（机械制造及其自动化专业论文）数字化技术在摩托车产品开发中的应用研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 摩托车作为轻便、快捷、低能耗及外形美观的交通工具，越来越受到人们的 青睐。随着市场竞争的日愈激烈，人们一直在寻求一种快速的摩托车新产品外观 改形开发的新方法，以达到快速响应顾客需求的目标。新产品采用数字化的开发 方法和技术，是当前摩托车新产品外观改形开发的主要技术。 数字化设计是提高产品创新能力、缩短产品开发周期、提高工作效益的重要 技术。实现摩托车数字化设计需要集成现代化设计制造过程中的多项先进技术。 本文利用u g 软件，以摩托车尾箱为例，对摩托车数字化设计和开发进行简 单全面的介绍。分析摩托车尾箱的结构，首先采用逆向设计，对尾箱的空间曲面 造型进行数据采集、数据处理和实体生成；并对尾箱的组件进行正向设计，生成 二维图；对于尾箱组件采取从二维到三维设计，主要利用草图、表达式、子装配 等参数化设计方法，对于摩托车尾箱的零部件和子装配以及整体设计进行参数化， 对于设计中使用的标准件则利用电子表格方法建立了标准件库。 课题将新的设计方法应用到摩托车尾箱的设计中，不仅完成了摩托车尾箱零 部件的整体设计，而且缩短了设计时间，改善了产品质量，基本上实现了摩托车 尾箱设计的系列化和标准化，对于摩托车零部件的设计和开发有较强的借鉴作用。 关键词：摩托车尾箱，u g ，逆向设计，参数化设计 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t m o t o r c y c l ea sal 谵h t w e i 曲t ，f a s t ，1 0 wp o w e r a n db e a u t i 如lf o 加o f 缸a j l s p o r t ，m o r e a n d m o r ep e o p l eo fa l la g e s w i mm em a r k e tc o m p e t i t i o no nt l l em o r ei n t e n s e ，p e o p l e h a v eb e e n1 0 0 虹n gf o raf a s tm o t o r c y c l e - s h 印e dc h a i l g et l l e 印p e a r a n c eo fn e w p r o d u c t d e v e l o p m e n to fn e wm e m o d s i i lo r d e rt oa c h i e v er a p i dr e s p o n s et oc u s t o m e rd e m a n d n e w p r o d u c td e v e l o p m e n tu s i n gd i g i t a l m e t h o d sa n d t e c l u l i q u e s ， i st l l e m o t o r c y c l e s h 印e dc h a i l g em e 印p e a r a n c eo fn e wp r o d u c t sd e v e l o p e db ym 旬0 r t e c h n o l 0 爵 d i g i t a ld e s i g l li s t 0i n l p r o v ep r o d u c ti r u l o v a t i o nc 印a b i l i t i e s ，s h o r t e np r o d u c t d e v e l o p m e n tc y c l e ，i m p r o v et h ee a e c t i v e n e s s o fa n i m p o r t a n tt e c l l i l o l o g y t h e r e a l i z a t i o no fm o t o r c y c l ed e s i g ni n t e 铲a t e dd i g i t a ld e s i g na i l dm a l l u f a c t u r i n gp r o c e s so f m o d e m i z a t i o no fan u m b e ro fa d v 锄c e dt e c h n o l o 黟 u gs o 胁a r et ou s em i sa r t i c l et oam o t o r c y c l er e a r ，f o re x a i n p l e ，t h en 啪b e ro f m o t o r c y c l ed e s i g na i l dd e v e l o p m e n to fas i m p l ei n t r o d u c t i o nt 0t h em 1 1 a n a l y s i so fm e m o t o r c y c l er e a ro ft l l es 饥l c t u r e ，f i r s to fa l lu s eo fr e v e r s ed e s i g n ，s p a c ef 1 0 rt 1 1 e r e a r s u 渤c em o d e l i n gf o rd a t ac o l l