新型电动摩托车设计-车身A面组.doc

柳州职业技术学院毕业设计（论文）题目：新型电动摩托车设计车身A面组 姓名 xxx 学号 xxxxxxxxxxx 专业 计算机辅助设计与制造 年级 2009 指导教师 xxx 完成时间 2010年9月20日 目录摘 要1任 务 书2第一章 电动摩托车的介绍41.1电动摩托车 electric motorcycle41.2电动摩托车组成4第二章 设计开发工具的介绍52.1点云处理的软件52.2实体建模软件5第三章 新型电动摩托车设计车身A面63.1A面的介绍63. 2 摩托车车身A 级曲面的光顺要求73. 3 车身A 级曲面734 控制顶点83. 5 曲率梳83. 6 斑马线93. 7 车身A 级曲面质量综合评价标准及权重10第四章 车身外观建模过程124.1.模型分析124.2扫描方案124.3车身扫描124.4点云数据处理1345在UG6.0中导入数据154.6 逆向工程的车身测量点云分割方法164.7车身A面的拆分164.8踏板的建模18第五章 车身A面评估235.1曲面评估23第六章 效果图25毕 业 设 计 心 得26致 谢27参 考 文 献28摘 要车身是摩托车的三大总成之一，其生存周期约为支架的三分之一。车身的更新速度较快，因此车身设计对新车的开发具有十分重要的作用。目前，计算机辅助技术已渗透到摩托车生存周期的各个阶段，尤其是逆向技术已成为摩托车造型设计的常规手段。 文中以新型电动摩托车轿车车身为对象，运用UGNX6.0三维造型软件进行摩托车车身A面造型，着重研究点、曲线构造、曲面构造、曲面过渡连接以及摩托车车身曲面的分块和整车的A面造型。【关键词】：摩托车车身，A级曲面，造型设计，UGNX6.0，逆向工程。柳州职业技术学院毕业设计（论文）任 务 书 机电工程 系（部） 计算机辅助设计与制造 专业 2009级计算机辅助设计与制造 班 学生 xxx 学号 xxxxxxxx 一、毕业设计（论文）题目： 新型电动摩托车设计车身A面组 二、毕业设计（论文）工作规定进行的日期：2010年7月25日起至2010年10 月15 日 止 三、毕业设计（论文）进行地点：机电系实训楼三楼模具技术中心 四、任务书的内容：目的：提高产品设计能力、发挥个人的创造力任务：任务示意图：产品说明完成内容要求外观A面设计1、 根据给定电动摩托车样车及改进的外形，完成外观A面设计（建立3D数模，使用软件不限）；2、 建立该产品的三视图及效果图3、 制作A面分析报告；4、 编写毕业设计说明书。 第一章 电动摩托车的介绍1.1电动摩托车 electric motorcycle电动摩托车，电动车的一种，是一种外形类似于摩托车，但却是以蓄电池来驱动马达使其行驶的摩托车。分为电动两轮摩托车和电动三轮摩托车：a)电动两轮摩托车：由电力驱动的，最高设计车速大于50km/h的两轮摩托车。b)电动三轮摩托车：由电力驱动的，最高设计速度大于50km/h，整车整备质量不超过400kg的三轮摩托车。1.2电动摩托车组成电动摩托车车的组成包括：电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动摩托车的核心，也是区别于内燃机摩托车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。图1 为电动摩托车结构组成第二章 设计开发工具的介绍2.1点云处理的软件Geomagic和Imageware都可以处理点云。 