（机械制造及其自动化专业论文）逆正向混合工程在重卡国身开发中的应用与研究.pdf

逆正向混合工程在重卡车身开发中的应用与研究 摘要 国内重卡车身开发技术与发达国家技术存在很大差距，如何利用新技术、 新方法提高重卡车身开发技术对提高重卡市场竞争力、缩短国内外技术差距起 到至关重要作用。 本文是在以上背景下开展的，目的是优化产品开发流程，提高产品的研发 能力，并结合相关理论和研究提出有效的产品设计方法。 首先，本文阐述了混合设计流程；即逆向设计和正向设计相结合的设计流 程，并对数据采集、数据处理、曲面重构等关键技术进行了研究；其次，研究 了逆向设计和正向设计结合建模的设计平台；利用扫描仪器获取测量数据，在 逆向软件中对点云数据进行处理，在正向软件中数据进行三维实体建模，从而 为生产制造提高实体数据。该方法能充分利用两大软件优势，解决了逆向工程 软件建模和c a d 软件点云处理能力弱的问题。最后，通过重卡相关产品开发项 目，在实践中建立了从r e v s c a n 手持式激光扫描仪器采集数据到g e o a g i c 的点 云数据前处理、特征线的截取，曲面划分以及到正向软件c a t i a 的正向设计的 工作流程。从而将本文研究的理论和方法用于实际工程，有效的解决了工程问 题，取得了较好的结果。 本论文通过对产品开发过程中的混合设计研究，提出正逆向结合建模设计 的方法。结果表明，混合设计流程对提高产品研发能力对于提高产品开发能力， 缩短产品研发周期，有着实际工程意义。 关键词：混合工程数据处理曲面重构 a p p l i c a t i o na n d r 七s e a r c ho fh y b r i de n g i n e e r i n gi nd e v e l o p m e n to f h e a v vr i r u c kb o d v a b s t r a c t b i gd i 虢r e n c ee x i s t s i i lt h ed e v e l o p m e n tt e c l l l l o l o g yo f h e a 呵- d u t yt r u c kb e t w e e n c k n aa i l dd e v e l o p e dc o u l l t r i e s a d v a i l c e dt e c l l n o l o g ya n dm e t h o dp l a yac r u c i a lr o l ei n i r l l p r 0 v i n gt h ec o m p e t “i v e n e s so f t i l eh e a 、，) rt r i l c km a r k e t ，s h o r t e l l i n gt l l et e c l l i l o l o g yg a p b e t w e e nh o m ea n d l b r o a d i nt 1 1 ea b o v ec o n t e x t ，m ep a p e rr e s e a r c h e di i l t ot h er e a s o m l b l ep r o d u c td e v e l o p m e n t p r o c e s s ，r e s e a r c ha i l dd e v e l o p m e n tc 印a b i l 时o fp r o d u c t ，a n de 疵c t i v ed e s i 弘m e t l l o di 1 1 t e m so ft h er e l a t e dt l l e o 珂a i l dr e s e a r c h f i r s t ，t h j sp a p e re x p o 硼d st l l eh y b r i dd e s i g np r o c e s s ，n 锄e l ym ec o m b i n e dd e s i 印 谢t ht 1 1 er e v e r s i o n t h ek e yt e c l l n o l o g yo ft l l ed a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ep r o c e s s i n ga 1 1 ds u r f a c e r e c o n s 协l c t i o nh a sb e e nr e s e a r c h e d s e c o n d l y ，s t u m e dd e s i g np l a t f o mb a l s e do nt l l e 血x m o d e l l i n gm e m o do f f o r w a r dd e s i g na j l dr e v e r s ed e s 瞎n t h ed e