（机械制造及其自动化专业论文）轿车模具数字化理论与实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 产品开发是汽车工业技术的核心，在缩短产品开发周期、消化吸收国外先 进设计技术、提升汽车模具的设计制造水平过程中逆向工程技术发挥着关键作 用，因而对逆向工程技术开展深入研究有重要的现实意义。 本文详细阐述了基于逆向工程的汽车模具及其覆盖件数字化理论与实现过 程，并对其在数据采集、数据处理以及曲面构建与评价过程出现的问题进行了 探讨性研究，提出了相应的解决方案。具体内容如下： i 介绍了目前国内外先进的表面数据获取技术与方法，侧重描述了基于光栅 投影的工件表面数字化实现原理，提出了数码相机与光栅投影相结合的测 量新方法，解决了数据采集过程中积累误差控制问题。 2 对测量数据的精简、特征识别等预处理技术进行了研究，提出了一种基于 角度迭代的数据精简方法，以及基于最小二乘膏一邻域曲面拟合的特征识别 技术，为点云数据的区域划分提供了合理依据。 3 对基于n u r b s 的曲面重建、曲面编辑进行了研究，推导了相邻曲面间及多 面共角点曲面问g 1 连续的快速协调过程，并结合实例归纳了曲面重构的基 本步骤和策略，提高了曲面构建效率。 4 总结了曲面质量评价和检查方法，着重描述了曲面评价中广泛应用的基于 曲率的方法和光照模型方法，对曲率图、等照度线( 斑马线) 、反射线、高光 线检查方法的原理进行了分析和比较，并用实例作了验证。 关键词：逆向工程，数据采集，特征识别，曲面重建，质量评价 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sw ek n o wt h a tp r o d u c td e v e l o p m e n ti st h ek e r n e lo fa u t o m o t i v et e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g yo fr e v e r s ee n g i n e e r i n gp l a y sak e yr o l ei nt h ep r o c e s so fr e d u c i n g n e wp r o d u c td e v e l o p m e n t p e r i o d ，a b s o r b i n g a d v a n c e d d e s i g n i n gi d e a s ，a n d i m p r o v i n gt h ea u t o m o t i v em o l d sd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gs k i l l s i ti sn e c e s s a r y t or e s e a r c 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 yw i d e l y t h ef o l l o w i n gc o n t e n to ft h e p a p e rd e s c r i b e st h ed i g i t i z a t i o nt h e o r y o f a u t o m o t i v em o l d sa n da p p l i c a t i o nb a s e do nr e v e r s ee n g i n e e r i n g , a n dp r e s e n t ss e v e r a l n e wi d e a si ns o l v i n gs o m ep r o b l e m si nm o d e ld i g i t i z i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，c a d m o d e lr e c o n s t r u c t i n g ，a n ds u r f a c ev a l u a t i n g t h e s ea r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep a p e ri n t r o d u c e sa d v a n c e dm e t h o d sa n dt e c h n o l o g i e so fm o d e ld i g i t i z i n g ， e s p e c i a l l yf o c u s e s o nd a t ap r o c u r e m e n tu s i n gs t r u c t u r e d l i g h tp r o j e c t i n g m e t h o d t oc o n t r o le r r o ra c c u m u l a t i o nd u r i n gd i g i t i z i n gl a r g em o d e l ，s u c ha s 1 ：1c l a yc a rm o d e l ，w