Geomagic能更好地进行点云进行拼接，点云数据的精简，如果用Imageware处理点云，则会耗内存过多，显示延迟，不存在拼接模块等缺点，所以使用Geomagic进行点云的处理。2.2实体建模软件 实体建模软件UG和Pro/ENGINEER同样的优秀，这次毕业设计中主要用Unigraphics(UG)进行模型的建立和分析.Unigraphics(UG)是一套复杂产品设计制造的最佳系统，从概念设计到生产产品，UG广泛的军用在汽车业、航天业、模具加工及设计业、医疗器材产业等等，近年来更将触角深及消费性市场产业中最复杂的领域工业设计。运用其功能强大的复合式建模工具，设计者可依工作的需求选择最适合的建模方式；关联性的单一数据库，使大量零件的处理更加稳定。除此之外，组立功能、2D出图功能、模具加工功能及与PDM之间的紧密结合，使得UG在工业界成为一套无可匹敌的高阶CAD/CAM系统。该软件具有以下特点：（l）具有统一的数据库，真正实现了CAID、CAD、CAE和CAM等模块之间无数据交换的自由切换，并且可实施并行工程。（2）采用复合建模技术，将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模等建模技术融于一体。（3）采用基于特征的建模和编辑方法作为实体造型的基础，形象直观，类似于工程师传统的设计方法，并能采用参数驱动。（4）曲面设计采用非均匀有理B样条作为基础，可用多种方法生成复杂曲面，特别适合于汽车外形和汽轮机叶片等复杂曲面的造型。（5）二维图功能强大，可方便地从三维实体模型直接生成二维工程图，可以按照ISO标准和国标生成各种剖视图、标注尺寸、形位公差和汉字说明等。（6）以Parasolid为实体建模核心，目前许多著名CAD/CAE/CAM软件均以此作为实体造型的基础。（7）提供了界面良好的应用开发工具，并能通过高级语言接口，使UG的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合，便于用户开发专用CAD系统。（8）具有良好的用户界面，绝大多数功能都可通过图标实现；进行对象操作时，具有自动推理功能；在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，便于用户做出正确的选择。第三章 新型电动摩托车设计车身A面3.1A面的介绍A 级曲面（A-class）并没有十分严格的数学定义也没有十分严格的概念定义，如果用一句话来描述它的话，那就是“非常简单但非常完美的曲面”；一般来说可以用下面的条件进行描述：1、一般CLASS A 的阶次与控制点数目都不多，UV 方向大概在68 个控制点；2、单独一个CLASS A 曲面在UV 方向都保证曲率的连续性及变化趋的一致；3、CLASS A 曲面之间的连接至少满足切向连续；4、使用多种数学检验方法来检验CLASS A 曲面，不应该出现视觉上的瑕疵。（如使用高光等高线来检验时，等高线连续且过度均匀间隙均匀。一般不太可能在一个视觉方向上出现多个高光点等）。从上面的条件可以知道，曲面上的G2 连接可以说是一个基本要求；因为曲面的G2 以上连接才会在连接线附近有光顺的反射效果。但是,即使G3了，也未必是a-class,也就是说有时虽然连续，但是面之间出现褶皱，此时就不是a-class 。通俗一点说，class-A 就必须是G2 以上连接。G3 连续的面不一定是CLASS-A 曲面。汽车业界对于a class 要求也有不同的标准，GM 要求比TOYOTA ，BMW等等要低一些，也就是说间隙和切线角度变化要求要松一些。关于A-class surfaces 的定义和应用，有两个基本依据原则：（1）依据曲面所处的位置，所有消费者可见的表面A-Surface考虑。