e c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga 1 1 dg e n e r a t i o ne n t i t i e s ；a 1 1 dr e a ro f m ec o r n p o n e n t sa r ed e s i g n e dt og e n e r a t et w o d i m e n s i o n a lm a p ；f o r ? ? c o m p o n e n t s w e r et a l ( e n 盘o mt w o - d i m e n s i o n a lt om r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g n ，t h em a i na d v a n t a g eo f t h ed r a rp l a i l ，e ) 叩r e s s i o n ，a s s e m b l y ，a n do t h e rs u b - p a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o d ，t h er e a r o fm em o t o r c y c l ep a r t sa n dc o m p o n e n t sa n ds u b - a s s e m b l y ，a sw e l la st h eo v e r a l ld e s i g i l p a r a m e t e r sa n dd e s i g nf o rt 1 1 eu s eo fs t a n d a r dp a r t su s i n ge l e c 仃o n i cf 0 m st oe s t a b l i s ha m e t h o do fs t a n d a r dp a r t s1 i b r a r y ： t h en e wi s s u ew i l lb ea p p l i e dt 0t h ed e s i g no ft h er e a rm o t o r c y c l ed e s i g nn o to n l y c o m p l e t e dt h er e a rm o t o r c y c l ep a n sa n dc o m p o n e n t s ，t h eo v e r a l ld e s i 印，b u ta l s ot 0 s h o r t e n l ed e s i g nt i m ea n di m p r 0 v ep r o d u c tq u a l i 劬b a s i c a l l yr e a l i z e dm em o t o r c y c l e r e a rs e r i a l i z a t i o na l l ds t a n d a 【r d j z a t i o no fd e s i g n ，m o t o r c y c l ep a r t sa n dc o m p o n e n t sf o r t l l ed e s i g na 1 1 dd e v e l o p m e n to fab e t t e rr e f e r e n c e k e y w o r d s ：m o t o c y c l er e a r ，u gi 沁v e r s ed e s i g n ，p 2 u r a m e t r i cd e s i 印 学位论文独创性声明 或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储始枷冬 导师签名： 签字日期1 j ，。 签字日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中 ) ，愿意将本人 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n i ( i ) 在中国博 数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学 博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中 国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出 版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据 库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义 务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开 论文的全部或部分内容。 作者签名：新签名：缢邈 年月日 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 重庆大学工程硕士学位论文 1绪论 1绪论 1 1 制造业新产品开发的现状和需求 制造业是国民经济的重要支柱，制造业的信息化是国民经济信息化的重要组 成部分，是提高企业技术创新能力和市场竞争能力，促进高新技术产业化的有效 手段。