ep r e s e n t san e wm e a s u r i n gm e t h o dc o m b i n i n go f f - s h e l f d j g i t a lc a m e r aa n da t o s ，af a m o u sg e r m a nd i g i t i z i n ge q u i p m e n tu s e di n r e v e r s ee n g i n e e r i n g 2 r e s e a r c h e si n t ob a s i cd a t ap r e - p r o c e s sm e t h o d s ：t or e d u c ep o i n td a t a ，an e w m e t h o db a s e do na n g l ei t e r a t i n gi sd e s c r i b e d ，i tw o r k sw e l li nr e d u c i n gt h e n o i s yp o i n t sa n dd a t ai nf l a ta r e aw h i l er e m a i n i n gt h ed e s i r a b l ef e a t u r ep o i n t s ； t od e t e c tu s e f u lf e a t u r ep o i n t sf o rm o d e lr e c o n s t r u c t i o n ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa f e a t u r ed e t e c t i n gm e t h o db a s e do nl e a s t s q u a r es u r f a c ef i t t i n gi nk - n e a r e s ta r e a t h ed e t e c t e dp o i n t sg i v el o g i c a lf r a m ef o rp o i n tc l o u dp a r t i t i o n i n gb e f o r e m o d e lr e c o n s t r u c t i o n 3 d i s c u s s e sm e t h o d so fs u r f a c er e c o n s t r u c t i n ga n dm o d i l y i n gb a s e do nn u r b s d e d u c e st y p i c a l l yu s e dg 1g e o m e t r i cc o n t i n u o u sc o n d i t i o n sf o rt w oa d j a c e n t n u r b sp a t c h e sa n dm u l t i p l en u r b sp a t c h e sw i t hc o m m o nc o i n e r b y r e s e a r c h i n gt h ee f f e c t so fk n o tv e c t o ra n dt h ed e g r e eo fs u r f a c eo ng e o m e t r i c c o n t i n u i t i e s t h e ns u m m a r i z e sb a s i cs t e p sa n ds o m es t r a t e ：g i e si ns u r f a c e r e b u i l d i n gw i t hs o r t i es u r f a c er e c o n s t r u c t i o ne x a m p l e s 4 c o n c l u d e st h em e t h o do fs u r f a c eq u a l i t yc h e c ka n de v a l u a t i o n ，e s p e c i a l l y i n t r o d u c e st h eb r o a d l yu s e dc u r v a t u r e b a s e dm e t h o da n dt h ei l l u m i n a t i o nm o d e l t h ep a p e rc o m p a r e ss e v e r a lm e t h o d s ，s u c ha sc u r v a t u r ec o m bm a p ，i s o p h o t e s ( a l s ok n o w na sz e b r a ) ，r e f l e c t i o nl i n e ，a n dh i g h l i g h tl i n e ，a n dg i v e ss o m e e x a m p l e st ov a l i d a t et h e m k e y w o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，m