汽车的console（副仪表台）属于A-surf，内部结构件则是B-surf。（2）依据曲面本身的质量，涉及曲面拓扑关系、位置、切线、曲面边界处的曲率和曲面内部的patch 结构。有些用户直观认为“点连续”是C 类，切线连续是B 类，曲率连续是A 类。但更加适当地定义应从数学解析上定义为G0、G1 和G2，对应于B 样条曲线方程和它的1 阶导数（相切=G1）和它2 阶导数（曲率=G2）。但A-surf 有可能是曲率不连续的，如果那是设计的意图，甚至有可能切线不连续,如果设计意图是一处折痕或锐边,（而通常注塑或冲压不能有锐边，因此A-suuf 一定是切线连续(G1)的）。第二种思想以汽车公司和白车身制造方面的经验为基础，做出对surf 更深刻的理解。他们按独立分类做出了同样的定义。物理定义：A-surf 是那些在各自的边界上保持曲率连续的曲面，曲率连续意味着在任何曲面上的任一点沿着边界有连续变化的曲率半径，曲面是挺难做到这一点的。向连续仅是方向的连续而没有半径连续，比如说倒圆角。点连续仅仅保证没有缝隙，完全接触。事实上，切连续的点连续能满足大部分基础工业（航空和航天、造船业、BIW 等）。基于这些应用，通常并无曲率连续的需要。A-surf 首先用于汽车，并在消费类产品中渐增（牙刷，Palm，手机，洗机机、卫生设备等）。它也是美学的需要。*点连续（也称为G0 连续）在每个表面上生产一次反射，反射线成间断分布。*切线连续（也称为G1 连续）将生产一次完整的表面反射，反射线连续但呈扭曲状。*曲率连续（也称为G2 连续的，Alias 可以做到G3！）将生产横过所有边界的完整的和光滑的反射线。3. 2 摩托车车身A 级曲面的光顺要求摩托车车身A 级曲面是指车身外表面中的高可见区域曲面, 包括前后翼子板、前后保险杠、侧围以及内饰件中的高可见区域等。在工程实践中, 车身A 级曲面要符合造型特征要求, 曲面拼接的连续性在理想的G2 连续( 二阶几何连续, 曲率连续) 或者以上, 造型特征要求不连续者除外。单个曲面的补片数( patch 数) 在u、v 两个参数方向上都是1( 即Bzier 曲面) , 其控制顶点数应控制在6 排( 5 次) 以内, 控制顶点分布规则, 各行控制顶点间角度变化均匀。单个曲面上尽量没有反凹现象。在曲面光顺时, 曲面与测绘点云的精度要求应根据实际情况而定。如果是逆向一个整车, 或者油泥模型制作的比较精确, 则测绘点云精度在0.30.5mm 之内就能很好地表达摩托车的特征。如果油泥模型制作的比较差, 还要根据具体情况制定其精度要求。3. 3 车身A 级曲面车身A 级曲面的评价包括曲面特征评价和曲面质量评价。特征评价是造型人员根据摩托车造型要求评价所做的曲面是否符合造型意图。本文主要阐述曲面质量的评价, 曲面质量评价方法有控制顶点法、曲率梳法、斑马线法、高斯曲率法和连续性精度评价等。34 控制顶点根据摩托车车身A 级曲面的要求, 以摩托车部分曲面为例来讨论用控制顶点法评价A 级曲面的品质。图2为摩托车车前储物箱曲面及其控制顶点。图2 控制顶点由图2 可看出, 该曲面组成, 每个曲面在u、v 两个方向上补片数( patches) 都为1,其控制顶点的次数在5 次( 6 排控制顶点) 内。而且,根据其征的变化, 控制顶点的排列有序，曲率变化不大, 所以该处的控制顶点排列均匀稀疏; 而在两侧曲率变化比较剧烈的部位, 曲面的控制顶点变得密集。总之, 控制顶点的排列根据其特征有一些变化, 其变化也呈现一定的规律性。3. 