随着加入w t o ，我国制造业面临的是更加开放、复杂和激烈的新环境，这 既是机遇又是挑战。在通讯技术、网络技术日趋成熟的基础上，通过异步协同、 电子商务等先进方式，使不同地域、文化间的交流与竞争变得流畅。因此，制造 业必须应对全球性的竞争，以及产品创新周期的变化和成本压力。必须探索出适 合时代要求的生产模式。 为此，国家科技部高新技术产业化司在2 0 0 0 年9 月编制了制造业信息化关 键技术攻关及应用工程的项目计划。其精神就是采用国际上最先进的信息化技 术提高中国企业产品创新能力和高新技术的含量。具体来言，制造业在新世纪必 须利用以下九个关键技术来应对时代的挑战。这些技术主要包括：数字( d i g i t a l ) 、 可视( s u a l ) 、网络( w e b ) 、虚拟( m m l ) 、协同( c o l l a b o r a t i o n ) 、集成( i n t e 鲋i o n ) 、 智能( i n t e l l i g e n c e ) 、绿色( g r e e n ) 、安全( s e c u r i 够) 。这九大关键技术就构成了 面向产品全生命周期的开放式新产品开发模式。 图1 1 企业信息化关键技术 f i g1 1k e yt e c l l l l o l o 西e so f 锄e - e 1 1 t e 印r i s e 产品是制造业生产经营活动的主体，而新产品的开发是此活动的源头。所以， 新产品开发的模式和有关支持技术越来越受到企业的重视。新产品是指采用先进 技术原理、创新性设计构思而开发的可以满足特定功能的全新产品，同时也包括 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 在原有产品的基础之上利用先进技术和思路，通过在结构、功能、材料和工艺等 方面进行改进、优化和提高的改进型产品。1 现在，制造业p 。1 在利用先进设计技术和工具发生了以下变化：企业从c a d 、 c a e 、c 触江、c d 等单点技术或应用孤岛，向企业级协同方案发展。我国企业 在新产品开发模式中，主要有两种：一种是依靠建国几十年来的技术积累和人才 培养，通过采用先进的设计手段和设计工具来开发具有自主知识产权的新产品： 二是通过与国外先进企业进行合资来引进技术，通过不断吸收来提升产品开发能 力。但无论采用何种模式在新产品的开发上必须要将技术创新贯穿于产品的全生 命周期中去，要坚持“持续性创新”，实现“跨越式发展”。 现代的制造业出现了并行设计、协同设计、虚拟设计、敏捷设计、全生命周 期设计、职能设计等多种设计方法，数字化、集成化、网络化、智能化是产品设 计模式的必然发展方向巾。0 1 。 1 2 摩托车数字化技术概述【9 。1 o 】 1 2 1 国内外摩托车制造业数字化技术应用概况 改革开放刺激我国摩托车工业迅猛发展，摩托车产量已超过1 2 0 0 万辆，成为 世界摩托车最大生产国。伴随人类对物质文明和精神文明的不断追求，促使摩托 车工业设计向节能、环境保护和安全舒适的人性化方向发展。其中，数字化设计 技术将成为摩托车工业技术现代化的基础性技术。利用计算机软硬件及网络环境， 以虚拟产品模型为核心，实现摩托车产品的数字化设计，是提高我国新产品自主 开发和技术创新能力，缩短开发周期，加速产品更新换代，从摩托车生产大国转 化为摩托车生产强国的重要手段。 传统的产品开发是以事物样车( 机) 为开发平台，所有零件设计完成后，制 造出手工样件来进行试装配，根据样件试装的结果判定设计缺陷，然后再回到设 计环节进行修改，如此循环往复。该过程中各设计功能小组之间是相互独立，各 自完成自己的工作，然后进行检验、修改，因此工作的反复性很大，设计周期较 长，人力、物力、财力浪费严重。 目前国内大部分以出口为主的摩托车生产企业的新产品开发仍然采用仿制实 物样车( 机) 模式进行产品开发，即主要依靠在原型样件的基础上对标志性特征 进行增加或删减，同时转化为二维图样作为依据进行技术交流，即使有的企业采 用了计算机辅助二维绘图，但它只是二维图样的计算机表达式，还不能完全起到 指导生产的作用，虽然它大大节省了图样修改的时间，它仍然要依靠实物样车( 机) 进行产品开发。有的企业已经采用三维建模技术对一些复杂产品建立数字化模型， 以便于进行c a e 分析和c 朋加工，但c a e 分析手段单一，临界条件设置经验非 2 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 常匮乏。 1 2 2 摩托车数字化技术的内涵 摩托车数字化设计技术需要集成现代设计制造过程中的多项先进技术，包括 计算机辅助设计技术( c a d ) 、计算机辅助分析( c a e ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、 产品数据管理( p d m ) 技术【l 川、计算机辅助工业设计( c 赳d ) 、虚拟样机技术、 逆向工程技术、知识工程技术( 1 e ) 、快速原型制造( i 心m ) 技术、标准化技术等， 贯彻产品设计、分析、制造全过程，是一项多学科的综合技术。 摩托车零件的数字化产品定义就是利用三维造型软件系统进行零件的三维建 模，其最突出的优点是：可以建立摩托车零件的三维实体模型，并可方便地通过 在计算机上进行虚拟装配来检查零件的干涉和配合协调情况；可准确地进行重量、 平衡和应力分析；可很容易地从三维实体模型中提取它的截面图，便于数控加工 的程序设计，产品的三维分解图也很容易建立起来。