s i g np l a t f o 肌a sf o l l o w ，m e s c 猢i n gm e a s u r e m e n ts y s t e mg a i no b t a i nm e a s u r e m e n td a t a ，t h es o 讯a r eo fr e v e r s e e n g i n e e r i n gi n t l l ep o i n tc l o u dd a t ap m c e s s i n g ，t h ef o r v 旧r ds o 孙聪i r ed a _ t af o r3 ds o l i d m o d e l i n g ，s oa st oi m p r o v et h ep r o d u c t i o nm a l l 时i a c t i l r i n ge n t i t yd a ：c a t h em e t l l o dc a i lt a l ( e a d v a i l t a g eo f “v os o f h v a r e ，s o l v et h e 、v e a kp r o b l e mo ft h es o f h v a r eo fr e v e r s ee n g i i l e e r i n g m o d e l i i l ga 1 1 dc a d s o 脚a r ep o i n tc l o u dp r o c e s s i n ga b i l i 吼f i n a l l y ，缸o u g hr e l a t e dp r o d u c t d e v e l o p i i l e n tp r o j e c ti i lm eh e a 、7 仃i l c k ，t h j sp a p e rh a sg o tat e c l l l ：l i c a l lp l a t f o 衄丘d mm e r e v s c a nh a j l d - h e l dl a s e rs c a l l j l i n gi i l s t r u m e n t c o l l e c t i n gd a t at o t h ep o i n tc l o u dd a ：t a p r e - p r o c e s s i n gi i l t h eg e o m a g i cs o 胁a r ea i l dt of o m w dd e s i 盟、v o r kn o wi nc a t i a s o f t 咄e n l u s ，t l l et h e o 巧a i l dm e t h o d su s e di 1 1m ea c t u a lp r o j e c t ，e 旋c t i v e l ys o l v e dm e e n g i n e e r i n gp r o b l e m ，a i l da c l l i e v e dg o o dr e s u l t s t h es t u d yo n l eh y b r i dd e s i g no ft l l ep r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s si nt h i sp a p e r ， p u tf o r 、v a mt h er e v e r s i o nm i xm o d e l l i n gm e t h o d ac a s es t u d ys h o w e dt h a tt 1 1 eh y b r i d d e s i g nh a si m p m v e dt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc 印a b i l i 锣，s h o n e nn e wp r o d l l c tt h e d e v e l o p m e n tc y c l e ，w i t hp r a c t i c a le n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：h y b r i de n g i n e e r i n g ，d a t ap 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 致谢 自2 0 0 9 年9 月份在合肥工业大学汽车装备工程技术研究所攻读硕士学位以 来，导师林巨广教授在学习和工作上给予我悉心的关怀与指导，林巨广教授渊 博的知识，严谨的治学和工作态度，精益求精的精神为我树立了学术研究和工 作的榜样。林教授为本文课题的研究指明了正确的道路。谨此论文完成之际， 特向林巨广教授致以最崇高的敬意和衷心的感谢! 