o d e ld i g i t i z i n g ，d a t ap r e p r o c e s s i n g ，m o d e l r e c o n s t r u c t i o n ，s u r f a c ev a l u a t i o n v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝弘慨址移 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) i i 鹕吼碰卫箩 e 海大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来，中国汽车行业发展迅猛，成为中国经济增长的龙头之一。而国家 相继出台的一些宏观调控政策更为加速我国汽车工业的发展注入了新的动力：如 国家发改委于2 0 0 4 年6 月1 日正式颁布实施汽车产业发展政策，新政策明 确提出，中国汽车业要在2 0 1 0 年发展为国民经济的支柱产业，成为世界主要汽车 制造国，产品要批量进入国际市场：要形成几家具有国际竞争力的大型汽车企业 集团，并在2 0 1 0 年跨入世界5 0 0 强企业之列；要形成若干驰名的汽车、摩托车和 零部件产品品牌；以及十一五汽车发展规划也明确指出我国汽车工业在十一 五期间将重点解决三大问题：提高企业自主研发和自主创新的能力、大力发展自 主品牌：积极发展节能和新能源的产品：加快产品结构和组织结构的调整。这无 疑既为我国汽车产业的发展指明了方向，又提出了更高的要求。 1 1 汽车工业对逆向工程的需求 随着汽车产品的多样化、快节奏、大批量以及汽车工业投资主体多元化，国 内汽车行业呈现如下发展趋势【1 】： 1 汽车市场迅速膨胀。近十年来，我国汽车年均增长1 5 ，是世界汽车工 业平均增速的十倍，预计到2 0 0 8 年我国汽车产销量能够超过日本，跃居世界第 二。国家实施的扩大内需和西部大开发战略、2 0 0 8 奥运会及2 0 1 0 年世博会愈加 极大地带动汽车行业的发展，特别是加快轿车进入普通家庭的步伐。 2 乘用车产品宽系列、多品种、多层次。人们不仅将轿车当作代步工具， 而且视为一种精美的工艺品。审美观念的差异、购买力的悬殊决定了乘用车宽系 列、多品种和多层次。 3 市场竞争日益激烈。随着国际整车和零部件巨头加速进入中国市场，其 它行业的龙头企业纷纷进军汽车行业，使整个汽车产业面临着空前的降低成本、 缩短交货期、提高产品质量、提升创新能力、改善服务水平的压力。 在汽车生产中，包括车身外体、发动机、内饰等在内的9 0 以上的零部件 需要依靠模具成形。制造一款普通轿车就需要1 0 0 0 多套冲压模具，2 0 0 多件内 饰模具。一个车款就需要制造1 2 0 0 多套模具。 与汽车工业的迅猛发展相比，我国的汽车车身模具特别是轿车覆盖件模具的 发展相对滞后。近几年来，我国汽车模具除生产能力和产量上升很快外，产品水 平和质量也有很大提高，然而我国轿车模具的整体国产化程度相当低，如上海大 众的p a s s a t 、p 0 u d ，一汽大众的a u d i - - a 6 、通用的b u i c k 等中高档汽车 车身覆盖件模具基本上靠进口。国内自主开发的车身覆盖件模具主要集中在内覆 上海大学硕二b 学位论文 盖件、内饰件和部分中低档轿车外覆盖件方面，远远满足不了国内汽车开发的需 要。因此，加速中高档轿车模具的国产化进程成为行业需求。 汽车覆盖件大多由薄板冲压成形，其国产化的主要途径1 2 j 有两种：一种是由 外方提供部分c a d 模型，如线框和二维图纸，在此基础上进行曲面重建得到模 具型面，生成模具的c a d 模型：另外一种是创建油泥模型或采用模具实物，经 过模型表面数据采集，获得数字模型，再进行改型、修改、完善，最后经c a m 完成模具。由于企业技术的专有性和保密性，国外企业的技术标准和数据的应用 受到很大的限制，而产品实物作为商品和最终的消费品，是最容易获得的一类“研 究”对象。在只有产品原型和实物模型的条件下，通过重构产品零件的c a d 模 型，在探寻和了解原设计技术的基础上，实现对原型的修改和再设计，以达到设 计创新、产品更新之目的，对于具有复杂曲面外形的覆盖件，逆向工程更成为其 主要的设计方式。 1 2 逆向工程简介及其应用 逆向工程技术( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 最初是来自从油泥模型到产品实 物的设计过程，随后发展形成一项以实物、样件、软件( 包括图样、程序、技术 文件等) 或影像( 图像、图片等) 作为研究对象，应用现代设计方法学、生产工 程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究，进而开发出同类的更为先进 的产品的技术。作为消化吸收先进技术的一种手段，逆向工程技术是现代测量技 术，c a d 技术，数控加工技术发展和综合应用的产物，对现代制造业的发展起到 巨大的推动作用1 3 i ： 1 满足企业产品开发和生产发展的需要，大大缩短了产品开发的周期，提 高了企业产品开发的能力和市场竞争力。 2 推动产品设计思维的变革。