所以零件的三维设计结果是 唯一的权威性数据集，可供所有的后续环节使用，二维图样按三维数模生成。用 户评审的唯一依据是三维数模和相应生成的二维图样。对于数控加工，可利用三 为的线框和表面模型数据。 这样的技术思路决定了数字化协同设计平台要以应用为中心，其核心是协同 设计平台支持下的三维c a d 技术，即以c a d 系统为第一造型目标。c a d 系统确 定后，再根据c a d 软件的要求，配置相应的硬件、系统软件、网络系统及其他应 用软件，构成一套较为完整的数字化设计系统。 1 3c a d 历程及u g c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i 舯即计算机辅助设计引，也就是使用计算机和信息 技术来辅助工程师和设计师进行产品或工程的设计，是一门集计算机、图形学、 工程分析、模拟仿真、数据库、网络等各项科学技术于一体的综合科学。c a d 正 迅速发展成为广泛应用的高新技术，其迅速发展能牵动整个产业界向前发展。 1 3 1c a d 技术发展状况及前景 纵观c a d 技术，h 发展的历史，它源于计算机图形学技术的发展。早在2 0 世纪6 0 年代初美国麻省理工学院的博士i v a n s u t h e r l a n d 研制出世界上第一台利用 光笔的交互图形系统s t e c m a d ，并且在第一篇题为“计算机辅助设计纲要”的论 文中提到：“设计师坐在c i 玎( 显示) 的控制台前用光笔操作，从概念设计到生产 设计以及制造，都可以实现人机对话，设计人员可以随心所欲的对计算机显示的 图形进行”更、删、改”这里第一次提出了计算机辅助设计和制造的概念。但在 2 0 世纪6 0 年代，由于计算机及图形设备价格昂贵，技术复杂，只有一些实力雄厚 的大公司，如波音飞机，通用汽车才能使用这一先进技术。 3 重庆大学工程硕士学位论文 l 绪论 2 0 世纪7 0 、8 0 年代c a d 充实迅速发展时期，由于电子电路设计采用了c a d 技术使集成电路设计得到了迅速发展。集成电路用于计算机，使计算机平台性大 为提高，出现了大规模和超大规模集成电路( v l s i ) ，同时图形软件和c a d 支撑 软件不断提高，图形设备，如光栅扫描显示器，图形输入板绘图仪相推出和完善。 二维三维图形处理技术、真实感图形技术以及有限元分析，优化、模拟仿真动态 景观，科学计算可视化等方面都已进入实用阶段。包括c a d c 舢一体化的综合 软件包，9 0 年代出现了成熟的标准化、集成化的c a d 系统，由于p c 平台的系统 越来越好，基于w i i l d o w s 和w i n d o u w sn r 平台物美价廉的系统相继出现，使c a d 更上一个层次。 目前各个国家都非常重视c a d 技术的发展和应用引，如美国的a t m 计划和 日本的i m s 计划发展计划，欧洲共同体的e s p 融t 计划，韩国的g 7 计划等都是围 绕着以c a d 先进制造技术为基础而展开的。我国是在“八五期间”明确提出的，要 在全国范围内实施“c a d 应用工程”，并在“8 6 3 ”高科技发展计划中确立了以先进制 造技术为内容的主体工程。同时，在全国建立c a d 应用培训网络，同时也在全国 各高等院校设立c a d 课程，并对原有的机械制图、工程制图进行改造，加强计算 机绘图能力的培养。通过五年左右的应用示范，c a d 技术已为机械、汽车、建筑、 造船、家电、航空、电气、轻工、纺织等各个行业带来显著的社会效益和经济效 益 c a d 技术现在已经渗透到产品设计、开发过程的各个阶段。汽车行业中，欧 美几个大汽车公司改型换代需要4 8 个月，而日本只需要3 0 个月，这在很大程度 上归公于日本先进的c a d c a m c a e 先进技术。美国p t c 公司高级技术总监 c h a r l s ee e n t e r 在9 8 年初在上海的企业首脑级大会上，介绍了美国福特汽车公司运 用技术信息改造产品开发流程的成功经验，他认为正确地选择企业信息管理系统 工具和c a d c a e c a m 工具，将直接影响产品质量、经营成本和产品研发以及产 品上市周期。因此，c a d 工具的选择有着极其重要的作用。u 俨1 1 3 2u g 软件的选择 目前，国内市场上主要的c a d c a e 产品有： a u t o c a d 是美国a u t o d e s k 公司为微机开发的一个交互式绘图软件，它基 本上是一个二维工程绘图软件，具有较强的绘图、编辑、剖面线和图案绘制，也 具有部分三维图形造型功能，它是目前世界上应用最广泛的c a d 软件，占整个世 界个人微机c a d c a e c 气m 市场的3 7 左右，是诸多微机c a d 软件的佼佼者。 p r o 】巳n g i n e e r 该软件是美国p a r 锄a 仃i c 公司于1 9 8 8 年开发的软件产品， 它支持并行工作，它可通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配及其他 功能。现有模块5 0 个，具有较强的造型功能。 4 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 i d e a s 是美国s c r c 公司的软件。