在课题研究过程中，王健强教授，王淑旺教授等均给予悉心的指导和帮助， 为课题的选题和研究指明正确的方向，谨此感谢。并感谢安徽巨一自动化装备 有限公司的同事们在本人研究生学习阶段给予的指导和帮助。 感谢王建中等同事的帮助，使我在工程项目中获得丰富的知识和经验，为 本课题提供工程实践基础。 感谢李友朋、殷永强、高伟等好友的帮助，给予了课题中的研究方法和有 关理论的指导和帮助。 特别感谢父母和亲友给予本人求学的支持和鼓励，他们的默默无闻的关怀， 给予了我信心和奋斗的精神，让我能够不断走出困境，顺利完成学业。 最后，感谢汤东华、施成攀等师兄，以及刘凯、胡波、李静、张军、程刚、 顾立才、曹炜等同窗好友在各方面的帮助。 作者：卞显虎 2 0 1 2 年4 月 插图清单 图1 1 正逆向工程流程图5 图l 一2 混合型开发流程7 图2 1 数字化测量方法9 图2 2 三坐标测量机的工作原理1 0 图2 3 激光三角法测量原理1 1 图2 4i 砸v s c a l l 激光扫描仪器1 4 图2 5r e v s c a i l 激光扫描仪器硬件系统1 4 图2 6r e v s c a l l 扫描流程图1 5 图2 7 扫描件及其测量仪器一1 5 图2 8 重卡保险杠拖钩门实物图1 5 图2 9 重卡保险杠拖钩门点云数据图1 6 图2 1 0 点云数据拼接1 6 图2 1 1 拖钩门坐标系1 7 图3 1 正逆向结合设计平台2 2 图3 2 数据交换接口方式一一2 4 图3 3 数据交换接口方式二2 4 图3 4 数据交换接口方式三2 4 图3 5g e o m a g i c 软件直接读取s t l 数据2 5 图3 6g e o m a g i c 软件对数据进行前处理2 6 图3 7s t l 数据和有效边界在c a t i a 软件中共享2 6 图3 8 数据分块2 7 图3 9 特征线构造一2 7 图3 1 0 平面构造2 7 图3 。1 1 曲面和特征线在c a t i a 软件中共享2 8 图3 1 2 拖钩门正向设计阶段流程图2 8 图4 1 网格域增长算法图3 2 图4 2 栅格属性识别图。3 3 图4 3 曲面重构流程3 4 图4 4 传统曲面造型流程图一3 5 图4 5 曲线拟合理论流程3 6 图4 6 重卡拖钩门修剪图3 7 图4 7 重卡拖钩门过渡曲面图3 8 图4 8 曲线连续分析3 8 图4 9 重卡拖钩门多截面曲率梳3 9 图4 1 0 重卡拖钩门误差分析图3 9 图5 1 本课题所使用的系统平台4 0 图5 2 重卡外顶、内饰点云数据4 1 图5 3 重卡前顶内饰前处理4 2 图5 4 重卡前顶内饰前处理一4 2 图5 5 重卡前顶内饰数据分块一4 3 图5 6 重卡前顶内饰基本面构造一4 3 图5 7 边界曲线、特征线构造一4 3 图5 - 8s t l 数据、边界曲线、特征线在c a t i a 中数据交换4 4 图5 9 重卡内饰前顶曲面重构图4 4 图5 1 0 重卡前顶内饰误差分析4 5 图5 1 1 重卡外顶及内饰装配图4 5 图5 1 2 重卡外顶内饰与连接骨架装配图4 6 表格清单 表1 1 车身开发流程表4 表2 1 三坐标测量机和激光扫描仪器对比表1 2 第一章绪论 1 1 课题的研究背景、内容和意义 1 1 1 研究背景 重型卡车作为公路运输的主要工具，在国民经济和社会生产中发挥着重要作用。 国产重卡系列相对于资金雄厚、技术先进的欧美企业，如戴姆勒、帕卡、沃尔沃、斯 堪尼亚，虽然价格低廉，但在自主研发技术、创新等方面同国外重卡有着巨大的差距， 在国际竞争中仍处于劣势。我国重型卡车开发技术，尤其是驾驶室车身开发技术目前 远远落后于欧美等发达国家水平。本课题主要研究如何利用先进的技术提升我国重卡 产品开发的技术水平。 目前，国内重卡产品开发主要有两种方式进行：正向工程技术和逆向工程技术。 传统产品的开发技术多采用正向工程技术。从概念设计到产品设计再到产品的试制和 试验直到产品的批量生产。该技术适合新产品自主创新的开发，但是国内重卡技术本 来就远远落后于国外技术，完全依靠国内自主研发而不引进吸收国外技术，不适合制 造业的残酷竞争。逆向工程依托于实物模型，产品开发从实物模型到产品的数字化。 然后，再进行快速成型制造或模具加工制造。逆向工程技术的优势在于可根据现有的 实物模型，使用先进的测量设备对实物模型进行数据采集，再对采集数据进行处理形 成能加工的三维数据，就可实现产品的复制生产。但是逆向工程技术往往是对模型或 实物的复制，只是做到对先进技术的引进而不能做到产品的创新。 因此，要想提高制造业的研发能力，不能单纯依靠自主创新或者完全的“拿来主 义”。而是要在引进、吸收的基础上进行产品的在创新，形成自主品牌。本文在阅读 大量国内外有关正向工程和逆向工程资料的基础上，结合重卡开发过程中所遇到的难 题，提出产品设计开发的新流程：正向设计和逆向设计结合的流程【l j ，即混合设计流 程。