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车大灯逆向设计及配光纹快速建模技术开发与应用 摘要 车灯是汽车关键部件之一，它不仅对汽车的外观有画龙点睛的作用，而且直 接影响行车的舒适性和安全性。随着汽车制造技术的不断发展和进步，作为汽车 主要的照明和信号装置的汽车车灯技术不断更新。 汽车车灯配光纹是汽车车灯中用于光线调节和配光功能的主要结构，直接影 响汽车的安全性能和使用性能。在汽车车灯新产品的研究开发过程中，逆向工程 技术和思想越来越受到重视。车灯产品的造型大致可以分为数据测量、三维建模 和结构设计三个阶段。 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 从数据采集、数据处理和模型重构三个方面详细研究了逆向工程技术， 并以汽车前大灯的逆向设计过程为例，体现了逆向工程技术在实际中应用价值。 ( 2 ) 从建模原理、主程序流程、程序运行步骤三个方面研究了四面体单体灯 花、三维投影和实体复制这三个功能快速建模的实现过程。 ( 3 ) 针对原程序存在的不足以及用户的新要求，对四角电铸纹、六角电铸纹 和六角变形电铸纹这三个程序进行了开发与改进，扩大程序的适用范围，方便了 用户的操作，提高了程序的可靠性。实践证明，该系统提高了配光纹的建模效率， 缩短了车灯产品的开发周期，产生了可观的经济效益。 关键词：汽车车灯；配光纹；逆向- r , i ；u g _ - - 次开发；o p e ng r i p 工程硕士学位论文 a b s t r a c t m o t o rl a m pi so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so ft h ev e h i c l e ，w h i c hn o to n l ya d dt h e f i n i s h i n g t o u c ho ft h ea p p e a r a n c eo ft h ec a r ，b u ta l s od i r e c t l ya f f e c tt h ed r i v i n g c o m f o r ta n ds a f e t y t h ed e v e l o p m e n ta n da d v a n c e m e n to fm o t o r sm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g yp r o m o t e st h eu p d a t i n go fm o t o rl a m p st e c h n o l o g yw h o s ed e v i c ei sm a i n l y l i g h t i n ga n ds i g n a l a s t i g m a t i s mv e i n si st h em a i nc o n s t r u c t i o no fm o t o rl a m p sw h i c hu s e df o rl i g h t r e g u l a t i n ga n dl i g h td i s t r i b u t i o nf u n c t i o n i td i r e c t l ya f f e c t st h ev e h i c l e sp e r f o r m a n c e o fs a f e t ya n du s e d u r i n gt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn e wp r o d u c t si nt h em o t o r l a m p ，r e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dt h i n k i n ga r ep a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n m o d e l i n go f m o t o r l a m p c a nb ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ，i n c l u d i n g d a t a m e a s u r e m e n t ， t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga n ds t r u c t u r a ld e s i g n t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e - ( 1 ) t h i sp a p e r d e t a i l sr e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yf r o mt h r e ea s p e c t s ， i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga n dm o d e lr e c o n s t r u c t i o n a n d t a k ea c e r t a i nv e h i c l eh e a d l i g h t sa sa ne x a m p l eo ft h er e v e r s ed e s i g np r o c e s st oi n t r o d u c et h e v a l u eo fr e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yi nt h ep r o d u c t i o no fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ( 2 ) f r o mt h em o d e l i n gp r i n c i p l e ，f l o w c h a r t o fm a i np r o g r a ma n dp r o g r a m r u n n i n gs t e p s ，t h i sp a p e rr e s e a r c h st h ep r o c e s so fr a p i dm o d e l i n gi nt h et h r e ef u n c t i o n o fe t r a h e d r o nm o n o m e rs n u f f , 3 dp r o je c t i o na n ds o l i dc o p y ( 3 ) f o rt h es h o r t c o m i n g so ft h eo r i g i n a lp r o g r a ma n dt h e n e wr e q u i r e m e n t so f u s e r s ，t h et h r e ep r o c e d u r e s o ff o u r a n g l