该软件集设计、绘图、测试、分析、 制造、数据库、变量工程及数据交换于一体，在有限元分析及优化设计方面有优 势。 u n i 酽a p h i c s ( 简称u g ) l l 训起源于美国麦道飞机公司，六十年代起成为商 业软件，为众多美国公司所采用。u g 软件于1 9 9 1 年进入e d s 公司( e 1 e c 仃0 i l i cd a t a s v s t e m s ) 即电子资讯系统有限公司，是全球最大的信息技术服务( i t ) 公司，成 立于1 9 6 2 年，总部设在美国德克萨斯州的达拉斯，多年来u g 软件汇集了美国工 业的心脏与灵魂航空航天与汽车工业的专业经验，发展成为世界一流的 c a d c 删a e 软件，并被多家美国和世界公司选定为企业计算机辅助设计、分 析和制造的标准。 u n i g r a p h i c s 在最激烈的产品开发竞争中取得胜利，在c a d 行业中，u g 的特 征和功能在相比之下，有许多独到之处，例如u n i 掣印h i c s 可提供一个功能强大的 编程框架，使客户和软件供应商能够开发与u g 很好集成和完全相关的应用程序， 在业界，最紧密的c a d c a m c a e 与p d m 集成。 由于u g 突出的曲面重构和参数化设计功能，以及在生产实践中应用越来越 广广泛，我们采用u gm 5 ( 2 0 版本进行摩托车设计和开发。本课题以摩托车尾箱为 例，对摩托车的数字化设计和开发进行全面的阐述。 1 4 产品的开发、制造流程 伴随着计算机技术的发展，人们开始利用计算机来进行产品的辅助设计( 简 称c a d ) 。从最初的二维设计技术到发展到今天功能强大的三维设计技术，产品设 计技术发生了革命性的飞跃。 二维设计技术将工程技术人员从复杂的手工绘图工作中解放出来，并且大大 地提高了绘图质量。但对于复杂的投影线生成，设计模型修改以后图纸的更新， 构件与产品的质量分析，机构的运动分析，产品的受力与受热分析等工作，二维 设计是无法实现的，更谈不上实现从设计到制造的无图纸化生产。 最初的三维设计技术是利用线框表示曲面来设计产品的三维模型。这种模型 只能表达产品的基本几何信息，如点、线、面的数据，不能表达产品几何形状之 间的拓扑关系；也没有三维形体方面的信息；几何数据的修改比较困难，几何数 据之间缺乏相关性；也不能表述产品质量方面的特性。 随着计算机软硬件技术的发展，三维设计技术也得到飞速的提高。从实体造 型技术，到特征造型技术、参数化技术、变量化技术、再到复合建模和直接建模 技术，集计算机辅助设计、辅助制造和辅助分析( c a d c 删a e ) 于一体的集 成辅助设计系统在各种技术领域中得到了广泛的应用。 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 随着c a d c 舢a e 技术的应用和普及，c a d c 舢w c a e 技术已迅速从航空 工业和军事工业向现代传统制造业扩展，c a d c a m ，c a e 技术已成为现代加工制 造业中产品设计人员进行研究开发的重要手段。 产品的开发制造流程一般是：先对产品的外观进行原创设计，然后利用c a d 技术构建三维数字化模型，再利用c a e 技术进行产品的质量、机构的运动、受力 与受热等分析，或快速成型得到一个样品。通过分析数据和样品对产品的三维数 字化模型进行修改和完善，冻结三维数字化模型后再利用c 舢技术进行数控模具 加工，最终批量生产产品。产品的开发与制造流程如图1 2 所示。 图1 2 产品的开发、制造流程 f 培1 2p r o d u t sd e v e l o p m e n t 锄dm a n u f l a c t u d n gp r o c e s s 1 5 本论文的研究背景及意义 本论文的研究背景是“某摩托车集团利用数字化技术开发新款摩托车”项目的 实施，并以摩托车尾箱为例，对摩托车的数字化设计和开发进行全面的介绍。 在激烈的市场竞争中，某摩托车集团为提高其竞争能力和提高国产化率，该 集团公司决定采用先进技术，实施数字化设计加快的开发和对国外技术的消化吸 6 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 收。某摩托车集团是重庆市企业五十强，其生产的摩托车远销越南等东南亚，面 对日益残酷的竞争环境，继续使用原来通过购买样车，拆卸分析，仿形开模， 样车试制，到批量生产的模式一方面已经越来越受到国际有关保护知识产权 的限制，其次，导致产品创新能力弱，新产品响应市场能力不强，无法掌握市场 主动权。公司决定利用先进开发工具，通过在原有产品的基础上进行改型设计， 加快新车开发和减少开发费用。 本论文从理论和实践上总结了计算机辅助协同开发产品模式下建立三维装配 建模和相关的数字化分析评价理论和方法，总结了基于u g 软件对摩托车尾箱进 行造型设计的方法和过程并对产品装配建模进行了分析，为复杂产品数字化设计 开发提供了理论指导和实践验证。如图1 3 为摩托车产品开发模式变化示意图。 1 6 本论文的结构和主要内容 本论文的结构和主要内容为： 本课题对于摩托车尾箱进行设计和三维造型，对尾箱组件的设计采用逆向工 程技术，并且根据其功能采用二维设计和三维造型相结合，最后对摩托车尾箱的 部件进行参数化设计和改进，建立标准件库，实现尾箱的系列化。 知识产权卜 竞争加剧 71 臻_ 凰目l l 研i 。 