（机械制造及其自动化专业论文）基于逆向工程的汽车仪表板开发技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 仪表板是汽车的重要零部件，产品更薪快，外表蠢复杂，表面质量要求蕊。 因而，在产品开发和表面质量控制方面难度很大。如何采用有效的方法快速地开 发出产蒜、并保汪表垂质藿，是生产实际中急需鳃决的问题。 本文首先回颂了逆向工程技术的研究现状，系统地论述了数据采集、数据处 理以及曲面重构等复杂曲蘑实物邋向工程关键技术的特点、数学基础以及发震趋 势：根据逆向工程中对测量数据重定位整合的实际需要，研究通过最小二乘法实 现基于特征匹配的多视点云拼合；考虑到点云数据上存在的孔洞影响后续处理， 本文重点研究了不同形式点云数据的孔洞修补问题；针对从散乱数据难以提取所 需的特征线及这群 提取技术对操作人员经验的依赖的现状，提出了一种快速提取 产品建模所需的特征线的方法，荠通过一款仪表板的实例证明该法的可行性及准 确性。其次，结合两个横向课题：汽车仪表板的逆向工程( 项目代码1 8 1 1 1 1 0 0 0 5 ) 和汽车内饰件的逆向工程技术开发( 项目代码1 8 1l l1 0 2 2 5 ) ，对逆向工程技术在 仪表板开发应用中的流程进行了归纳总结，为厂家提出一种产品开发的新流程， 建立套先进的逆向工程系统，并将其服务于生产实际。最后，在逆向工程联论 的基础上，以漱汽车仪表板的逆向设计为基础，结合工厂实际经验，对汽车仪 表板的产品开发过程中一些常见间题( 包括造型、布置) 进行了归纳总结；通过 所建立的逆向工程系统完成了国内某汽车公司的某款仪表板的曲面熏构、内部结 构设计及c a d 模型的生成。论文对企业应闰逆向工程技术具有重要的参考价傻。 关键词：逆向工程，汽车仪表板，数据获取，点云，数据预处理，挂面重构 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n s t r u m e n tp a n e li sa ni m p o r t a n tp a r to fa u t o m o b i l e a st h es h o r tp r o d u c tc i r c u i t ， c o m p l e x i t yo ft h es u r f a c ep r o f i l e ，a n dh i g hr e q u i r e m e n tf o rs u r f a c eq u a l i t y , i tb r i n g s m u c hd i f f i c u l t yt or & da n ds u r f a c eq u a l i t yc o n t r 0 1 s ow h a ti st h ee f f e c t i v ew a yt o r a p i dd e v e l o p m e n ta n de n s u r i n gt h es u r f a c eq u a l i t yi sa nu r g e n tp r o b l e mn e e dt ob e s o l v e di np r a c t i c e t h i sp a p e rf i r s t l yg i v e st h er e v i e w so ft h ep r e s e n td e v e l o p m e n to fr et e c h n i q u e ， d i s s e r t a t e st h ec h a r a c t e r s ，m a t h e m a t i cb a s ea n dd e v e l o p m e n tt r e n do fs o m er e t e c h n i q u eo fc o m p l e xs u r f a c e ，s u c ha s ：d a t ac a p t u r e ，d a t ap r e - p r o c e s s i n ga n ds u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n ，e t c c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c ed e m a n df o rt h ei n t e g r a t i o n o ft h e m e a s u r e dd a t ar e g i s t r a t i o n , t h ei n t e g r a t i o no fm u l t i v i e wp o i n tc l o u di sc o m p l e t e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r sb yt h el e a s ts q u a r es o l u t i o n c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo f t h eh o l e si nt h ep o i n tc l o u do nt h ep o s t - p r o c e s s i n g ，t h i