面法 这种算法适用于能够确定三个相互垂直的参考平面的情况。每组数据至少要 测6 个数据点。用其中三个数据点确定出第一个平面，再结合另两个数据点确定 出第二个平面，同时也已确定了第三个平面的法线方向。再结合最后一个点确定 出第三个平面。三个平面的交点可作为坐标系的参考零点。 不管应用什么样的拼合方法，其过程可分为两个步骤：映射和合并。映射是 找到其中一个点云上每一点在另一点云上的对应位置；合并是根据多次测量时点 云数据间的重叠或间隙、测量的间距相同与否等不同情况，相应地对点云数据进 行取舍，常用的有简单相加、减、重叠区域取其中之、除去重叠点等方法。经 过这两个步骤之后，便得到了可以反映整个零件完整表面信息的点云数据。 本文这一步中采取点位法和固定球法进行多视拼合。其中点位法取点不仅限 于三点，可以是三个以上的多点。 3 数据精简 在测量过程中，采