l 购买样车卜_ 专拆装分析卜仿形开模卜i 加减饰物e 批量生 。 n 贴牌印花y 弋 7、 v 、 市场信息研究k 一 改型平台车确卜 设 出 改 计 品 型 方 设 评 案 计 估 i 确 实 与 历史信息收集u一全新车型开发p 定 施 投 产 图1 3 摩托车产品开发模式变化示意图 f i g 1 - 3c h a n g eo fd e v e l o p m e n tp a t t e mo fam o t o r c y c l e 7 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 本研究内容主要有以下几个步骤： 数据采集与处理对摩托车尾箱的设计采用逆向工程和正向工程相结合的 方法进行设计。首先对摩托车上盖和下盖进行三坐标测量，将采集的数据输入到 u g 中，进行数据处理，曲面成型，曲面光顺和实体成型；在其他零部件的设计中， 以尾箱上盖为基准，进行结构设计。 零件二维设计对于摩托车的尾箱，首先采用二维设计软件a u t o c a d 进 行二维设计，对各个零件的尺寸进行标注限定，在此基础上，利用u g 进行三维 建模。 装配和干涉检查对于上述两个步骤中已经建模完成的尾箱各零件进行 装配和干涉检查，并根据检查结果对设计进行修正，在此基础上并对将已完成的 摩托车尾箱进行装配和干涉检查，并根据检查结果检测是否达到设计意图。 参数化设计对于设计完成的各零部件和摩托车尾箱进行分析，利用u g 中的参数化设计功能中的不同模块，分别对各个零件进行参数化设计，并建立标 准件库。其具体流程框图如图1 4 所示； i 三维装配 上 l参数化 i 图1 4 总体设计流程图 f i g 1 4f l o w c h a r t0 f 、h o l ed e s i g n 1 7 本章小结 本章简要介绍了制造业新产品开发的现状和需求，对摩托车数字化技术进行 了概述，还介绍了c a d 历程及u g 软件的选择，以及产品的开发、制造流程。明 确了本课题的研究背景及意义，最后提出了本课题研究的主要内容。 8 重庆大学工程硕士学位论文2 逆向技术在摩托车数字化设计中的应用 2 逆向技术在摩托车数字化设计中的应用 2 1 逆向工程概述 逆向工程作为一种高效的产品设计思路和方法，是在正向设计的基础上，随 着三坐标测量数字技术的飞速发展而产生的。逆向工程技术虽然应用的时间不长， 但广阔的应用前景已经为绝大多数加工制造企业和工程技术人员所关注。 2 1 1 逆向工程的研究概况【l 刿 目前，世界上三坐标测量机的数量己经数以万计，在国际市场上的竞争日益 激烈，其中著名的产品提供商有德国z e i s s 公司、美国b r o 、n & s h 印e 公司等 4 1 】。 国际上著名的非接触式测量设备有德国g o m 公司的a t o s 、德国s t e i n b i c h l e r 公司 的c o m e t 、美国c v b e 刑a r e 公司的三维激光彩色扫描仪、美国c g i 公司的层析断 层测量机等。一些c a d c a m 软件也集成了逆向工程模块，如p r 0 e n g i n e e r 的 s c a n t o o l s 模块、c a = r i a 的点云处理和曲线曲面拟合功能、c i m a t r a i l 9 0 的 r e v e r s e e n g i n e 嘶n g 模块等。专用的逆向工程软件相继出现，具有代表性的有：美国 e d s 公司的i m a g e w a r e 、英国m d t v 公司的s t m a n ds u r f a c e r e c o n s 缸1 l c t i o n 等。专 用逆向工程软件取得了较大的发展，但在实际应用中还存在一定的局限性，提供 的曲面造型手段及辅助功能与功能完备的商用c a d c a m 软件相比还有不小差距。 而传统的c 觥a m 软件虽然集成了逆向工程模块，但对于处理庞大的点云数据 仍存在一定的困难。 在国内，逆向工程的研究工作也有一定的进展。【2 0 】目前已经有中国航空精密 机械研究所、青岛前哨柯发测量设备有限公司、西安爱德华等1 0 余家主要的三坐 标测量机的生产厂家。在非接触式测量方面，国内较著名的有海信技术中心工业 设计所和西安交通大学合作研制成功的具有国际领先水平的层析式数字化测量机 ( c m s 系列) 、西安交通大学和台湾智泰科技公司合作开发的l s h 型激光扫描仪、 深圳特得维有限公司的) v 系列三维扫描系统等。浙江大学c a d 实验室在c t 复原三维模型方面开展了大量的研究并取得较好的成绩，推出了i 沁一s o r 软件系统； 上海交通大学利用b p 神经网络重构基于数字化点的曲面。 2 1 2 逆向技术分类 逆向工程( i 通，r e v e r s ee n g i n e e m g ) 又称为反求设计1 ，是8 0 年代发展起来的 逆向产品设计思想，是将已有产品模型或实物模型转化为工程设计模型和概念模 型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造，是集测量技术、计算机技 术、现代产品设计与制造技术的综合应用技术。逆向工程的出现，使快速、准确 地建立具有复杂外形的产品c a d 模型成为可能。