sp a p e re m p h a s i z e so nt h es t u d y o ft h ef i t l i n go ft h eh o l ei nt h es c a r ep o i n tc l o u da n dt h ea u t o a l i g no fd a t a a st h e d i f f i c u l t yf o re x t r a c t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i cl i n ea n dt h ed e p e n d e n c eo f t e c h n i q u eo nt h e e n g i n e e r se x p e r i e n c ea tp r e s e n t ，an e wm e t h o dt or a p i d l yc r e a t ec h a r a c t e r i s t i cl i n e n e e d e di n m o d e l i n gi sb r o u g h tu p s e c o n d l y , b a s e do nt h et w op r o j e c t s ( r eo f a u t o m o b i l ei n s t r u m e n tp a n e li d1 8 1 1 1 1 0 0 0 5a n dr ei nt h ed e v e l o p m e n to f a u t o m o b i l eo m a m e n t ) ，t h ep r o c e d u r eo ft h er ei np a n e ld e v e l o p m e n ti sc o n c l u d e d l a s t l y , b a s e do nt h e o r yo fr e ，a ne x a m p l eo ft h ep r o c e d u r eo fa na u t o m o b i l e i n s t r u m e n tp a n e l sd e s i g ni sd i s c u s s e dh e r e a n ds o m es o l u t i o n sa r ec o n c l u d e d ，a n d t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ep r o j e c to ft h ep a n e lr & db yr e ，i n c l u d i n g ：s u r f a c e r e c o n s t r u c t i o na n dt h es t r u c t u r ed e s i g n ，a n dt h ec a dm o d e l sc o m p l e t i o n s o m e t y p i c a lp r o b l e m sd u r i n gt h i sc o u r s ea n dt h ew a yt os o l v et h e s ep r o b l e m sa r ep r e s e n t e d t h i sp a p e ri so f v a l u a b l er e f e r e n c et ot h ec o m p a n y p r a c t i c a ld e s i g na n d m a n u f a c t u r e k e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，a u t o m o b i l ei n s t r u m e n tp a n e l ，d a t ac a p t u r e ， p o i n tc l o u d ，d a t ap r e 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 i l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作老完全了解学校有关保留、使用学位论文的 魏定，同意学校僚整荠蠢溺家有关部门线枫梭送交论文鹣复印 件和电子舨，允许论文被凌阅和借阙。本人授权江苏大学可以 将本学位论文兹全零内容缓入有关数据库进行检索，可以采臻 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属予，在年我解密后适用本授衩书。 ? 不保密曰 学位论文作者签名：攀谚法 即驴箩年，月，。e | 指导教师签名溺食馁 伊中年f 胃毒矿日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的鬻位论文，是本人在导师的指学下，独 立送行磺究工俸所敬褥麓戒象。豫文中已经注躜雩| 惩酶态容潋矫， 本论文不包含任何其他个人或集体门经发表城撰写过的作品成 果。对本文戆磺究擞文重瑟菱敲麓个人襄集傣。均毫在文中潋麓 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：淫符鸣 日麓。 弦f 眵年f 胃；。 日 江苏犬学硕士学位论文 。 