从“逆向”入手进行产品的设计与改进，加 快了产品的开发周期，节省了产品的研发成本。 3 促使产品加工思想的转变，从传统的仿形加工( 靠模加工) 向数控加工 转变，提高了产品的研制速度、加工精度和加工质量。 4 逆向工程的研究还为快速产品设计( r p d ) ，快速原型制造( r p m ) 等先进 制造技术提供了关键的技术支持。 作为一个潜在的巨大的汽车市场，在国内驰骋的汽车品牌琳琅满目，款式层 出不穷，但在这些产品中少有自己的知识产权。因而在相当长的时期里更多的是 学习和模仿，积累自己的经验，为今后的高层次创新打下坚实的基础。因此，通 过逆向工程，在消化、吸收先进技术的基础上，进行产品的创新设计是提升我国 汽车设计制造水平的有效途径。 上海大学硕= l 学位论文 1 3 逆向工程有关技术及研究 1 3 1 逆向工程系统组成 图1 1 是逆向工程的工作流程图，由图可以看出逆向工程系统主要由三部分 组成：产品实物外形数字化、c a d 模型重建、产品或模具制造。 图1 1 逆向工程流程图 组成系统的设备和软件包抖4 j ： 1 测量设备。一般由测量机与测量头构成，测量机有三坐标测量机、多轴 专用机、多轴关节式机械臂等；测量头分接触式和非接触式两种。 2 数据处理。由测量设备获得的外形点数据在建模前必须进行格式转换、 除噪、平滑、多视图拼合、探头半径补偿和孔洞插值补点等处理。 3 模型重建软件【5 1 “【8 1 。主要有三类：一是用于正向设计的c a d c a e c a m 软 件，如s o l i d w o r k s 、i - d e a s 等其数据处理和逆向造型功能有限；二是集成有逆向 功能模块的正向c a d c a e c a m 软件，如p r o e 、u gn x 、c a t i a 、a l i a s 等； 三是专用逆向工程软件，如i m a g e w a r e 、g e o m a g i c 等。支撑软件的硬件平台有个 人计算机和工作站。 4 c a e 软件。计算机辅助工程分析包括机构运动分析、结构仿真、流场及 温度场分析，如a n s y s 、m o l d f l o w 等。 5 快速成形( r p ) 。产生模型样件，有立体光固化、分层实体制造、选择性 激光烧结、熔融沉积成形、三维打印等造型方法。 6 c n c 加工设备。各种c n c 设备进行原型和模具制作。 1 3 2 数字化方法与技术 实物零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点 的空间几何坐标数据。只有获得了样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的建 上海大学硕士学位论文 模、评价、改进、制造。因此，如何高效、高精度地实现样件表面的数据采集， 一直是逆向工程的主要研究内容之- - 9 1 。近几十年来，随着传感技术、控制技术、 图像处理和计算机视觉等相关技术的发展，出现了种类繁多的样件表面数据获取 方法，一般来说可以分为无损测量和破坏性测量( 层切法) 两大类，而无损测量 又可以分为接触式数据采集和非接触式采集，接触式基于力变形原理分为触发式 和连续扫描式、基于磁场或超声波的数据采集。非接触式主要有激光三角测量法、 激光测距法、结构光法、图像分析法、全息法、工业c t ( 1 e t ) 等，见表1 1 ， 其中，声学式、磁学式、工业c t 、层切法可以对产品的内部结构进行测量。 表1 1 常用三维测量方法 实体测量方法 一、接触式数据采集方法 1 触发式数据采集方法。采用触发探头，当采样测头的探针刚好接触到样 件的表面时，探针尖的受力产生微小的变形，触发采样测头中的开关，使数据采 集系统汜下探针尖( 测球中心点) 的当时坐标，逐点移动，就能采集到样件表面 轮廓的坐标数据，在触发式数据采集过程中，由于探针必须偏移一个固定数值才 会触发开关，而且一旦接触到样件的表面后，探针需要法向退出以免过量而折断， 因此数据采集速度较低。 2 连续扫描式。采用模拟量开关采样头，它的原理是利用悬挂在三维弹簧 系统中的探针的位置偏移所产生的电感或电容的变化，进行机一电模拟量的转 换。当采样头的探针沿着样件表面以某一切向速度移动时，就发出对应各坐标位 置偏移量的电流或电压信号。由于数据采集过程是连续进行的，速度比点接触式 触发采样头快许多倍，采样精度也较高。此外，由于接触力较小，允许用小直径 的探针去扫描具有细微部分或由较软材料制作的模型。由于采样速度快，连续扫 描式数据采集法可以采集大规模的数据。 3 磁场法。该方法是将被测物体置于被磁场包围的工作台上，手持探针在 物体表面移动，通过触针上的传感器感知磁场的变化来检测触针位置，实现对样 件表面的数字化，但不适用于导磁的样件测量。 上海大学硕士学位论文 二、非接触式数据采集方法 1 激光三角测距法( l a s e r t r i a n g u l a t i o nm e t h o d s ) 。它是逆向工程中曲面数据 采集运用最广泛的方法，其基本原理为：激光二极管所发出的激光，经过透镜聚 焦投射到样件表面，被表面反射或漫射，反射或漫射的激光通过收集透镜聚焦， 光斑按照定的三角关系成像于光电检测器件的不同位置，从而探测出被测表面 的位置。