并搭建逆向工程软件g e o m a g i c 和正向工程软件c a t i a 结合使用的技术平台，从 而将混合设计方法运用于工程实践。 1 1 2 研究内容 由于国内重卡车身开发技术与发达国家开发技术存在很大的差距。如何利用新技 术，新方法提高重卡车身的开发水平，这正是本课题研究的出发点。首先，本文结合 车身开发流程，对正向工程和逆向工程进行了深入研究，阐述了产品设计中常用的正 向设计和逆向设计的主要工作方法。通过比较发现完全自主开发和全部的“拿来主义” 都不利用新产品的开发。在此前提上，提出了一个正逆向结合的产品开发流程即产品 混合设计流程。该流程有效的结合了正向设计和逆向设计的优势，从而起到提高产品 开发能力的目的，为产品开发设计提供一个新思路。同时，本文还深入研究了数据采 集技术、数据的前处理和后处理的方法。并针对混合设计流程通过使用正向造型软件 c a t i a 和逆向工程软件g e o m a g i cs t u d i o 对重卡外顶及内饰的开发设计采用正逆向结合 的方法。通过采用正向造型软件c a t i a 和逆向工程软件g e o 腿g i c 结合设计的平台， 在短时间内实现了产品的试制生产，缩短了制造周期，降低了产品的研发成本，提高 了产品的市场竞争力。本课题的研究工作主要如下： ( 1 ) 研究了产品设计中的正向设计和逆向设计的方法，并结合了正向设计 和逆向设计特点，提出产品混合设计的方法和流程。 ( 2 ) 完成了对正逆向结合开发工作系统中的关键技术探讨。阐述了数据测量技术， 并对测量机的工作原理、使用方法等进行了研究。重点对本文中所用的激光扫描仪的 硬件设备、系统软件以及使用方法等进行了详细的描述。 ( 3 ) 搭建了产品开发过程中正逆向结合设计技术开发平台。有效的克服了正向软 件处理点云数据弱以及逆向软件造型功能弱的问题。并对采集数据在测量机、逆向软 件和正向软件交换中的接口问题进行了研究。 ( 4 ) 实例验证：通过正向造型软件c a t i a 与逆向工程软件g e o m a g i cs t u d i o 相结合， 对重卡外顶及内饰产品的测量数据进行c a d 模型的重建。并在同一个软件平台下进 行了虚拟装配，检验了产品的安装可靠性。验证了c a t i a 软件与g e o m a g i cs t i l d i o 软件 相结合使用的可性性和优越性。 1 1 - 3 研究意义 本文来源于工程实践，通过对测量技术、正向工程和逆向工程深入研究基础上， 在实践中建立了从数据采集到数据处理和三维数模重建的一条技术路线。并通过正逆 向混合工程在重卡产品开发中的应用，验证了该技术路线的可行性。实践表明正逆向 结合的技术路线能够有效的提高企业自主研究能力，极大的加强了产品自主开发能力 【2 】o 随着科学技术的高速发展，科学技术已成为第一生产力，对推动社会发展和生产 力发展起着促进作用。现阶段，随着先进的测量技术的发展，通过测量仪器对实物模 型进行数据采集，并使用软件工具对采集的数据进行处理，将采集数据转换为制造设 备能够识别的数字模型，从而实现产品的消化吸收和自主创新。各国都在利用先进的 科学技术对别国的科研成果进行引进、消化和创新，从而发展为自身的高新技术。本 文的研究就是对数据的测量、数据的处理和曲面重建展开研究。由于目前还没有一种 工具既能对实物模型进行数据采集、又能对数据进行处理和数据的曲面重构。一般的 研发流程是使用扫描仪对数据进行测量、逆向工程软件对点云数据进行处理和曲面重 构。但是逆向工程技术对数据进行重构时不能对数据进行参数化和结构设计，不利用 产品的创新设计。因此，建立数据测量、数据处理和曲面重构体系对促进产品创新有 着十分重要的意义。 正逆向混合工程是产品数字化开发的方法，也是现在研究的一个热点方向【3 j 。结 合了正向设计和逆向设计的优势，能够根据产品的实物模型进行数字化模型重建，又 能够在正向软件中进行二次设计，实现产品的创新设计。从而能够真正的解决产品设 计难题，实现产品的自主开发能力。既能缩短产品开发的周期，又能够提高产品的精 度。正逆向混合工程技术在产品全球化激烈竞争的条件下产生的，是降低产品成本、 增强竞争力的重要手段。因此，对正逆向混合工程中的关键技术的研究，有利于缩短 2 产品开发周期，提高企业产品竞争力和促进科学技术水平的发展。 综上所述，正逆向混合工程技术对先进技术的引进、消化、吸收和创新能够起到 桥梁作用。能够有效的提高企业市场竞争力、缩短产品研发周期。本文研究的主要目 的是通过对正向工程、逆向工程和测量技术的深入研究，建立起一条从数据采集、数 据处理、曲面重构的正逆向结合设计平台。本课题将混合设计路线引进到重卡产品的 开发，将理论研究与实际工程项目结合，实现了重卡产品的设计、制造、生产的三维 设计路线。并在短时间内完成了产品的试制，小批量生成，对提高我国重卡产品的自 主研发能力起到了极大的促进作用。本课题所得出的研究成果同样也适用于的中小型 企业产品的自主研发。