孳| 言 第一章绪论 税瞬息万变的产品市场中，能否快速地缴产出符合市场要求的产晶，成为企 鲎成效魏关蕤。在突鞲生产孛，後往罄会逐戮这撵熬难题：藏是客户哭楚捷洪藿 内外先进产品的样晶或模型，没有现存的图纸或c a d 数据，用传统的靠模、翻模 方法，往往耗时费力，无法适应瞬息万变的市场。为适应现代先进制造技术发展， 嚣藜褥实镌棒俘或等工模型转纯为c a d 数据，孩褒零l 霉茯遴成型系统( 瓣) 、c a m 系统、产品数据瞥理( p d m ) 等先进技术进行处理和管理，并进行进一步修改和 再设计优化。此时，需要一个一体化解决方鬃：从样品一数据一产品。逆向工程 蒇专 l 为露l 造整撬供了一令全薪麴、裹效魏方案，实现获实物鬟死 霉羧鍪戆壹接 转换m 。 广义的逆向工程是消化、吸收先进技术的一系列工作方法的技术缀合，是一 奠跨擘零季、跨专鼗瓣、复杂魏系统工程。它酝摇影像遂囱、较箨遂鸯_ 稷灾糍遂蠢 等三方面。目前，大多数关于嫩向工程的研究主要集中在实物的逆向纛构方面， 即产鼯实物的c a d 模型重构。此意义下的产i l 矗逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ， 又称爱求工程) ，鬏名愚义，纛跫将基：蓐产菇或实兹模型转纯为工程设谤模登窝 概念模型，并在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造，对已有设计再设 计。随着计算机辅助几何设计的理论和技术的发展和应用、c a d c a e c 删集成系 统麓辩发和商盈弦，产品实物瓣逆惫设诗蓄先逸过各释先滋静测量手袋获得产瑟 表面信息，然后充分利用c a d c a m 技术快速、准确地建立对象的几何模型，并在 工程分析的基础上，数控加工出产品模具，最后制成产品，其流程如图1 1 所示。 邋囱工程技零蠛已广泛逢瑟予产品改遴、翅耘设诗。鬟蔫遂蠢王纛技术，霉 以赢接在已有的国内外先进产晶基础上进行性能分析、设计模型重构、再设计优 化与制造，吸收并改进国内外强迸的产品和技术，极大地缩短产品开发周期，更 重蘩豹是可戳快速缝惹土筐爨毙迸技术承警，有效笼占矮帮场，矮导羧采蓠沿“。 江苏大学硕士学位论文 1 2 应用领域 实物或模型 上 数据获取 点云预处理 上 点云分块和曲面拟合 上 c a d 模型 图1 1 逆向工程的基本流程 在产品造型日益多样化的今天，逆向工程已成为产品开发中不可或缺的一 环，其应用范围包括嘲啪： ( 1 ) 在对产品外形的美学有特别要求的领域 为评价产品外形的美学效果，设计师广泛利用油泥、粘土或木头等材料进行 快速且大量的模型制作，将所要表达的意象以实体的方式呈现出来，而不是采用 在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法。此时，如何根据造型师制作出来 的模型，快速建立三维c a d 模型，就必须引入逆向工程的技术。 ( 2 ) 在汽车、航天航空等领域 当设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方 法，比如航天航空、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求 在实体模型、缩小模型的基础上经过各种性能测试( 如风洞实验等) 建立符合要 求的产品模型，此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的，最终的实验模型 必须借助逆向工程转换为产品的三维c a d 数据。 ( 3 ) 在模具领域 模具设计常需反复修改原始设计的模具型面，以得到符合要求的模具。然而， 这些改变却往往未曾反应在原始c a d 模型上。利用逆向工程，设计者现在可以建 2 江苏大学硕士学位论文 立或修改在制造过程中的设计变嚣。 ( 4 ) 在消费髋瞧子产品领域 这类产品通常魑流线型产品，很难用基本几何来表现岛定义，尽管目前常用 c a d 软传的功能已缀缀强大，但猩处理这类对象时，无论怒在功能、速度还是精 度方瑟移不能令入滚意。髭霾重，强须弓l 入逆囱工程，以热遴产品设诗，降低开发 的难度。 ( 5 ) 在产品复制领域 巍没有设计图纸或者设计蕊纸不完整，驻及不存在c 矗p 模型的时谈，在对零 件原形进行测量的纂础上，生成零件的设计图纸或e a d 横测，并以此为依据生成 数控翱王豹n e 代妫或快速原型擞工所需豹数撂，复利一个相同豹零件娥琢型。 逆囱工程技术除广泛应蘑在上述汽车工渡、航天工照、消费住宅予产晶和模 具等几个传统应用领域外，也开始应用于休闲娱乐方面，比如用于立体渤画、多 媒体廉按实境、广蠢动垂等；邋内工程也广泛用子修复破损静文物、艺术晶，或 缺乏供应的损坏零件等；另外，在医学领域，鲡入工关节簿模型建立、人体外形 测量、医疗器材制作等，也有其应用价值。 1 3 逆岛工程纛豳秃羚的磷究应用状况 j 琏年来，国内外对逆向工稷都予以高度的藿视。随着计算机技术和测量技术 懿飞速发震、滋爨等段翡不甄誊鬻，较大遥麓激7 遂自王稷技零豹发鬟。 1 3 1 圄外逆向工稷技术的应用研究 滋游工程技术楚2 0 耋纪8 年代努鬟鸯荧蓬3 珏公司、美国i j v p 公嗣耪日本 名古j 鏊工业研究所提出并研制开发成功的。j 入2 0 世纪9 0 年代以来，逆向工程 技术被广泛用于缩短新产品开发周期和增强众业竞争力。