5 曲率梳利用曲率梳评价车身A 级曲面时, 先在曲面上取一系列的断面曲线, 然后通过对其曲率梳进行分析, 从而评价曲面本身及曲面间连续性的品质。根据曲线连续条件, 下面分析图3 所示的几种情况。图3a 为曲线位置(G0) 连续的曲率梳检测结果。可以看出, 当曲线 只满足G0 连续时,其曲率梳在连接处有夹角, 而且其外缘高度也不相同。在光顺实践中, 除曲面特征要求如此, 否则不允许出现这种情况。图3b 为曲线相切(G1) 连续的曲率梳评价情况。此时曲线的曲率梳在公共点处无夹角, 但其外缘高度存在差距, 这种情况对高可见区的曲面是不允许出现的。图3c 为曲线G2 连续的曲率梳评价。这种情况下, 曲线曲率梳在公共点处无夹角, 而且曲率梳外缘也是等高的, 对于车身A 级曲面来说是可以接受的。图3d 是理想G2 连续的曲率梳评价。此时曲线的曲率梳在公共点处没有夹角和差距, 而且曲率梳外缘也是光滑过渡的,是构建车身A 级曲面的理想情况。 （a） （b） （c） （d）图3( a) 曲线G0 连续( b) 曲线G1 连续( c) 曲线G2 连续( d) 曲线理想G2 连续如果曲率梳不符合A 级曲面要求, 则要打开相关曲面的控制顶点查找问题并进行修改, 直至满足要求为止。3. 6 斑马线在工程实践中, 也经常用斑马线来评价车身A级曲面的品质。一般要求曲面的斑马线粗细均匀, 斑马线之间的间隔也要均匀。图4、5为两个曲面拼接后的斑马线评价情况。图5的两曲面是G0 连续, 所以斑马线在公共边界处相互错开, 除有特征要求外, 此种情况是不允许出现的; 图4 的两曲面是G1 连续, 两曲面的斑马线是对齐的, 但在拼接公共边界处有尖角, 在进行车身A级曲面大面拼接时也是不允许的; 两曲面的斑马线在拼接处光滑过渡, 车身A 级曲面必须达到这样的要求; 图4曲面G1 连续 图5曲面G0 连续由图6可看出, 该曲面斑马线及其间隔均匀, 在过渡曲面处的斑马线及其间隔是逐渐变化的。连接处的斑马线是S 形的, 这说明曲面间连续至少在G2 连续以上, 显示该曲面具有很好的品质。图6曲面拼接连续性精度的评价：在工程实践中, 除对车身A 级曲面进行上述评价外, 还要对曲面拼接连续性的精度进行评价。对于高可见A 级曲面的基本曲面, G0 连续的最大偏差值0.005 mm, G1 连续的最大偏差值0.05, 而G2 连续的最大偏差值0.5 mm- 1。3. 7 车身A 级曲面质量综合评价标准及权重根据车身A 级曲面各种评价方法的作用, 用百分制来建立一个综合评价体系。在评价摩托车车身A 级曲面时, 首先要关注其基本曲面。基本曲面的内部质量及其连续性评价可以从曲面u 与曲面v 两个参数方向的补片数、阶次、控制顶点的排列及其截面线的曲率梳、斑马线和高斯曲率图颜色变化等方面入手。因为基本曲面影响到后续过渡曲面的构造和连续性, 所以给出了50 %的权重。过渡曲面内部质量及其连续性同样也可以从曲面u 与曲面v 两个参数方向的补片数、阶次、控制顶点的排列及其截面线的曲率梳、斑马线和高斯曲率图颜色变化等方面着手, 但相比基本曲面其要求相对较低, 所以给出了35 %的权重。如果基本曲面和过渡曲面构造精确, 那么基本曲面与过渡曲面的连续性评价只用曲率梳、斑马线和高斯曲率图来评价即可, 所以其占的比重最低, 仅给出15 %权重。表1 A 级曲面评价标准及权重本节利用控制顶点、曲率梳、斑马线和高斯曲率等方法对摩托车车身A 级曲面进行了评价。其中曲率梳、斑马线和高斯曲率3 种方法都可以评价单个曲面的内部品质, 也可以评价曲面之间的连续性, 利用这3 种方法可发现曲面的问题所在, 然后从相关曲面的控制顶点查找根本原因并进行修改, 使控制顶点排列有序, 以达到A 级曲面的要求。