它能够有效的提高产品的开发创新能力和缩短同行业间的技术 差距。因此，对正逆向混合工程的研究有着广泛的理论和实际应用意义【4 1 。 1 2 车身开发流程 1 2 1 车身开发流程简述垆j 车身造型不仅要有华丽高贵的流线型和与众不同的特性，同时还要考虑其安全性 能、舒适度和产品制造工艺。因此，一款汽车的设计过程就是工业设计、汽车理论、 机械制造、有限元分析、人机工程和流体力学等多门学科的综合。 国内重卡车身设计在项目开发中经过项目策划、概念设计、产品设计、样车试制 和试验，其中概念设计和产品设计需要花费巨大的精力。实物造型阶段的整个过程是 基于手工设计完成。整个造型过程的特点是通过实物造型，设计图纸，和靠板等来表 达设计信息。模型主要用油泥或原子灰制作而成，模型一旦经过评审确定后，则进行 油泥模型冻结。但是技术人员根据模型制作原始数据、图纸，再进行产品加工，模具 制作，整个过程需要花费大量的时间与经费。在新产品开发过程中技术人员也常常会 根据规划部门的要求，使用c a d 软件的强大的建模功能，对车身进行设计开发，通过 参数去进行车身建模，这种设计思路也是从无到有的过程，设计需要经过设计、试制、 设计改进、试制等，设计周期长，浪费较大。 国外在研发上的流程为概念造型一c a e 分析一试制一生产。国内在新产品研发水平和 国外存在着差距，所以从设计链上看，我们必须提高软件在产品设计中的作用。将逆 向工程，三维造型，c a e 分析综合运用在重型汽车的研发设计中。从而提高自主研发 能力，减少差距，真正意义上做到自主品牌，设计一流的重型汽车【6 】。 综上所述，使用新的产品设计流程，提高软件工具在产品设计中的作用，从而才 能够提升新产品自主创新能力，缩短国内重卡产品与国外重卡产品开发的差距。这就 是本课题的研究重点。在车身开发流程中，若遵循从无到有的原则，那么有可能我们 永远都会做别人做过的工作，赶不上欧美发展的步伐；若我们采用“拿来主义”，完 全买发达国家的技术，那么我们将无法形成自主品牌，也会慢慢失去重卡国内外市场。 因此，只有提高重卡车身的开发水平，采用新方法、新技术才能提高产品竞争力。只 有采用新的技术手段对国外高新技术进行消化吸收，并在此基础上，进行创新。 本小节将首先阐述车身开发流程的过程，其次介绍正向工程与逆向工程的在产品 开发中的作用与方法，最后介绍产品开发设计过程中正向与逆向结合的新思路。 表1 1 车身开发流程表 开发 名称内容 阶段 项目计划 项目策可行性分析 本阶段开发流程须达到的目的为验证项目的可行性。生 l 成项目建议书，展示项目优势等。并通过成立项目组， 划 项目建议书 明确项目工作目标，各组工作内容等要求。 项目组成立 总体草图布置 概念设计阶段，属于工业设计阶段。本阶段的主要任务 概念设 是确定车身外观造型、内部布置以及产品设计的可行性 2 造型设计 计 和制造的可行性。最后通过油泥模型的制作验证车身设 油泥模型制作 计的合理性。 整车布置 产品结构分析 产品设计阶段主要是对整车进行布置。将概念设计的模 产品设型转换成三维数据，并通过三维数据对车身进行内外饰 3 三维数据生成 计 设计。并通过虚拟装配验证设计的可行性。最后，进行 内外饰设计 工程分析从而缩短开发周期，提高产品研发质量。 工程分析 样车试 样车试制 通过样车试制和样车试验再次验证设计的可行性和合 4 制和试 验样车试验 理性，通过该阶段，将对研发产品进行小批量的试生产。 1 2 2 正向设计流程、逆向设计流程及应用领域1 7 j ( 1 ) 传统的正向开发流程是产品设计师依据项目策划进行概念设计和效果图制 作，进行产品总体草图布置，从而制作油泥等手工模型。从产品的概念设计到产品的 总体设计再到各个零部件的设计。最后进行产品加工程序。是一个从未知到已知，从 抽象到具体的过程。正向工程产品的流程图如图1 1 ( a ) 所示。 ( 2 ) 逆向工程的开发流程是依靠已经存在的产品或者产品的实物模型通过数据采 集、数据处理和曲面重构等方式获得实物模型c a d 模型再进行加工制造。即由测量到 的资料来反推得到c a d 模型。从而可为工程设计、产品加工、分析等提提供数字化信 息【8 1 。逆向工程产品的流程如图卜l ( b ) 所示： 4 ( a ) 正向工程流程 ( b ) 逆向工程流程 图1 1 正逆向工程流程图 ( 3 ) 逆向工程意义及应用领域 随着科技的发展，三维扫描仪和逆向软件等新设备、新技术的引入。逆向工程被 广泛应用于各种新产品的开发，在新产品的开发中起到了纽带作用。同时，随着对逆 向工程的逐步研究，其科研成果也迅速的应用到对国外新技术的开发中，成为消化、 吸收国外先进技术的一种手段，极大的缩小了发展中国家和发达国家的距离。逆向工 程应用在产品的开发中，这有效的缩短了产品的开发周期，提高了企业的竞争力。据 统计，国内有6 5 的新技术来源于对国外技术的消化、吸收。同时，也使得新产品的 开发周期缩短了4 0 以上。所以，逆向工程对经济的发展和科技的发展也起到了极大 促进作用。