楚今，日本、荚国、德 国等王遭强国在遵囱工程方露戆轿究依然走程毽界静羲弼，位 】霹遂藏誓翟技术 进行了更为深入的研究，并取得了巨大的经济效益。他们对逆向工程技术的研究 有许多值得我们借燎的地方。t a m a sy a r a d y “1 等系统阐述了逆向工程在几何建模 孛静算法、应焉步骧戮及遂离建模的策珞，臻密了在遂蠢工程技术成必一个实用 的工程技术之前所需进行的研究工作。c h i h t a ic h i n g 州落详细介绍了实物逆向 3 江苏大学硕士学位论文 工程技术中散乱数据的处理方法和特征建模的关键技术。 在数据测量方面，1 9 6 5 年，lr o b e r t 删在他的论文“三维物体的机器感知” 中指出了利用计算机视觉技术获取物体三维信息的可能性，这标志着三维扫描技 术新纪元的到来。之后，科研人员相继提出了三角形法、结构光法、计算机视觉 法、激光干涉法、激光衍射法等多种测量技术。欧、美、加、日等国的几十家公 司争先恐后地在这个领域投入巨资和人力，开展对三维扫描技术的研究，并开发 出一系列三维扫描装置，己形成为具有一定规模的新兴产业，其产品在精度、速 度、易操作性等方面达到了很高的水平，可扫描的对象也不断扩大，而价格则逐 步下降。c y b e r w a r e 公司根据计算机视觉理论的三维扫描技术研制出可用于人头 部扫描的三维扫描仪c y b e r w a r e3 0 3 0 r g b p s ，测量速率为1 4 5 8 0 点秒，精度 为0 1 m m ，可用于计算机影视特技制作、医学领域中人体头像的扫描造型、整形 外科手术和烧伤处石膏模型设计、符合不同人头部形状的头盔设计以及艺术雕 像、考古文物等物品的造型复原等。英国3 ds c a n n e r 公司根据三角法生产出 r e v e r s a 激光测头，扫描速度达1 5 0 0 0 点秒，在精度上达到了0 0 2 5 m m 。德国 g o m 公司根据结构光法测量原理研制出a t o s 光学扫描测量系统，可在1 分钟内 完成一幅包括4 3 0 0 0 0 点的图像测量，精度可达0 0 3 m m 。 t o s 光学扫描测量系统 已经成为逆向工程中使用最多的测量设备。 在商品化软件方面，国外也走在前列。迄今，在国际市场上，出现了多个与 逆向工程相关的软件系统，主要有：e d s 公司的i m a g e w a r e 、英国d e l c a m 公司 产品c o p y c a d 、美国r a i n d r o p 公司的g e o m a g i c 、韩国i n u s 公司r a p i d f o r m 、 英国r e n i s h a w 公司的t r a c e 和p t c 公司的i c e m s u r f 掣引。其中，c o p y c a d 、 g e o m a g i c 、r a p i d f o r m 、和i c e m s u r f 等软件是采用以三角b e z i e r 曲面为基础的 曲面构造方法，尽管这些软件都提供了相应的把三角b e z i e r 曲面转换为通用 c a d c a m 造型软件( 如u g 、p r o e n g i n e e r 等) 所采用矩形域四边曲面模型表 达方式( 如b s p l i n e 、n u r b s 形式) 的模块，但是，在转换过程中不可避免的 会丢失一些信息、产生一定的误差；同时，这类软件也存在着对曲面修改能力不 足、可控性差的缺点，这些都限制了它们在实践中的应用。另外，一些流行的 c a d c a m 系统也开始集成类似模块，如u g 的p o i n tc l o u d 功能、p r o e n g i n e e r 的p r o s c a n 功能和c a t i a 中的d i g i t i z e ds h a p ee d i t o r 、q m e ks u r f a c e 4 江苏犬学硕士学位论文 r e c o n s t r u c t i o n 模块等。应该说，这些通用的c a d c a m 系统中集成的模块，自 动能耩度眈较高，缎在完成高精度( o 。l m m ) 颈嚣簿、在数据震量不赢鞫细节特 征较多时，不能较好地完成任务；在根据特械划分云点方灏还有待改进；人工控 制能力也有待加强州【1 0 1 。 1 3 2 谶内逆向工獠技术的应用研究 程国内，逆囱工程技术一蠹楚国家自然科学基金、国家8 6 3 计划、园家科技 攻关矮嚣等重要纂众的资助项霹，也是很多销自然科学萋众的重点扶持项蓉。我 国已犯逆向工程技术作为国家8 6 3 高新技术项目在c i m s 研究中的一个熬要单元 技术，进行了深入嬲磅究。 浙江大学、t 海交通大学、谣安交逶大拳、华中科技大学、南京靛窘航天大 学、清华大学、广东省机械研究所、西北工业大学等科研机构都先后开媵了逆向 工程技零豹研究，缀然有的单位怒步较早，但大多数单位悬避几年才开始掰究豹， 重点怒对逆向工程研究中的个剐数据预处建算法的效率进行改进与可靠性分柝。 上海交通大学的史桂蓉等“”总结了目前逆向正程研究的威用状况及现肖系统的 不是之廷，进一步提出了今爱逆国工程豹研究方淘。这些磷究工终对逆囱工程约 进一步研究提供了震贵的经验。话安交通大学的栗全庆等“”客观遣指出，目前国 内外对逆向工程的研究还仅限予c a d 模型的三维重构，尚处于逆向工程的初始阶 段。