4 种评价方法中, 曲率梳、斑马线和高斯曲率方法反映的是曲面问题的表象, 而控制顶点排列才是曲面问题存在的根本原因, 所以在A 级曲面评价中要注重控制顶点的排列。第四章 车身外观建模过程摩托车车身逆向开发的流程模型分析扫描方案确定进行扫描点云拼接点云数据过滤数据的转换曲面的构建曲面的缝合模型的建立A面分析与评估整车效果。4.1.模型分析针对摩托车车身的外形观察，发现其实体主要分为三个区域。它们分别车头区，踏板区，车枕区。且都是曲面特征，可以曲线做网格面等方法来生成所需要的曲面，然后分别进行裁剪，就得到了想要得曲面大小。4.2扫描方案电动摩托车的外形尺寸为1900mm*600mm*800mm，根据外形尺寸和三坐标扫描仪器的扫描特点，最终确定利用通过移动扫描机来对车身进行全方面的扫描。4.3车身扫描车身扫描是通过三坐标扫描机把样机外观面扫描出来，得到整车的点云数据，如下图图7为正在对车身进行扫描运用点云处理软件（Geomagic Studio 11）对扫描好的点进行处理（减噪，体外孤点，非链接点，平滑，封装，网格医生，特征建立，基准建立），最后把处理好的数据导成STL文件格式。这就完成了摩托车车身数据的收集。如图：图8为正在对点云进行减少噪音图9为对车身做一个对称正面4.4点云数据处理经三维测量仪器扫描覆盖件模型获得点云数据以后, 可通过两个阶段实现A 级曲面重构: 点云处理和曲面重建。风扇点云的处理主要在Geomagic Studio软件进行,其中包括清除噪点，,合并, 补洞, 边界优化, 体外孤点，非链接点，平滑，封装，网格医生，特征建立，基准建立简化数据及保存等步骤。合并全局注册完后，点击工具栏的最后一个按钮“合并”，全部默认，并选择保“留原始数据”后点击“确定”。补洞其中洞的出现主要是标志点，首先用清除工具清除洞周围的点云（因为洞的周围曲率变化较大）。使用补洞工具进行补洞操作。选择需要补洞的线后单击“确定“，完成补洞操作。图10为正在对点云进行减少噪音图11为对车身做一个对称正面45在UG6.0中导入数据把处理好的数据倒进UG6.0中，倒入过程如下图图12为导入STL指令图13为在UG6.0显示数据的效果以上就完成了车身数据的输入，开始对A面的设计。4.6 逆向工程的车身测量点云分割方法车身表面由很多复杂的自由曲面组成,为生成高质量的光顺曲面,车身设计开发人员常利用手工制作好的实物模型反求ug模型。其过程包括测量获取点云、点云分割、点云参数化、曲面拟合和ug建模等主要步骤。对于数据分割,目前国内外的研究方法主要有:基于面的方法、基于边的方法。基于面的方法目标是搜索具有几何相同或相似特性的连续曲面片,根据微分几何中曲面的某些特征参数(如平均曲率、高斯曲率)的性质来确定属于一个面的所有数据点。Besl和Jain 1 利用变次的曲面拟合方法分割点云,通过计算高斯曲率和平均曲率,来确定一些核心区域,然后利用区域扩展方法找到所有边界曲线。基于边的方法主要是根据曲面在某点处的局部法向矢量、曲率极值以及高阶微分信息来判断该点是否位于两张不同的曲面上,以此来确定边界点。Milroy 4 采用基于边的半自动方法来处理正交截面模型,通过估算模型上每一点的表面微分性质,曲率的最大值点被认定可能的边界点,然后利用能量最小的等高线来连接边界点。董明晓等 5 提出了一种基于数据点曲率变化的区域分割方法,先对每一条扫描线上的数据点求取曲率值,然后将其中曲率值变化较大的点提取出来作为边界点,将点云数据分割成多个区域。