随着计算机技术特别是计算机辅 9 重庆大学工程硕士学位论文 2 逆向技术在摩托车数字化设计中的应用 助集合设计的理论和技术的发展和应用，逆向工程得到了不断发展，现已广泛地 应用于产品的改进、创新设计，特别是对于具有复杂曲面外形的产品，它极大地 缩短了产品的开发周期。提高了产品精度，是消化、吸收先进技术进而创新开发 各种新产品的重要手段，尤其在形状复杂的物体或由自由曲面组成的物体的开发 研制中是缩短产品开发周期，实现快速制造的途径之一。目前，逆向工程的思想、 理论与方法广泛应用于航空航天、汽车、轮船、工艺品、玩具等行业。对于这些 行业的产品设计与制造有重大的理论和实际意义。 摩托车经过百余年的发展，摩托车上的常规设计和工业设计技术所占比重越 来越大。因此，充分利用摩托车已有知识体系，设计摩托车新产品是缩短开发周 期、降低生产成本的重要手段。同时，由于摩托车外观的美学设计特别重要，多 采用形状独特而复杂的自由曲面来表现，在概念设计阶段需要建立真实比例的实 物模型( 如油泥模型、代木模型等) ，并以实物模型为基础来评估设计的美学效果， 人体工程学和结构可行性，因此，必须利用逆向工程来完成从实物模型到c a d 模 型的转换。对产品实物样件表面进行数字化处理( 数据采集、数据处理) ，并利用可 实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的c a d 模型( 曲面模型重构) ，并进一 步用c a d c a e c a m 系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工，这一开发 模式即为逆向工程。 根据反求对象的不同，实物反求可以分为以下三种： 整机反求反求对象是整台机器或设备。如一部汽车，一架飞机，一台机床， 也可以是汽车或飞机的一台发动机，成套设备中的某一设备等。 部件反求反求对象是组成机器的部件。这类部件是由一组协同工作的零件 所组成的独立制造或独立装配的组合体。如机器设备上的阀体、机床的尾架、床 头箱等。 零件反求反求对象是组车机器的基本单元。 尽管工程界的一些权威给出了逆向工程的定义，但到目前为止，对逆向工程 还没有一个统一的定义。目前流行的观点有如下两。一种观点认为，逆向工程是 以实物( 或样件) 为依据的产品设计和制造过程，认为逆向工程是针对现有工件 ( 样品或模型) 利用3 d 数字化测量仪器准确、快速地将轮廓坐标测得，由测量数 据构造三维c a d 模型，传至一般的c a d c j 蝴系统，再由c 蝴产生刀具轨迹送至 c n c 加工机床制出所需模具，或者送到快速成型机件将样本模型做出来，此流程 称为逆向工程。另一种观点认为，逆向工程是指由实际的零件反求出其设计的概 念和数据的过程。这种观点认为传统的工程将产品的概念或( c a d ) 模型转变为 实际的零件，而逆向工程的研究基本上局限于由实物样件或模型反求其三维几何 模型，即实物反求方面。因此，也有一些文献把“由实物样件( 模型) 反求其几何 l o 重庆大学工程硕士学位论文2 逆向技术在摩托车数字化设计中的应用 模型”作为逆向工程的定义。严格地说，上述这两种定义都是仅局限在逆向工程实 物反求中的零件反求方面。具体的说，就是对实际零件的几何模型的反求。本文 提到的逆向工程也仅指这方面的含义。具体来说，在本文中逆向工程是指在已经 有了物理原型的情况下，将物理原型转换成设计数据，并在此基础上进行二次设 计和改进，为后续的产品的设计和开发、制造及加工等工作提供基础。 目前随着c a x ( c a d 、c 蝴、c a e ) 及p d m 等先进技术在各个领域的深入 应用，新技术发展为企业的继承提供了更高的基础。而维系从产品设计到制造整 个过程的关键是产品的信息模型。合理、完善、无二义的产品模型贯穿c a d 、c 御 及c a e 整个过程。逆向工程的出现，使快速、准确地建立具有复杂外形的产品c a d 模型成为可能。逆向工程技术( r e v e r s ee n g i n e e 血g ) 指基于一个可以获得的实物 模型来构造出它的设计概念，进而通过调整相关参数来达到对实物模型的逼近和 修改。 随着计算机技术特别是计算机辅助几何设计的理论和技术的发展和应用，逆 向工程得到了不断发展，现已广泛地应用于产品改进、创新设计，别是具有复杂 曲面外形的产品，它极大地缩短了产品的开发周期，提高了产品精度，是消化、 吸收先进技术进而创造和开发各种新产品的重要手段m p j 。 2 1 3 逆向工程的体系结构 逆向工程一般分为四个阶段： 数据获取常采用三坐标测量机( c m m ) 扫描等测量装置来获取零件原 形表面点的三维坐标值。 数据处理对获取的数据进行一系列数据处理( 如数据拓扑的建立、数据 滤波、数据精简、特征提取与对数据分块等) 。对于形状复杂的点云，经过数据处 理，按测量数据的集合属性对其进行分割，将其分割成特征相对单一的块状点云， 然后采用集合特征匹配与识别的方法来获取零件原型的设计和加工特征。 原型c a d 模型的重建将分割后的三维数据在c a d 系统中分别做表面模 型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件的原型表面的c a d 模型。 重建c a d 模型的检验与修正根据获得的c a d 模型重新测量和加工出样 品，来检验重建的c a d 模型是否满足精度或其他实验性能指标的要求，对不满足 要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求。 