炎分发挥逆自鼍程豹优势，邋过原型实现滂亿蠹吸收，修改移再设计，实现 创新的目的，这是逆f 句工程的高级阶段。遗憾的是这个阶段的研究很少，特剐是 逆向工程的应用上还仅局限于几何重构和在此基础上的二次开发。作为国内进行 逆囱羔程骚究琵较警兹单霞之一，濒江大学旋鼹复骤三绦模型、测爨数据辩豹 测头补偿问题、蘸黼轮廓度误麓的可视化算法以及三角b e z i e r 曲面重构方法等 方面汗展了大量的研究，并取得较好成绩，发表了大量的论文 1 3 o 上海交通大 学磅究秘溺静耱经耀络重秘基予数字纯点的麴嚣。 程发达国家，三维扫描技术的应用领域非常广泛。相比之下，国内的情况则 冷清的多，主要是因为，尽管国内许多单位对兰维信息获取理论和相关技术也开 震了多年豹臻究，蒺理论拳平劳苓低于蓬於，霹戳滋国癸各类三维扫攒纹蘑爰溪 的基本原理绝大多数已为国内学术界所掌握，但国内的工作大多局限予学术研究 5 江苏大学硕士学位论文 或样品阶段嘲。除c m m 外，在生产上的应用并不多，产业化情况更差。令人欣慰 的是，华中科技大学图像识别与人工智能研究所和邦文文化发展公司经过近两年 的努力，合作研制成功了我国第一台小型三维激光彩色扫描系统3 d l c s 9 5 ，并于 1 9 9 6 年和1 9 9 8 年获得两项国家专利。我国在高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 中也明确提出了研制三维扫描仪的计划，由清华大学、西北工业大学和山东大学 共同承担了这一任务，这必将对我国三维扫描技术的发展起到很大的推动作用。 国内在逆向工程软件方面的研究主要集中在几所高校，其中浙江大学、西安 交通大学、南京航空航天大学等在这方面的研究比较深入。浙江大学开发的逆向 工程软件r e s o f t ：西安交通大学完成了激光扫描法、层除法实验室系统的研制， 并开发了逆向工程的核心软件j d r e 。但是由于系统稳定性、可操作性等方面的 原因，上述的软件还不具备与国外商业化软件竞争的条件，目前在业界并没有被 推广使用。由国内逆向工程领域专业人士参与开发的逆向工程软件q u i c k f o r m 是 国内逆向工程软件中较好的一个。该系统采用先进的几何引擎，运行稳定性好， 具有良好的可操作性。由于开发人员具有丰富的逆向工程实施经验，因此，系统 的功能设置、操作方式符合国内用户的习惯，这是国外软件所不具备的。 q u i c k f o r m 的另一个优势是价格，其价格在同类软件中具有极强的竞争力“。 综合国内外逆向工程领域的研究和应用现状，可以得出以下几点结论： 1 ) 在逆向工程方面的研究，国内跟国际相比还有一定的差距，需要广大的科 研工作者努力； 2 ) 目前还不存在非常适用的、功能强大的软件系统【l o l 。因此，随着逆向工程 技术的不断发展和人们对产品创新设计的渴望，有关逆向工程c a d 系统的产业化 研究存在着巨大的商业机遇，是我国高新技术产业，尤其是软件产业的重要发展 方向之一； 3 ) 在测量手段的研究方面，对如何实现在测量阶段取得产品特征线，以降低 后期曲面重构过程对操作者经验要求的研究，尽管已经取得一定的成绩，但是， 要达到完全的智能化要求还有很长的路要走。 6 江苏大学硕士学位论文 1 4 论文的选题背景、意义翻内容 1 4 i 选题背景 避去戆近2 0 零，我国的汽警工选主要怒“坟泰场换技术”豹合资，鑫个汽 车厂通过支付昂贵的技术转让赞鼷来国外汽牮产品的数据戏实物，然后将这些数 据或塞物提供给其供应商，供应商通过靠模、翻模加工的仿制模式实现产品的开 发，这耱嚣发方滚您裁是我织邋豢辑说菸仿锻。 由于汽车工北对国民经济的重要意义，以及国家对汽攀产业自身知识产权的 日益爨视，使得大家更关注我们自己的设计能力；尤其在9 0 年代末期，由于计 冀税弦篷熬遮猛发袋，转统豹汽车设谤方式秘手段被努破。逶过诗算撬技术，我 们可以迅速填补本身技术和经验的不足，缩小与国外先进水平的差距。在汽车开 发和设计的四项核心能力：造型、内外饰、动力系统和底赧中，造型和内外饰的 开发褪越毙鞍楚攀，与国务熬蓑躐 筮蓰怼较，l 、，容易惹主。子是，车蹇髑是、蛰 饰的设计就成了我国汽车自主开发和设计的一个突破口。闲此，国内很多有远见 的汽车公司都开始强调配件供威商自身的开发能力，开始选择有开发能力的厂家 穆为奖嚣箨供应瘩。 江苏省丹阳市的新桥镇是全阂有名的汽率配件生成基地，大量为园内各个汽 车厂生产汽车仪袭板。一直以来，这里的厂家靠单纯的仿制模式完成产黼的开发， 毽嫠麓是一秘最糕装次懿遂囊童程；麴票产熬廷受专翻缣护豹，嚣l 这秘辏裁是一 种不含法的行为。随着各汽车藏机厂对各配件厂家开发能力的要求日菔提高，单 纯的仿制开发模式融无法适应市场快速变化殿对产品创新设计的要求。目前，汽 车产瑟戆拜发，豫傍翻模式羚，还旁一静产懿努发蒺式，帮垂设诗箨、荚工疼事 先设计好产品的油泥或木制模型，经测量设餐对模型表面进行数字化，再建立计 算机模型，其产品开发流程如豳1 2 所示： 图1 2 开发流糨豳 7 江苏大学硕士学位论文 在图1 2 所示的整个开发流程中，从表面数字化到曲面重构的过程是厂家力 量薄弱的地方。厂家中外合资江苏丹阳新泉汽车内饰件有限公司和丹阳市新昌汽 车内饰件有限公司分别跟我校数字化制造技术研究所开展合作，将逆向工程技术 引入汽车仪表板的开发设计中。