逆向工程的应用领域主要体现在以下方面： 1 ) 改型产品设计应用领域 对原产品经过局部修改后形成的新产品，其c a d 模型发生了变化，为实现新产品的 批量生产，对改型产品利用逆向工程技术获取三维数据，从而为制作新产品模具提供 数据。 2 1 获取产品数据 上游厂商处于对企业资料保密，往往仅提供实物给下游厂商，为获取原始资料，可应 用逆向工程技术将原始数据还原出来，从而可提高企业的竞争力，缩短新产品的开发 周期。 3 ) 产品外型造型有特殊美学要求的应用领域【9 】 在新产品的开发中，特别是对外观设计有特殊美学要求的产品，设计师往往用油泥、 原子灰等材料制作大量模型，将其意图用实体展示出来，模型冻结后，再利用逆向工 程技术获取三维模型。 4 1 制作快速成型件的应用领域 产品开发的过程中，往往由于涉及到材料或工艺的改变，需要根据现有实物制作快速 成型件。此时，应用逆向工程技术就可方便快捷的获取数据，为快速成型件的制作提 供数据。 5 、工艺品、文物等的数字资料保存 工艺品、文物等往往具有流线型或不规则的线条，难以用正向c a d 软件描述或图纸 表达。此时，可使用逆向工程技术对实物获取三维数据，用于资料的保存。 6 1 生物医学领域 在牙齿矫正、特种服装、人体骨骼的制造，需要应用逆向工程获取人体三维模型，实 现根据个人去定制从而改变落后的制作方法。 7 ) 产品辅助检测 新产品制造完成后，为评估实物与c a d 数据之间的误差，通常采用逆向工程技术获 取新产品的点云数据，再对两个数据进行分析比较，从而可作为控制质量和产品分析 的工具【l o 】。 1 2 3 混合设计流程开发操作流程l j 通过对比正逆向设计流程，可以看出两个流程中的的主要差别在于正向产品开发 流程是产品设计师从产品的概念设计到产品总体设计再到各个零部件的设计，最后进 行的加工程序。是一个从未知到已知，从抽象到具体的过程。逆向产品开发流程是对 实物模型的复制、生产和加工。设计师依据项目策划进行现有产品的选型，用测量设 备对模型进行数据采集，然后将采集的数据用逆向工程软件进行数据处理和曲面重 构，从而获得三维数模，并进行模具加工制造，从而实现产品的试制和批量生产。 单纯全正向流程会导致产品设计周期长，且不能有效的引用国外先进的制造和生 产技术。而单纯全逆向流程会产生以下问题：数据测量过程中点云数据量较大、数据 定位难、用逆向工程软件处理后难以实现产品的参数化和结构化设计，仅对现有产品 的复制，不利于创新设计。针对以上正逆向设计流程的利弊，本文提出采用混合式设 计流程。即通过对实物模型进行数据采集到曲面重构，然后再将所得到的曲面进行参 数和特征化等结构设计，从而达到正逆向结合开发的目的。本文结合实际工程开发项 目中所遇到的难题，通过提出正逆向结合设计的观点，达到优化设计流程，提高产品 研发周期的目的。混合型产品开发流程如图卜2 所示。 1 3 课题体系框架 品模型 点云资料获取 c a d 三维模型 三维模型修改 新模型制作 二 工 产品生产制造 产品评估检测 二1 工 批量生产 n 图1 2 混合型开发流程 第一章绪论主要介绍了新产品常用的开发流程( 正向设计流程和逆向设计 流程) 。在此基础上提出了本文的研究内容：正逆向结合的混合设计流程；然后， 介绍了本文的选题意义、研究目的；最后，介绍了本文的体系框架。 第二章数据采集和前处理技术。首先，介绍了产品数据采集设备的原理及 其采集方法，并对接触式扫描仪和非接触式扫描仪工作原理、使用方法等进行 比较，总结出两种扫描设备的优缺点；然后，详细介绍了本文所使用的数据采 集设备( r e v s c a n 手持式激光扫描仪) 的硬件设备、软件系统、工作原理和测 量过程。最后，对采集数据的前处理方法进行了研究，给出数据前处理的步骤 与方法。 第三章正逆向结合建模设计。首先，介绍了国内外开发新产品所用的软件平 台。通过比较阐述正向设计和逆向设计的方法。并针对混合设计流程提出正逆向软 件结合建模的思想。本文在深入的研究了c a t i a 和g e o m a g i cs t u d i 0 1 2 两个正、逆向 设计软件后，给出开发新产品正、逆向软件混合设计的开发平台。其次，由于采集数 据需要在不同的设备和软件系统中进行交换。本章也对数据在不同软件平台下的接口 问题进行了深入的研究了。 第四章曲面建模系统及理论。本章结合理论研究与g e o m a g i cs t u d i o 和c a t i a 软件结合建模的操作实例对c a d 重建技术进行了研究。对现阶段常用的由点 云数据实现曲面重构的传统曲面造型和快速曲面造型理论与方法研究比较发 现：单纯应用传统曲面造型和快速曲面造型方法对点云数据进行处理后，所构 造曲面的质量不高。从而提出本章的重点内容：用g e o m a g i c 软件对点云数据 进行前处理并构造高质量的特征线和曲面，通过参数交换器发送到c a t i a 软件 中，并在正向c a d 软件中进行参数化和特征化建模设计，从而保证构建出最 终的曲面模型，保证所构造曲面的精度。