主要特点有：( a ) 探针不与样件接触，因而能对松软材料的表面进行数 据采集，并能很好地测量到表面尖角、凹位等复杂轮廓；( b ) 数据采集速度很快， 可将大型表面在c m m 或数控机床上迅速完成数据采集。所采集的数据是表面上 的实际数据，无需测头补偿；( c 1 价格较贵，杂散反射，对于垂直壁等表面特征 会影响采样精度。 2 距离法( r a n g em e t h o d s ) 。利用光速的飞行时间来测量被测点与参考平面 的距离，主要有脉冲波、调幅连续波、调频连续波等主要工作方式，由于激光的 单向性好，多采用激光作为能量源，这种方法精度也较高。 3 结构光法( s t r u c t u r el i 曲tm e t h o d s ) 。将一定模式的光照射到被测样件的表 面，然后摄得反射光的图像，通过对比不同模式之间的差别来获取样件表面点的 位置。这种方法中最典型的是s h a d o wm o i r e 干涉条纹法。它的特点是不需要坐标 测量机等精密设备，造价比较低，便携性好。 4 全息法( h o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r y ) 。全息法是利用全息摄影技术获得物 体的全息图，从而构建出物体的三维信息。 5 图像分析法( i m a g e a n a l y s i sm e t h o d s ) 。与结构光方法的区别在于它不采用 投影模板，而是通过匹配确定物体从一点在两幅图像中的位置，由视差计算距离。 由于匹配精度的影响，图像分析法对形状的描述主要是形状上的特征点、边界线 与特征描述物体的形状，故较难精确描述复杂曲面的三维形状。 6 i c t 法( i n d u s t r i a lc o m p u t e r t o m o g r a p h v l 。最具代表的是基于x 射线的c t 扫 描，它以测量物体对x 射线的衰减系数为基础，用数学方法经计算机处理而重建 断层图像。这种方法是目前最先进的非接触测量方法，它可以对物体的内部形状、 壁厚尤其是内部结构进行测量。但是空间分辨率低，成本高。 7 核磁共振成像法( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 。和x c t 一样可以提供物 体的断层影像，它不同于已有的成像术，它能深入物体内部而不破坏物体。这种 方法造价高，空间分辨率不及c t ，且目前对非生物材料不适用。 8 超声波测量法( u l t r a s o n i cm e t h o d s ) 。采用超声波的数字化方法，其原理是 当超声波脉冲到达被测物体时，在物体和空气两种介质分界面会发生回波反射， 通过测量回波与零点脉冲的时间间隔计算出被测点与零点的距离。这种方法相对 于c t 和m r i 而言，成本低、量程大，但速度慢、精度低且不稳定。 上海大学硕士学位论文 9 逐层切削照相法。其工作过程为：将待测物体用专用树脂材料完全封装， 固化后进行微进刀量平面铣削，得到包含待测物体与树脂材料的截面，然后拍照 得到三维离散数字图像，由于物体与封装材料有明显边界，经过数据处理获得边 界轮廓图像。这种方法对有孔及内腔的物体测量，测量精度高，所得数据完整。 在实际测量中，测量方法的选用需根据被测物体的形状特征和应用目的决 定。作为一种检测仪器出现的三坐标测量机在逆向工程应用中发展成为实物外形 数字化的主要设备，但存在测量速度慢，需要进行测头半径补偿，因测量力过大， 不能测量松软材料样件等缺点。随着硬件技术的不断发展，光学非接触式测量技 术得到了迅速发展。以高响应，高分辨率著称。该方法具有测量速度快，测量精 度高，不受环境电磁场干扰，工作距离大，可测量材质松软的样件等优点，成功 地解决了接触式测量方法所存在的问题。在未来的发展趋势中，非接触式测量将 越来越占据主要地位，但三坐标测量机在精度方面仍具有优势。对一些具有特殊 的数字化要求的实物( 如内部结构) ，基于c t 弄f l m r i 的测量依然是一种不可替代 的测量手段。可以说，迄今为止，还没有一种完全适合于快速逆向技术的快速、 精确的全能测量方法，表1 2 中比较了几种典型实物数据获取技术的特点。 表1 2 典型三维扫描方法特点比较 测量方法精度速度内腔测量形状限制材料限制成本 三坐标接触测量1 z m慢 否 无硬质材料高 表面变化不能 投影光栅法5 5 0 9 m快 否 无低 过陡、过光滑 表面变化不能 激光三角形法 1 0 5 0 “m 快否无局 过陡、过光滑 工业c t 法低较慢 能无 无很高 层切法 0 0 2 n u n 慢能 无无 较高 1 3 3c a d 模型重建 c a d c a m 系统中的几何模型是由几何信息和拓扑结构两部分组成，通常可分 为线框、曲面、实体三种模型【。近年来，还发展了特征模型、产品模型和仿 生模型等。 1 线框模型。这种模型由一系列空问直线、圆弧和点组合而成，用来描述产 品的轮廓外形。它具有多义性，易混淆，无法识别曲面轮廓，不能判别零件之间 是否干涉，不能计算模型的几何特征和物理特性，不能给出立体的明暗色调效果。 2 曲面模型。其数据结构是在线框模型的基础上再附加一些指针，使棱线有 序的连接。