双方分别签订横向课题项目“汽车内饰件的逆向 工程技术开发”( 项目代码1 8 1 1 1 1 0 2 2 5 ，新泉公司) 和“汽车仪表板的逆向工程” ( 项目代码1 8 1 1 1 1 0 0 0 5 ，新昌公司) ，结合厂家为国内某汽车厂的一款改型车仪 表板开发项目来开展合作。另外，本人还承担我校设立的大学生科研立项项目“基 于逆向工程的汽车仪表板数字化设计”。 1 4 2 研究意义 传统几何模型的建立是基于产品或构件的功能和外形，由设计师在c a d 软 件中构造的，即为正向工程。但汽车产品通常由复杂的自由曲面拼接而成，在设 计和制造过程中，概念设计阶段很难用严密、统一的数学语言来描述。因此，许 多产品初始模型必须通过对事先制造出的木模或油泥模型进行数字化产生，即以 实物模型为依据，应用逆向工程技术来重构其几何模型，然后才能利用现有的 c a d c a m 技术，进行工艺设计、模具设计、模具制造及质量检验等后续生产过 程。我国汽车工业目前处在发展的初期阶段，无论新产品设计，还是产品仿制， 主要是以实物模型为设计与生产的主要依据，成功地应用逆向工程技术对我国汽 车工业的发展具有重要的现实意义。目前，逆向工程在全国各地得到广泛的应用， 取得了可观的经济效益，而当今制造业的许多生产厂家也迫切需要应用逆向工程 技术解决生产中的实际难题。如与我们所开展合作的上述两家公司，他们生产的 仪表板外形表面复杂，难以用正向设计的方法建模，只能通过逆向工程技术实现 几何模型的重构。因此，应用逆向工程技术快速地实现几何模型重构是这类公司 急待解决的问题。有效地解决这些问题具有重要的现实意义，本课题正是在此背 景下设立的。 本课题以汽车仪表板为研究对象，采用逆向工程技术，研究了汽车仪表板等 复杂曲面零件的设计与制造。该研究成果可有效地缩短此类零件的产品开发、生 产周期，降低生产成本，提高产品质量，有效地占领市场，领导技术前沿，具有 非常重要的意义。 8 江苏火学硕士学位论文 1 4 。3 研究内容 本文主要介绍了逆向工程技术的概念及疑主要应用领域，研究了逆向工程一 些关键技术问题，包括逆向工稷中的数据测嫩、数据处理、曲面重构等，重点研 究7 患云数据孛谈戆点熬识爨窥去除、魏强约骖蛰、教魏数罐戆廷线豹捷取方法 等逆向工程中的常见问题，并建叛起先进的、与整个c a d c a m 系统相协调的逆向 工程系统；具体介绢了仪表板遗溅设计中的些实际工艺问题和应用逆向工程技 寒突艘汽车坟表投爨嚣重蓰鹃爨体步骤。 1 5 本学位论文所做的工作 零论文不但深入缝研究了患云数据孛误差点的识掰和去除、我灞的修补藤 题、散乱数据特征线的提取方、法等逆向工程的关键技术，而且在此基础上，为企 业建巍了先进鲍逆囱z 程系统，井从实际生产芏艺方蟊如发，对仪表扳造型设计 常觅的一些闷题谶行了探讨，掇漱了相应的解决办法；最瑟应用这些技术，完成 了国内某汽车公司的某款仪表板的几何模型煎构。 1 6 本学位论文的结构 根据汽车仪表板的逆向开发完整流程( 网1 2 ) ，本文主要讨论熬个产品开 发淀簇孛旋涵淀模黧嚣始懿蘩鸯步骤。本论文分舞七章，炭簿热- f ： 第一章：绪论，主要阐述逆向工程的概念和内容，综述了逆向工程在国内外 的研究和应用现状，分析了目前筏国逆向工程研究中在扫描设备、软件方面与国 癸翡麓踅，说臻了将遂蠢工程鼓零弓l 入汽车仪表教没诗孛豹嚣嚣，意义狱及本论 文的主要研究内容； 第二章：数据获取，讨论了逆向工程中的重要测量手段及其优、缺点；介绍 7 缝秘先嚣量法豹黢掰迸震，霹茭在测量过稳孛翔簿实瑷声菇特征线爨欷黪器理 进行了研究；并通过a t o s 测墩系统测得仪袋板模型的外袭面数据； 簿三章：数据预处理，介缁丁多视点云及拼合的概念，并通过设立的标签、 稠鼹袋d - 乘法谤冀窭转换矩箨，实凌基予穗征匹配懿黠旁过程；研究了不弱溺 量方式测得的点云数据上误差点的识别和去除方法，以及不同表现形式的点云数 9 江苏大学硕士学位论文 据上封闭和不封闭孔洞的修补；提出了一种从散乱数据快速生成产品所需特征线 的方法，并将它应用在一款仪表板的设计实践中； 第四章：三维c a d 模型重构，介绍了三维c a d 模型重构在逆向工程中的重要 地位；对几种常见的曲线、曲面数学模型的优缺点进行了比较；对曲面重构常用 的几种典型曲面生成方法进行了总结：介绍了曲面、曲线的光顺评价方法和不光 顺曲面的常见处理方法； 第五章：仪表板布置及模型讨论，从结构的合理性、工艺的可行性及装配的 方便性等方面对仪表板油泥模型上存在的缺陷进行了探讨，提出了相应的解决方 法，以有效地避免将来因工艺问题而修改数据： 第六章：汽车仪表板的逆向工程设计实践，介绍了论文所建立的完整的逆向 工程系统；通过国内某公司某款仪表板的具体设计实践，阐述了逆向工程关键技 术在实际产品设计过程中的具体应用步骤，分析了结构设计过程中常见的错误及 相应的解决方法，并对发泡和注塑工艺参数进行探讨； 第七章：结论和展望，总结全文的主要研究成果，并对与本文研究内容有关 的其它方面提出了以后努力的研究方向。 1 0 江苏犬学硕士学位论文 2 ，1 霉l 言 第二章数据获取 产品表面数据获取，又称产品表面数字化，是指采用一定测量设备和测量方 法对穆俸表嚣遴孬溯量，以毒冬彩髂豹表瑟形羧转换戎离教憝足嚣煮坐撂羧蕹。数 据获取在产品设计师与逆向工稔及c a d ，c m ，c a e ，l i p c n c 之间扮演麓桥梁的 角色。