最后，给出了曲面误差和精度检测的 方法。 第五章基于g e o m a g i c 和c a t i a 结合建模设计在工程实践中的应用。首先，通过 对重卡外顶、内饰等产品的开发工程实例。验证对实物模型从数据测量到 g e o m a g i c 软件的前处理和c a t i a 软件的后处理的混合设计流程和正逆向结合设 计的可行性及其优势；其次，对所做模型进行了曲面的光顺和精度误差分析。 最后，对处理好的重卡外顶、骨架及其内饰设计在同一个软件中进行了虚拟装 配，模拟了装配的可行性。 第六章的结论对本文研究的主要工作进行了总结。首先，提出了本文的创 新点：新产品开发的混合设计流程及其新产品开发过程中采用逆向工程软件进 行前处理和正向设计软件进行后处理的一系列方法。其次，指出了本文研究内 容的不足之处。最后对本文的进一步研究方向提出了建议和设想。 第二章数据采集和前处理技术 2 1 引言 数据采集技术是指利用一定的测量设备对零件表面进行数据采集，得到采样数据 的坐标值1 2 】。对数据测量后，用正、逆向软件对数据进行三维造型，对曲面进行重 构，然后进行数控或快速成型加工出所需要的产品。因此，数据采集方法及其处理是 否得当对构建c a d 曲面模型和产品的加工制造起着至关重要的作用【l 引。由于数据测 量的设备和方法各不相同，如何根据不同物体表面的特点，选取不同的测量方法，一 直是数据测量技术研究的主要内容【1 4 】【1 5 l 。本章研究的主要内容是对不同测量设备的 工作原理、硬件设施等进行分类、比较和总结，得出了不同测量设备所适用的场合对 象。其次，采集数据的前处理技术对后期构造曲面的质量和效果也起着至关重要的作 用，本章也通过重卡保险杠拖钩门数据前处理的实例对数据前处理技术进行了介绍。 2 2 数据测量方法 目前，实物模型曲面数字化技术主要有接触式数据采集技术和非接触式数据采集 技术两大类【l6 。各种测量方法分类如图2 1 所示： 图2 1 数字化测量方法 9 2 2 1 接触式数据采集技术 接触式测量法是利用测量探头在与被测量物体进行接触时触发一个记录信号，并 通过相应的设备记录下当时的标定传感器数值，从而获取三维数据信息l 】7 1 。在接触 式数据采集技术中，三坐标测量机是应用最广泛的测量设备之一。 ( 1 ) 三坐标测量机的工作原理：将被测物体放置于三坐标机的测量空间，通过计 算机控制测头与工具的接触压力，并按规定的方向轨迹进行运动，同时启动数据采集 的软件，计算和存储测量机测头在坐标系中的空间位置，当被测件表面数据采集完毕 后，数据采集软件可对数据进行处理、坐标系进行转换等，从而根据探头与物体表面 接触可获得各测量点的坐标值，根据点的空间坐标，经过计算转换后，可得出被测物 体模型的外形尺寸、形状和空问位置【l 引。 ( 2 ) 三坐标测量机的结构和系统 三坐标测量系统的结构和系统如图2 2 所示：三坐标测量机需要3 个方向的标准 器( 标尺) ，使用导轨实现相应的方向的运动，还需要测量头对被测量工具进行探测 和瞄准。此外，测量机还要具备数据自动处理和自动检测的功能，需要相应的电气控 制系统和计算机软件、硬件来实现。三坐标测量机分为主机、三维测头、电气系统3 个部分。 图2 2 三坐标测量机的工作原理 1 ) 主机：三坐标测量机的主机结构包括框架结构、标尺系统、导轨、驱动装置、平衡 部件等。 框架结构：指三坐标测量机主体的机械结构。 标尺系统：包括线纹尺、精密丝杠、感应同步器、光栅尺和数显装置等。 导轨：用于实现二维运动。 驱动装置：用于实现机械运动和通过程序控制电机伺服运动功能。 平衡部件：主要的目地是用于平衡z 轴框架。 2 ) 三维测头：三维测量传感器，主要用于感应3 个方向上的瞄准信号和微小位 移，用以实现瞄准和测微。 3 ) 电气系统 电气控制系统主要用于测量机电气控制的部分。 计算机硬件系统包括各种p c 机和工作站。 测量机控制软件和处理软件。 打印、绘图装置 ( 3 ) 三坐标测量机的测量过程 1 ) 测量前的准备：主要目的是为了探针校准、确定工件坐标系在三坐标测量机坐 标系中的位置关系，即工件找正。 2 ) 数据测量规划：测量规划的目的是为了采集精确高的数据。 2 2 2 非接触式数据采集技术 非接触式测量是指利用光学、声学或电磁学与物体表面发生相互作用，来获取物 体数据的测量方法。由于非接触式测量测头与测量物体不直接接触，从而不导致测量 物体变形，相对于接触式测量方法，它具有以下优点：利用光学原理扫描精度高、速 度快、对细节特征扫描也不受限制。目前非接触式测量方法的最常用的是通过光学测 量，激光三角法是光学测量应用最广泛的测量设备之一。 ( 1 ) 激光三角法是根据光学三角形测量原理，主要以点扫描或线扫描为主，通过 激光光源发射光线，光线以固定角度照射到被测量的物体上，利用高精度的镜头和光 源之间的相对位置、投影和反射光线问的夹角，计算出被测量点空问的位置【l9 。