曲面模型可以定义形体的全部边界，易于在计算机上实现，在：亡程领 上海大学硕士学位论文 域应用十分广泛。 3 实体模型。如果要处理完整的三维形体，最终必须实现实体模型，它能准 确无误地反映物体的三维形貌。 4 特征模型。它采用参数化的特征来描述物体的几何形状及其功能关系，每 一个特征和一组属性相联系。特征模型包含完整的产品信息，是c a d c a m 集成化 的理想模型，但特征分类和定义的不完整性、传统操作对特征编辑的无效性制约 了这种技术的实际应用。 5 产品模型。它是一种能反映产品整个生命周期的模型，理想的产品模型能 够满足信息完整性、唯一性、通用性、逻辑性、并行性等要求。 6 仿生模型。根据仿生学原理建立的产品模型，使产品的模型具有能相互约 束、自决策性、分散管理和柔性等特点，以减少再设计的工作量。这种建模方法 正处于探索阶段。 c a d 模型重建是根据坐标测量后得到的数据构建实物对象的几何模型，不同 的数据类型( 有序点和散乱点) 形成了不同的模型重建技术。目前较成熟的方法 是通过重构外形曲面实现模型重建，本文将在第四章详述曲面构建的一般方法与 理论。 1 4 课题背景及选题依据 汽车被誉为“改变世界的机器”，其广泛的前向关联，后向关联和侧向关联 等效应，使其成为制造业之巅。随着汽车行业所面临的竞争日趋激烈，同其它产 品一样，汽车市场的竞争中如何在保证p t q s ( 产品、上市时问、质量及服务) 的 前提下降低生产成本是国内汽车生产企业需要解决的一个重要问题。汽车产品零 部件乃至整车的国产化既是衡量国内汽车企业技术水准的标准之一，也是降低生 产成本的一个重要举措，同时，在国产化过程中为自主产品开发进行必要的技术 经验积累，迅速实现“引进消化吸收创新”的国产汽车梦想。 本论文课题来源于上海汇众汽车制造有限公司g b u i c k 底盘模具数字化开 发，对底盘模具进行数字化处理，生成模具表面模型，实现模具的改型设计和 再生产；石家庄双环汽车股份有限公司g s u v 汽车设计1 ：1 油泥模型的数字化、 中顺e m 0 1 项目m p v 汽车设计1 ：1 油泥模型的数字化等项目，采用数码相机与 结构光投影相结合的方法实现对大型实物( 1 ：1 汽车油泥模型) 的数据获取，在 此基础上完成汽车外形改型工作等项目。在项目实践的基础上就逆向工程中实体 表面数据获取技术、数据预处理技术、曲面造型技术方面做了一些研究，提升了 企业自身的开发设计能力和市场竞争能力，同时也为构建汽车国产化平台做了有 益的实践。 上海大学硕士学位论文 1 s 论文内容及安排 本文选择自由曲面的快速反求工程作为研究课题，侧重于研究快速测量技术 和基于n u r b s 研究曲面重构技术。采用的研究工具主要有：德国g o m 公司的a t o s ( a d v a n c e dt o p o m e t r i cs e n s o r ) 、f u j if i n e p i xs 2p r o 数码相机( 分辨率4 2 5 6 x 2 8 4 8 ) 、 p c ( c p u1 2 g 2 ，d d r2 g ，o sl i n u x 2 4 1 、i m a g e w a r e l 2 0 、u gn x 2 0 。 本文主要完成的工作包括： 1 研究了逆向工程中自由曲面表面数字化技术，尤其将普通数码相机应用 于整车油泥模型数据采集过程，取得了速度快。精度高的良好效果。 2 研究了散乱数据拓扑重建、精简、特征识别的问题。 3 研究了n u r b s 曲线曲面数学模型构造问题，解决了自由曲面之间的光滑 拼接问题，总结了工程实践中曲面模型质量评价指标和实施方法。 全文共分六章，具体安排如下： 第一章绪论。概述了逆向工程的概念，实施实物反求的一般过程及其在汽车 行业中的应用，介绍了目前国内外先进的测量技术与方法，并对各种方法进行了 系统的比较，得出各自的优缺点和适用范围。 第二章基于光栅投影的表面数据获取技术。论述了光栅投影技术的基本原理 和实现过程，及与数码相机结合在大型工件数据采集过程中实现误差控制和快速 采集的方法。 第三章离散数据的预处理。论述了曲面模型构建前对离散数据进行的必要预 处理，如孔洞填补、建立空间拓扑关系、数据精简、特征识别等，为曲面模型的 快速重构打下良好基础。 第四章曲面构造方法研究。主要论述了n u r b s 自由曲线曲面构建的算法基础 和n u r s 曲线曲面的节点处理、升降阶、形状修改以及光顺拼接等编辑方法。 第五章曲面质量及评价。介绍了为满足汽车行业对曲面模型的特殊要求而采 用的曲面质量评价检查方法。 第六章对论文完成的主要工作进行总结和展望。 上海大学硕士学位论文 第二章基于光栅投影的表面数据获取技术 通过第一章所述各种表面数据获取方法的分析对比，结合汽车和模具制造行 业特点，在项目实旌过程中选用成本最低，精度合适、速度快、便携性强、基于 光栅投影的a t o s 光学扫描仪( 如图2 1 所示) 获取实物表面几何信息。 圈2j a t o s 【扫描仪 a t o sl 扫描仪采用立体摄像的原理和格雷编码光栅技术，使用数字相机 ( 1 0 3 2 x 7 7 6 ) ，单幅测量范围从1 0 0 0 x 8 0 0 到4 0 x 3 0 衄，卤素投影光源，单幅测 量支持多达7 次曝光，能适用于恶劣的工作环境，扫描快速( 单幅扫描时间o 8 秒， 可获取8 0 0 ，0 0 0 个数据点) ，操作方便。 