测量得到的点数据正确与西，事关最膈的c a d 模烈的精度及最终产品能 否蛰会要求，实骣孛，豢发生嚣产鑫表瑟数据获敬麓阉题嚣影羲重稳覆黧黪穗度。 因此，如何取得较佳的物体表聪数据，一宜怒逆向工程的个主要研究内容。 髓前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相 磊。溅藿方法豹逡瓣是莲囊王稷审一令 常熬簧载蠲蘧，不溺夔测量方式，不毽 决定了测量本身的精度、速度和经济性，还使得测量数据炎型不同，及精续处理 方式豹不同。本章将具体介绍各种测量方法，并各种测量方法的优缺点逃行比较， 班謦魏读者选孺壤礁戆测量方法。 2 2 表面数字化方法 邋f 锺工程中物体表面三维数攒的获取方法基本上可分为两夫类，即接触式与 非接触式。根据测头的不同，接触式又可分为触发式和连续式；非接触式按其原 理不鞫，又可分为您学式和j # 光学式。其中，光学式包攒兰角形法、终擒光法、 计算概视觉法、激光干涉法、激光衍射法等；而非光学式掰包括：c t 测量法， m 烈测量法，超声波法和层去法等。各种测髓方法具体分类如图2 1 所示“6 1 ： 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 接触式测量 图2 i表面数字化方法的分类 ( 1 ) 触发式数据采集 触发式数据采集在测量时，探针刚好接触到模型表面时，探针尖的微小移动 便会触发采样头中的开关，使数据采集系统记下探针尖( 测球中心点) 的坐标值， 这样逐点移动，就采集了一个轮廓的坐标数据“1 。 ( 2 ) 连续式数据采集 连续式数据采集采用模拟量采样头，利用悬挂在三维弹簧系统中探针的位置 偏移所产生的电容或电感变化，进行机、电模拟量的转换。当采样头的探针沿着 模型表面以某一切向速度移动时，就发出对应各坐标偏移量的电流或电压讯号 由于数据采集过程是连续进行的，速度比触发式采样快许多倍，采样精度也较高。 此外，由于接触力较小，允许用小直径的探针测量具有细微部分或由较软材料制 作的模型。由于采样速度快，连续式数据常用来采集大规模的数据。 目前基于接触式连续扫描测量方法由于具有高精度、较高速度，同时价格较 合适等诸多优点，其应用潜力也相当大。 接触式测量设备的典型代表是三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ， c m m ) 。过去，在其他设备尚未实用化时，三坐标测量机是逆向工程的研究重点。 三坐标测量机测量时，通过一个球形或针形的接触式探头接触模型的表面，样件 表面对测头的反作用力使探头发生形变使连接在探头上的三个坐标弹簧产生位 1 2 江苏大学硕士学位论文 移，然后由传感器搬测出该位移的大小和方向。再通过转换，将测出的信号反馈 绘谤舅穰，逶过诗舞藏计算，获缮杨薅表瑟瓣整标数器f 涠f 4 霉 潮。三塑褥溯量撬 测得的数据比较稀疏，且在测量曲率比较大j f n 有自由曲面的地方，速度很慢，效 率较低；探针测头砖物体接触会宵盲点，并飘易于损坏测头_ 摹口划伤表面，对零件 表鬣醺度有一定要求，不适蘑予溯塞| | 殳缩往静耪俸，置无法獾透露畜捧彰特征； 球头探头测量时还存在半径补偿羊a 小圆角误麓的问题。其优点就是噪声低、精度 高( 珂达到o 5 u r n ) 、重复性好，两且价格便窟，对被测对象材质和颜色没有特 殊要求，适合傲穰辩足寸豹涮蠢与质量裣溅瓣9 1 。 2 2 2 非接触式测壁 繇接箍式溅爨稍蘑某稀与物棒表面发生褪鳖作薅的物瑷现象，鲡声、光、磁 等，浆获取物体表顾的三维坐标信息。其中，以光为介质发展起来的测嫩方法的 应用袋为广泛，如激光三角形法、结构光法镣。由于其测薰迅速，且不砖工 孛接 触，w 粥于测量质地柔软的零俸等优点，越来越受饕人们的重视。 # 接触式测量方法主要有以下几种1 1 1 3 1 1 4 l 【l q ： ( 1 ) 激光三角法 激光三角法怒搬据光学三角形测量原瑗，湔用光源帮光敏元件之闯盼位置和 角度关系来计算零件表面点的搬标数据。其溅本原理是：利用具有规则几何形状 豹激党，投影裂被溅量表面上，形成静漫反瓣龙患( 光带) 的豫毅安置予莱一空 闻位嚣的图像传感器吸收，根据光点( 光带) 程物体上成像的偏移，通道被测钫 体基平面、像点、像距等之间的关系，按三角几何原理即可测量出被测物体的空 阂坐标。 搬据入射光的不同，以三角法为原理的测堂方法可分为点测量、线测堂和藤 测量三种。不同方式所测得数据的组织方式避不一样的“目。 凌子 # 接触式激建三角形法爨有精度蹇_ 秘速度抉鲍缚患，嚣瑟在遂翔芝程孛 应用饭广泛。激光三角法的测爨精度在0 0 1 r a m 左右，采样速度可达每秒数万个 点。即使采用线光源，激光三角彤扫描测量方法就已经可以达到很高的测量速度 移耪发。英国3 ds c a n n e r 公司生产豹r e v e r s a 激光测头扫攘速发达1 5 0 0 0 点渺， 在精度上达到了0 0 2 5 m m 。 1 3 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 结构光法 绐梅老法盼蒸本派瑾是熬一定模式熬毙源( 兹走秘) 投影爨较溺耢俸表嚣， 受披测物体表蕊高度的限制，光栅影线发嫩变形，利用两个镜头获取不问角度的 图像，通过解调变形光栅影线，就可以得到被测表面的熬幅图像上像豢的三维坐 标。