通 过激光源、被测物体和参考面间的位置和角度可计算得到扫描件物体表面的空问点的 坐标值。激光三角法的工作原理如图2 3 所示：线激光源发射光束，投射到被测量物 体的表面上，通过形成的漫反射光点被放置于空间的某一位置的图像传感器成像，依 据成像的偏移e ，由被测物体的基平面、像点和像距离之间的关系，依照三角形原理， 即可计算出被测物体相对于参考平面的高度s ，从而得出被测物体的空间坐标。 图2 3 激光三角法测量原理 ( 2 ) 激光三角法扫描的主要优点是测量速度快，不需要逐点测量，测量面积大， 数据较为完整，可以直接测量材质较软以及不适合直接接触测量的物体。测量过程无 须进行测头半径补偿、扫描设备携带方便、扫描过程受环境影响小、操作简单快捷。 缺点是测量不到激光发射不到的部位，并且对于物体表面变化剧烈或曲率变化较大， 在剧烈处往往会造成数据丢失，从而导致测量精度下降；易受环境光线和杂散光影响， 此外对零件表面的反光程度、颜色等要求也高，为提高其测量精度，往往需要对表面 粗糙或色泽差的物体表面涂上着色剂，以用来减少测量误差。尽管激光三角法有以上 缺点，但是基于三角测量原理的线结构光扫描技术的测量设备仍被认为是目前测量速 度和精度最高的扫描测量系统。 2 2 3 测量系统特点分析【2 叫 表2 1 三坐标测量机和激光扫描仪测量对比表 三坐标测量机激光扫描测量系统 1 、三坐标测量系统的接触式探头技术发展 较早，其电子信号和机械结构较成熟稳 定，因此，对模型进行数据采集时，误1 、数字化速度快，整个测量过程时 差小，数据准确可靠：间短； 2 、使用范围广，其测量原理为探头与工件2 、收集的数据密度大，有助于改善 表面直接接触，获取测量数据，与模型建模的可视化和细节分析； 优点材料、颜色和反射性无关： 3 、无须进行过多的数据收集预先 3 、对实物模型通过离散点方式进行采集，规划； c a d 软件对采集的点数据处理快捷且不 4 、不破坏数字化对象； 会破坏数字化对象；5 、可以对柔软或易碎对象进行测 4 、测量系统依靠探头与工件表面接触，可量； 预先对扫描路径进行规划，适合对形状 规则、特征明显模型进行数据采集； 1 、测量过程周期长，探头半径补偿繁琐， 效率低下； 1 、对高反射光或发散光的工件表 2 、不能对物体内部实现测量； 面进行测量，需要使用着色剂； 3 、探头使用不当可能会损坏扫描件的外表 2 、许多c a d 软件往往不易处理所 缺点面； 获得的高密度离散几何数据； 4 、测量前必须制定相应的测量规划和策 3 、技术成本高； 略； 4 、扫描设备与被测对象隔开一定 5 、测量范围有局限：对软工件或者易碎件 的距离，增大整个系统的工作空 间； 测量能力有限； 2 2 4 r e v s c a n 扫描系统i ，2 i j 本文中实物模型数据采集是采用c r e a f o r m 公司的r e v s c a n 非接触式激光扫描仪 器获取的，下面对其进行详细介绍。 ( 1 ) r e v s c a n 扫描仪原理、特点 r e v s c a n 是采用激光三角测量原理对物理模型的表面进行数据采集。它是新一代 的手持式激光三维扫描仪，是继基于c 删扫描系统、柔性测量关节臂的激光扫描系统 之后的“第三代”三维激光扫描系统。该扫描仪无须任何关节臂的支持，只需通过数 据线与普通计算机或者笔记本计算机相连接，就可以手持该扫描仪任意自由度的对测 量零件、文物、汽车内饰件、鞋模、玩具等进行扫描，从而快速、准确并且无损的获 得物体的整体三维数据模型，达到质量检测、现场测绘与逆向c a d 造型、模拟仿真和 有限元分析的目的。该激光扫描仪具备以下特点：使用非常简单，对空间无任何自 由度限制，无需任何其他外部跟踪装置，如c 删关节臂导轨。扫描过程在p c 屏幕 上同步呈现三维扫描数据，边扫描边调整，并可对定位点的自动拼接。手持式扫描 仪可按任意自由度对物体进行测量，测量过程中对空间没有限制，扫描速度快捷方便。 利用激光反射原理对物体进行扫描，整个扫描过程中，测量设备与扫描件没有接触， 避免探头接触过程中的变形误差。采集数据在输出时，自动生成高质量的三角网格 面，可以被正向工程软件、逆向工程软件和快速成型设备直接读取，从而极大的方便 了点云数据的后处理。激光类型为1 8 0 0 0 个三坐标数据秒，测量精度最高为0 0 5 毫米。直接以三角网格面的形式录入数据，由于没有使用点云重叠分层，避免了对 数据模型增加噪声点，而且采用基于表面最优运算法则的技术，因此扫描的越多，数 据获取的就越精确。利用反射式自粘贴材料进行自定位。采用便携式设计，具有 质量和体积小，运输方便的特点，因而不受扫描方向、物件大小及狭窄空间的局限， 可实现现场扫描。 ( 2 ) r e v s c a n 扫描仪硬件系统、软件系统 r e v s c a n 手持式激光扫描仪实物如图2 4 所示，扫描仪的激光发射口为下端的小 圆孔，该孔射出激光；中间按钮为