基于边的方法主要优点是速度快,对尖锐边界的识别能力强;存在的问题是对噪音数据和计算误差很敏感,不能完全保证构成封闭的边缘。4.7车身A面的拆分为了更好的对车身进行设计，首先需要对车身进行分区，按照车身显示的不同颜色确定分界线，倒角区域，每一块面的区域。在ug6.0中，利用小平面体曲率命令进行对车身的分区。如下图：图14为分区指令直纹面扫掠曲线网格拉伸面曲线网格 图15为分区后的效果小结：对点云数据进行区域分割处理,是车身曲面重构过程的重要前提和基础。上述两种方法,具有原理简单、易于实现、点云分割速度快的优点。初步应用表明,方法适用于摩托车车身造型设计,具有较大的应用潜力。但从结果来看,也存在如下问题: 由于经过了去噪、简化、三角剖分等过程,滤除了大量数据点,使得边界点云信息不足,边界分割不太明显。若采用将只经过去噪处理的点云数据应用于基于平面度误差的分割方法会取得更好的结果。对摩托车车身复杂曲面点云数据的分割,特别是光滑边界的准确提取,应该要取得更加理想的分割效果,作者今后将进一步开展这方面的研究工作。4.8踏板的建模根据功能的要求及结构的特点，选择正确的曲面设计方法。其次，按曲面造型方法的要求，构造“脊线”和其他约束曲线。“脊线”为曲面造型的方向约束线，其他约束线指形状约束线和边界条件。确定约束条件时应注意：“脊线”应比要生成的曲面长些，以保证生成的曲面足够大；“脊线”尽量与其他约束线平行，生成曲面的质量较好；通过“脊线”上任何位置的法线与其他约束曲线的交点不应多于2个。方法：通过利用平面去截三角面，得到了截面线，然后在根据截面线进入草图，利用直线、圆弧把截出来的线条重新拟合，得到了所需要的曲线。曲线创建（A面曲线要求，曲率梳概念，曲线曲率梳分析）操作如下：单击截面曲线按钮，弹出对话框，选择数据为对象，选择zx平面为剖切平面，并按确认键就可得到剖切线。如下图：图16为创建截面线单击草图按钮，选择zx平面为草图平面进入草图，用直线、圆弧等命令来重新构造截面曲线，并利用草图约束命令进行约束。如图：图17为在草图中重新绘制曲线绘制好4条曲线后，由于模型是左右对称的，所以我们只需要做一半。应为因为该处的面为拉伸面，所以不需要做相切约束，只需要沿着Y方向拉伸即可.如下图：图18为拉伸面踏板前部分区曲面建模，首先做三个基准平面，利用基准平面截取车身，得到一条车身外形的样条线，然后进入基准平面做线。最终利用线条做网格面。图19为截取轮廓线图20草图构线根据要求，每个大曲面都按照以上方法进行建模，经修剪、缝合、加厚，最终得到模型。如下图图21为完成曲面由于整车是左右对称的，所以我们只需要把一边的模型镜像过去就可以了。图22为创建对称曲面 以上为建模过程，做好了曲面之后，我们需要对曲面进行检查，以便后续的调整工作。检验的方法有：曲率梳，高光，斑马线等。如线图:图23分析曲率梳图24斑马线分析A级曲面用高光等高线检测时显亮的曲线-这些曲线应该有一个共同的曲率特征，等高线连续且过度均匀、逐渐的发散或收缩，而不是一下子汇集消失到一点。第五章 车身A面评估5.1曲面评估利用曲率和半径分析等功能检验所建曲面的质量， 从而确保几何图形能够符合设计要求，同时满足制造需求。5.1.1 设计方面的检查 1）数据的轮廓线是否符合2）零件的工艺性； 3）模型的整车外型尺寸4）各零部件间的配合间隙5）外部内部凸出物符合6）其他零部件的检查。5.2.2 造型方面检查1） 面与点云的特征线是否吻合； 2） 线与线连续性和精度的检查； 3） 面与面连续性和精度的质量检查4） 线（主指特征线）与面的质量关5） R 角大小有没有遵循造型师的意6）