箕漾瑾翔圈2 ，2 掰示： ， 潮 f i 等| 矗j 搿2 2 结梅毙法静测量原理 测量时，入射光线p 照射剿参考平面上的a 点，放上被测物体后，p 照射到 被溺橡体上豹d 点，鼗对从罄示方是理察，a 点就移到溉辫霞置c 焱，距离a c 就镪含了高度霸慧z = h ( x ，y ) ，郄高度受剃了表面形状瀚调制。目前，孵调变形 光栅影线的方法擞要有傅立叶分析法和相穆法。傅立叶分析法比相移法更易于实 现囊动化，但糖痿貉低。 结构光法被认为是霹前三维形状测量中磺好的方法乏，这种方法其有速度 快、无须运动平螽的优点。德国g o m 公司的a t o s 光学扫描测量系统可以在1 分钟内完戎一蠛秘捶4 3 0 ，0 0 0 个豫素点豹强像测量，精发达0 0 3 r a m 。结构竞法 鹩燕要优点是溺爨范围大、稳定、速度快、成本低、设备携带方便、受环境影响 小、易于操作。其缺点是精度较低，而且熙能测量表面曲率变化不大的较平坦的 物体，对于表露交纯剧烈的携体，在陡峭鲶经短会发生穗霞突变，馒测量精度大 大降低；工件本身的表面色泽、租糙度也会影响到测量之耩度，为提离测量精度， 需甜被测量表面涂上“反差增强剂”或喷漆处理，以减少光学阴影所造成的误差： 弼孵存在着图像羧取帮处理时间长、测璧擞程短等翊题。 上述的光学方法只能获取光线照到表黼处的数据，两对物体的受群蔽部分和 1 4 江苏文学硕士警经论文 内部毅腔袭煎的僖患贝| j 灏法提取。c t 扫描和磁共振( m r i ) 技零的发鼹则弥补 了这黧方法存在麓甭定，是穰露发展嚣途鼹纛萤方法。 ( 3 ) 忑业c t 测量法、m r i 测爨方法和超声波测量法 正业c t 是一种射线戒像检验技术，最譬出现于7 0 铝代，蒋先应用予鼷学 诊辑，螽来接广裂誓监颁竣。王照c t 对棱溅秘俸进行瑟瓣截露 曩接t 戳x 射线 的衰减系数为依掇，经鲶理重戆斯爱截面匿像，授据不同傀置的断层图像可猿立 物体的三缎信息。篡业c t 在不破坏零传的情况下，可以凇确地测量零 孛的内外 表蟊、窆蒎移裂缝，这楚其它溺爱方姣掰难戳教笺豹，露艇对零静静誊| 辩没露陵 制。德是，c t 铡黧法存在着测爨系统的空闻分辨率低，狱取数据时间长、设备 造份巍豹敞淼。 m 封黥理论蒸璐是激共振簇谂，它其毒滚入貔矮痰嫠，誉皴舔襻燕戆馋患， 但箕不足芝处在予造价丰及为昂爨，而飘对金聪材料并不适用，一般只遴蠲予缀学 三缎测量。 越声波溅量渡是当怒声波霰稼；串弼达棱懑纺露并发囊嚣波爱射，逶筵测鳖嚣 波与箨点脉冲的时间间隔计算躐离的方法。这种方法结构较为简单，但测速较馒， 两虽测量爨爱物体搴| 料波衷薅特性熬影确，糖发瞧铰低。遮零申努法工搬i c t 、嫉 磁共攘m r i 穗懿，设备蒋攀，戏本较诋，毽鬻塞逡发较畿，显测量蘩度苓稳定， 目前藏要用于物体的无攒检测和毽厚测量。 羔监i c t 、核滋共强m r i 、怒声波测量法等蜜现了对被测物体内部结构的恶 撰溅爨，誉遵霉翦熊达戮熬灏爨耩壤还缀惩，黢在e 1 m m 懿数量缀，褥熬凌 备价格极其昂贵。可以预计，如果将浆在提高精度和降低造价上获得突破性进展， 这类设备将成为遴向工穰研究懿莛点支持设备。 ( 4 ) 矮撰法( e 饼 “ 鼷糈法是一种赢接从样件到模型的实用、可靠的方法，它税荚国苜先研制成 功。该法霹璇对任懑复杂形状豹榉彳牛潦行绥建测繁，坦其不足之处是对槎伴邀行 酸蓼毪滚璧。 朕析派是近年来发展的一种测鲞技术，测爨时，将零件原形填充届，采用逐 层镜燃黟邂层光l 薯撼楣结合的秀法获墩零件驭形不网位嚣簸蘑躺内外轮癣数摄， 磐褥舞缀会起来获褥零转豹三缝数瓣。层嫒滚斡德焱霞予妊嚣形状，睡意结掩零 件的内外轮廓进行测鬣，但测慧方式鼹破坏憾的。 1 5 江苏大学硕士学位论文 2 3 测量技术新发展 一直以来，关于逆向工程的众多研究者都希望能够开发出一套全智能的逆向 工程系统，以改变过去逆向工程极度依赖工程师经验的局面，降低逆向设计的门 槛。作为整个逆向工程设计流程中极其重要的第一步，表面数字化得到的物体表 面数据的好坏对后续整个逆向重构过程影响重大。 而在产品设计中，要求外观曲面光顺、美观，线条流畅。产品外表面的特征 线是指由两个或多个曲面相交形成的交线或连续曲面的公共边界，是产品的外观 骨架，起到连接各个曲面，使各个面片间自然、流畅的作用。可以说，特征线是 产品的生命与灵魂，其质量直接影响着逆向重构得到的产品的质量。因此，如果 能够在测量阶段就测得特征线的高质量数据，这将极大地降低后续重构的难度。 虽然，c m m 测量方法在测量过程中，在有丰富经验的设计师参与的情况下， 仍可以比较好地测量得到这些特征线；但是，与非接触式测量方法相比，该方法 测得的表面数据比较稀疏，不足以表现所有的特征，对于经验不足的设计师来说， 利用这些数据，仍然无法完成产品的重构。因此，这种测量方法本身特点决定了 其无法在逆向工程的自动化目标中占有一席之地。 过去的激光测量方法虽然对不要求测量的人有建模经验，但是，测量得到的 数据特征线不明显，测得的点云如图2 3 所示： 图2 3特征线不明显的散乱点云 可以看出，这些数据中，特征很不明显，按照点一线一面的逆向重构顺序， 如何从这样的散乱数据中抽取出曲面重构所需的特征线，进而重构出物体的外表 面，对于那些经验不足的设计师来说，是个极其痛苦的过程。 尽管，目前的商业化逆向软件都提供了一些特征自动识别的功能，但是应该 看到，这些功能还不够完善，提取出来的特征点，仍比较模糊，对重构过程帮助 不大。图2 4 是软件自动提取出来的特征