2 1 光栅投影测量技术 光栅投影测量方法是基于多种测量理论而产生的一种测量方法，是在结构光 栅投影的基础上，结合相移法和三角法来获取对象表面点的三维坐标。 2 1 1 投影编码原理 光栅投影的编码原理h ”j ：将不同栅距的11 幅光栅连续投影到测量对像上 ( 图1 ) ，由两个相机记录这些光栅，可以获得多幅图像，将视场空间分割成5 1 2 个带状区域。每个区域的宽度只有2 3 个像素。每一份空间可用一个二进制码 来表示，如在图中的p 点，由编码可推断出尸点在视场中的位置，从而获得p 点到 投影中心的夹角。 图2 2 光栅投影原理 9 h 海大学硕士学位论立 二进制编码要满足一定的条件：区域分割后，每个区域的编码必须是独立 和唯一的：编码要求满足相邻区域编码间的h a m m i n g 距离1 1 4 j 均是1 ，否则在双 目配准时会出现错误配准：编码方案要满足采样定理，采样定理在这里可以描 述为摄像机的采样频率是投影仪对物体表面的区域划分频率的两倍以上。具体的 讲，编码要满足划分的最小区域的宽度和一个像素视野宽度之比大于2 。 2 1 2 图像匹配 a t o s 在测量中采用两个c c d 相机记录被实物调制的反射光栅，测量过程结合 了立体视觉测量的原型1 3 】。立体视觉中最重要问题是图像匹配，常用的匹配方 法可分为两类：一种是：基于图像相关的区域相关匹配( a r e a b a s e dm a t c h i n g ) ， 直接利用图像的灰度信息，对二维图像平面进行统计分析，用灰度相关性和相似 性做相关匹配判决，具有实现简单，定位精度高，恢复视差密度大等优点；另一 种是基于图像特征的匹配( f e a t u r e b a s e dm a t c h i n g ) ，有选择地采用能表示景物自 身特性的特征，通过更多的强调空间景物的结构信息解决匹配的歧义性，匹配特 征主要为点状特征、线状特征、角特征、区域特征，也可取图像统计特征。 本文方法采用外极特征匹配方法【1 5 】【1 7 】。空间二进制编码仅仅实现了左右图 像配准时的横向约束，还不能在纵向对图像进行约束。这里引入对极几何的概念。 如图2 3 所示，0 d 、q 分别为左右摄像机的透视中心。q 、o b 和空间物 点p 构成一个平面，称为外极平面。外极平面与左右像平面的交线只e 。、p b e 。分 别称为投影点只、己在左右像面上的外极线。q 仇与左右像平面的交点e 。、e 。 叫做左右像平面的极点。同一像平面上的所有外极线都应相交于e 点，称e 为该 像面的外极中心。 p 图2 3 双目测量的对极几何关系 对极几何为双目视觉立体匹配提供了一个纵向约束条件。极线只e 。、p b e 。 在左右像平面上是相互对应的，从而与左像面上投影点只所对应的右像面投影 点只必在右外极线g e 。上，反之与右像平面上投影点只所对应的左像平面投影 点只必在左外极线只e 。上。图像匹配时，需要匹配的像点沿外极线方向搜索， 在另一台相机记录的图像中找到相应的像点。搜索沿外极线方向进行，是一维搜 索，因此习惯上把这种图像匹配叫做外极线数字相关。由于该方法匹配的搜索是 一维的，搜索位置要比二维的少得多，因此它具有计算量小、图像匹配速度高等 1 0 上海大学硕：e 学位论文 2 1 3 系统标定 阶弗 仁， | ； = r 巨 仁z ， 其中，x ，y 为像点坐标，工，y ，z + 为转换后的物点坐标，x ，y ，z 为物点坐标， 珞，y h 为基准点坐标，d x ，d y 是镜头畸变，x 。，r o ，z 。是透视中心坐标，c 是基准 点间距离，r t 为旋转矩阵。具体的标定方法和步骤参见文献1 2 1 i 。 2 1 4 数据点计算方法 j ，o ，y ) ；r ( x ，y ) b o ，y ) + b ，_ ) ，) c 。s o 马1 ( 2 3 ) 1 ( x ，y ) ；r ( x ，y ) f 爿o ，_ ) ，) + b o ，y ) c o s 里! + d p ( x , y ) 1 ( 2 4 ) 式中r ( x ，y ) 为一个与物体表面光学特性有关的物理量， a ( x ，y ) 为背景光强， 剐彳为条纹对比度，p 为光栅间距，o ( x ，y ) 为相位调制函数，它包含物体面形 图2 4 光栅投影物相关系示意图 图2 4 中s ，为摄像系统光心，其光轴垂直于参考平面r ，s 。为投影系统光心 上海大学硕士学位论文 其光轴与摄像光轴交于参考面上0 点，s 。与r 面的距离为l ；a 为参考面上系统测 量范围内的任意一点，在成像面上对应着a 点，物体上的d 点也对应着a 点。若能 确定参考面上a 点和物面上d 点的位相九和九，而物面上口点与参考面上c 点 存在映射关系，即船= 九。则由口点高度引起的位相改庐= 九一九且有下列关 系： 驴：堡a c ( 2 5 ) p 。为参考平面上的光栅条纹间隔。由相似三角形a s ：d s ，m d c 得： a c 兰 z = 弓 1 + 竺 d 实际测量中d ”4 c ，上式可简化为： z ：a c 兰 d 由上可知，只要能检测参考面及物面上映射点的位相 即可由( 2 5 ) 式和( 2 7 ) 式确定被测物面高度。 