重庆大学工程硕士学位论文2 逆向技术在摩托车数字化设计中的应用 图2 1 逆向工程框架 f i g 2 1f r 锄eo fr e v e r s ee n g h e 嘶n g 总之一个完整的逆向工程流程，主要包括数据获取、数据处理、曲面重构三 个主要部分。由于逆向工程在实施过程中所涉及的内容和面临的问题多，所以是 一个系统工程。逆向工程的整体框架模型如图2 1 所示。 2 1 4 逆向工程的主要方法 纵观现有工业企业所采用逆向工程方法，共有如下三种类型： 传统逆向工程方法逆向工程系统将测量的点云数据，经过必要的编辑、 多模型自动匹配、偏置、滤波、排序等优化处理，人工或半人工寻找结构特征线， 根据结构线及域内点云拟合出各局部的曲面c a d 模型。 传统逆向工程方法存在的问题主要为速度问题，因为需逆向工程的实物模型 都是非常复杂的几何形体，用简单测绘的办法是无法解决的，复杂形体的几何模 型都是由多曲面经裁减、过渡等组合而成。其特征淹没在点云之中，欲将特征重 新提取出来，是一个非常烦琐、专业性要求极高的工作。对于摩托车覆盖件等复 杂产品，往往需要数周或数月的时间才能完成，极大地影响了模具的生产周期。 因特征识别的难度很大，所以很大部分传统逆向工程在实际工作中应用并不理想。 测绘逆向工程方法采用人工测绘的办法，测量出复杂形体的特征构造线或 由点云数据中获取特征构造线，再由c a d c 舢系统利用正向曲面建模的方法完 成整个模型的建立。从严格的意义上，该方法不能称其为逆向工程方法，是正向 1 2 重庆大学工程硕士学位论文 2 逆向技术在摩托车数字化设计中的应用 方法在逆向工程中的应用。该方法的优点是对于由标准形体经布尔运算所形成的 复杂形体，该方法简单实用。缺点是对于复杂曲面经光顺过渡处理而形成的复杂 形体，该方法将难以实现曲面重现。 专用逆向工程软件方法采用专门的逆向工程软件，不但可以保证几何模型 的精度，而且能够很好的解决逆向工程的速度问题。当前主要的逆向工程软件有： e d s 公司的u n i g r a p l l i c s ，s d r c 公司的s u r f a c e r ，d e l c 锄公司的c o p y c a d 等。 国外目前采用专用逆向工程软件与其它的先进制造方法相结合即将产品设 计、结构性能分析、n c 加工及三维检测等过程融为一体，根据制造厂商接收的工 件型面数据，计算机完成设计并自动生成n c 指令，通过n c 机床完成产品的制造。 这种借助n c 机床和三坐标测量机( c m m ) 不离开加工中心即可实现产品尺寸精度 检测的方法，可以大幅度缩短生产周期，提高加工精度。 在国内目前的应用来看，逆向工程利用三坐标测量机或激光扫描装置对用作 参考物的样品进行快速测量，将测得数据反求为可被c 胱a m 软件接受的数据 模型，进而作修改和详细设计，以达到快速开发新产品的目的。 2 1 5 逆向工程的工业应用【2 4 j 逆向工程己成为工业领域产品开发中不可缺少的一环，其应用范围主要包括 如下几个方面： 当设计需要通过实验室测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的 方法，比如航空和汽车领域，为了满足产品对空气动力学等的要求，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，最终确认的实验模型必须借助逆向工 程，转化为产品的三维c a d 模型。 在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有c a d 模型的情况下，在对 零件原型进行测量的基础上，形成零件的设计图纸或c a d 模型，并以此为依据生 成数控加工的n c 代码或快速原型加工所需的数据。 很多产品很难用基本几何来表现与定义，例如流线型产品、艺术浮雕及不 规则线条等，这种场合下必须引入逆向工程，以加速产品设计和降低开发难度。 在模具行业，常需要通过反复修改原始设计的模具型面，以得到符合要求 的模具。然而这些几何外形的改变却往往未曾反映在原始的c a d 模型上，借助于 逆向工程的功能和其在设计与制造间所扮演的角色，设计者现在可以建立和修改 在制造过程中变更过的设计模型。 逆向工程在新产品开发、创新设计上同样具有相当高的应用价值。为了研 究上的需求，许多大企业也会运用逆向工程协助产品设计研究。利用逆向工程技 术，可以直接在己有的国内外先进产品基础上，进行结构性能分析、设计模型重 重庆大学工程硕士学位论文2 逆向技术在摩托车数字化设计中的应用 构、再设计优化与制造，吸收并改进国内外先进的产品和技术。 逆向工程也广泛用于修复缺乏供应的损坏零件等。此时不需要复制整个零 件，只是借助逆向工程技术抽取原来零件的设计思想，用于指导新的设计。 在快速原型制造( i 心m ) 的应用中，逆向工程的最主要表现为：通过逆向工 程，可以方便地对快速原型制造的原型产品进行快速、准确的测量，找出产品设 计的不足，进行重新设计，经过反复多次迭代可使产品完善。现代逆向工程技术 除广泛应用在上述的汽车工业、航天工业、机械工业、消费性电子产品等几个传 统应用领域外，也开始应用于休闲娱乐方面，如用于立体动画、多媒体虚拟实境 和广告动画等；另外在医学科技方面，如人体中的骨头和关节等的复制、假肢制 造、人体外形测量和医疗器材制作等，也有其应用价值。 逆向工程之所以在许多诸如汽车、造船业、百货、电子业、医药等不同领域 都产生兴趣，其理由常常可