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 计算它们的位相差 a t o s 采j e f j n p h a s e 算法2 4 1 ，将投影光场作1 2 次离散相移，每次移相2 使光场上每一点对应1 2 个强度值，则该点相位可由下式计算： 西= a r c t a n ( 2 8 ) 小叫- 锄 ， 式中：月： ，z n m f 9 “j 坍，5 一小，9 v ， m ，1 一m ，9 u ， m r 5 一m ，9 v r 肌n 0 “j 珊f 1 0 v f m r i o u ， 川，1 0 v ， m ，3 一m 1 1 1 “f m f 7 一m f l l v f m r 3 一m ，1 1 u ， m r 7 一m ，1 1 v ， ，b = u l m 1 4 v f m f 8 h r m ，4 v r m ，8 f x l ，iyl 为物 【zj 点空间坐标，0 ，v ，) 为左像点坐标，0 ，v ，) 为右像点坐标，m ，= 协。，i = 1 1 2 ) ， m ，= m 。，i = 1 _ 1 2 ) 为标定矩阵【2 l 】。 概n撕n 咖一 l 宝 l 一0 nv鱼孓高 上海大学硕士学位论文 2 1 5 多视点云拼合 对实物样件进行数字化时，往往由于产品尺寸超出测量量程，或在部分区域 测量探头受实物几何形状的干涉阻碍等原因，需要在不同的定位状态下测量产品 的各个部分，这就存在多视拼合的问题。使用a t o s 澳j 量前，先要在被测物体上 设置参考点( 如图2 5 ) ，测量过程中利用这些参考点依据刚体原理进行坐标变换 方法f 包括平移、旋转、对称、投影和错切变换) 实现多视拼合【2 5 h 拥。 图2 5 未编码参考点 理论上讲，只要知道不共线的三个点在两个坐标系下的坐标值，就能计算出 坐标变换关系。如图2 5 所示，若第次和第二次扫描均能测到a 、b 、c - - 点， 则通过如下的矩阵变换可将第二次定位坐标下的测量数据转换至第一次定位坐 标中： ly | - r iyi + t i zjl zj 其中，( x ，y ，z ) 为第二次定位状态下某一参考点的坐标值，而( x ，y 将( x ，y ，z ) 变换至第一次定位状态的坐标值：r 为正交旋转矩阵， 移矩阵。将式( 2 8 ) 换成方程表述形式为 ，l 石1 + r 2 k + r 3 2 1 + t j = 工l ，1 x 2 + r 2 k + r 3 2 2 + t ，= z 2 x 3 + r 2 匕+ z 3 + t ；= z ， r ：+ r ；+ r ；= 1 ( 2 1 0 ) ，z ) 贝t j 是 t 为平 佗1 1 ) 式中，i 0 和f ：，t ，t ：是待求参数。由( 2 1 1 ) 可以解得，r 2 ，r 3 ，t 。求解r 4 ，6 过 程与上面大体相同，只需在矩阵中加入方程_ ，4 + ，2 + ，3 r 。= 0 使，4 k 与，1 r 3 之间满足正交条件，可求得r 4 , r s ，r 6 ，t 。，同理求得0 ，r s ，r 9 ，t ：。 由前面分析可知，第二次测量与第一次测量的重叠区域内的参考点数少于三 上海大学硕士学位论文 个将无法完成多视点云的拼合，在实际情况中由于测量误差的存在，两次定位中 测得的公共参考点的相对位置不可能完全一致，可能出现拼合错位的情况，为求 得最佳的定位状态，可利用i c p 算法f 硐进行误差处理。i c p 算法是目前解决坐标 重定位的一种基本算法，该算法的基本思想是：给定的目标点集p ( 需要进行坐 标变换的对象) 和参考点集0 ，为了使p 能够和q 对齐，首先对p 中的每个点在 q 中找一个与之距离最近的点，建立点对参考点集的映射关系，然后通过最小二 乘法计算一个最优的坐标变换，最后的坐标变换即为每次变换的合成。若最终迭 代求解精度不能满足要求的拼合精度，则需要重新进行第二次测量，增加在第一 次测量已测得的“老”参考点数，直至达到拼合精度为止。 为了避免点云拼合的累积误差过大，在测量中应对复杂实体的测量路径进行 规划，如图2 6 所示，在对某型仪表盘测量时由实体的中部开始向四周散开，测 量拍摄的顺序为a b c d e f 。 图2 6 复杂物体测量规划 2 2 数码相机在实物表面数据获取过程中的应用 如2 1 中所述，a t o s 在测量过程中，对超过单次测量量程1 0 0 0 x 8 0 0 r a m 2 的 工件采用非编码的参考点要进行多次测量拼合。但是对汽车行业而言，更多的是 大型外覆盖件甚至是整车1 ：l 油泥模型的表面数据化，这时如果仍依靠图2 5 所 示的参考点进行拼接，将导致测量拼接误差积累( 甚至出现无法拼接) ，重复测 量数据过多( 如图2 6 ) ，测量效率低，同时给硬件带来的沉重的负荷。为了解决 1 4 上海大学硕士学位论文 上述问题，本文以文献1 2 1 】研究的数码相机数据采集理论方法为基础，以增强其 在实际工程操作中的实用性为原则，采用数码相机首先确定所有参考点在世界坐 标系的位噩，以所测得的点为a t o s 系统中的“老”参考点，再用a t o s 对物体进 行分块测量。 2 2 1 编码方案 数码相机确定参考点的关键问题在于