ee l e c t r o f o r m i n gl i n e s ，s i xa n g l e e l e c t r o f o r m i n gl i n e s a n ds i x a n g u l a rd e f o r m a t i o ne l e c t r o f o r m i n g l i n e sh a v eb e e n d e v e l o p e da n di m p r o v e dt oe x p a n dt h es c o p eo ft h ep r o g r a m ，f a c i l i t a t et h e u s e r s a c t i o n sa n di m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ep r o g r a m p r a c t i c es h o w st h a tt h i ss y s t e mc a n g r e a t l yi m p r o v ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fm o d e l i n g ，s h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l eo f n e wp r o d u c t sa n dg e n e r a t et h ec o n s i d e r a b l ee c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ：a u t ol a m p ；a s t i g m a t i s mv e i n s ；r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；u gs e c o n d a r y e x p l o i t a t i o n ；o p e ng r i p n i 工程硕士学位论文 插图索引 图1 1 逆向工程技术的流程图2 图1 2 车灯分类4 图1 3 车灯前照灯发展过程4 图1 4 系统核心功能结构图6 图1 5 外围功能程序图标7 图1 6 十二种配光纹示意图7 图1 7 四种开发成果示意图8 图2 1 数据采集方式1 0 图2 2 常见的变形类型l3 图2 3 直观检查法剔除噪声点1 5 图2 4 曲线检查法( 设定的i 靠l = 0 5 ) 15 图2 5 弦高公差法16 图2 6 基于曲线的模型重构过程1 7 图2 7 三次b e z i e r 曲线18 图2 8 基于曲面的模型重构过程1 9 图2 9 汽车前大灯实测过程2 3 图2 1 0 汽车前大灯的点云数据2 3 图2 1 l 副反射器曲面测量误差分析2 4 图2 1 2 对齐前大灯灯罩数据2 5 图2 1 3 对齐前大灯底座数据2 5 图2 1 4 灯罩和底座数据导入软件后的状态2 5 图2 1 5 灯罩和底座数据对齐整合后的效果2 6 图2 1 6 整合后的前大灯数据2 6 图2 1 7 前大灯底座的点云数据2 7 图2 1 8 以结构体为主的底座数模2 7 图2 1 9 前大灯灯罩的点云数据2 8 图2 2 0 重构后的灯罩数模2 8 图2 2 1 反射器的点云数据和c a d 模型：2 8 图2 2 2 副反射器的点云数据和c a d 模型一2 9 图2 2 3 灯罩大面的曲率梳分析图2 9 图2 2 4 灯罩大面的光反射分析图3 0 v 车大灯逆向设计及配光纹快速建模技术开发与应用 图3 1 四面体单体灯花3 2 图3 2 程序输入状态与输出状态3 2 图3 3 四面体单体灯花的建模原理二3 3 图3 4 四面体单体灯花主程序流程图3 4 图3 5 自动生成坐标系示意图：3 5 图3 6 调整第二个顶点位置3 5 图3 7 参数调节对话框3 6 图3 8 三维投影效果图3 6 图3 9 程序输入状态与输出状态3 7 图3 1 0 三维投影建模原理3 7 图3 11 三维投影主程序流程图3 8 图3 1 2 坐标系轴向方向与投影实体的排列关系3 8 图3 13 阵列范围的选择3 9 图3 1 4 汽车前大灯实体复制效果图4 0 图3 1 5 程序输入状态与输出状态4 0 图3 1 6 实体复制主程序流程图4 l 图3 1 7 栅线阵列4 2 图3 1 8 栅线排序示意图4 2 图3 1 9 同列曲线连接结果示意图4 2 图3 2 0 子程序初始状态4 3 图3 2 l 过渡实体s o i l d l 和过渡坐标系实体c h a n c s y s l 4 3 图3 2 2 过渡坐标系c h a n c s y s l 的x 轴4 4 图3 2 3 过渡坐标系和变换坐标系之间x 轴角度4 4 图3 2 4 过渡坐标系c h a n c s y s 2 的z 轴4 4 图3 2 5 过渡坐标系和变换坐标系之间z 轴角度4 5 图4 1 四角电铸纹4 6 图4 2 四角电铸纹几何模型4 7 图4 3 四角电铸纹单元的建模原理4 7 图4 4 四角电铸纹主程序流程图：4 8 图4 5 四角电铸花纹l 4 8 图4 6 四角电铸花纹2 4 9 图4 7 四角电铸花纹3 - 4 9 图4 8 六角电铸纹 4 9 图4 9 六角电铸纹单元和电极5 0 图4 1 0 六角电铸纹单元的顶部结构5 0 工程硕士学位论文 图4 1 l 拔模线视图5 1 图4 1 2 程序输入状态与输出状态5 l 图4 1 3 电铸纹边长示意图5 l 图4 1 4 投影到与拔模线相垂直平面的两条顶点曲线5 2 图4 15 两条投影的顶点曲线在平面内平行复制成的两组曲线5 2 图4 1 6 顶点曲面生成网格后的两组曲线5 2 图4 1 7 顶点曲面上两组曲线的交点5 2 图4 1 8 电铸纹单元沿拔模线方向复制到顶点曲面的某些交点5 3 图4 1 9 六角电铸纹主程序流程图5 3 图4 2 0 平面上的纵横直线一5 4 图4 2 1 电铸纹顶点位置的判定5 5 图4 2 2 电铸纹单元的排列5 5 图4 2 3 建立临时坐标系5 6 图4 2 4 六角电铸纹建模5 6 图4 2 5 程序输入状态与输出状态5 7 图4 2 6 六角变形电铸纹几何结构5 7 图4 2 7 六角变形电铸纹建模原理5 8 图4 2 8 六角变形电铸纹主程序流程图5 9 图4 2 9 指示箭头5 9 图4 3 0 选择曲线偏置的方向6 l 图4 3l 不同的电铸纹排列方式6 l 图4 3 2 六角变形电铸纹建模原理6 1 i x 附表索引 表o l 配光纹效率对比表8 表o l 典型数据采集方法的特点比较1 2 x 工程硕+ 卜学位论文 第1 章绪论 本章就逆向工程的概念、应用现状、关键技术和一般流程，对车灯的分类及 发展史、u g 二次开发在车灯逆向造型中的作用以及车灯配光纹快速建模系统做了 简要概述，并阐述了本文的研究内容和章节安排。 1 1 逆向工程技术概述 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，又称为反求工程、反向工程、抄数 等，这个在2 0 世纪9 0 年代末期还无人知晓的技术术语，仅仅用了不到十年的时间 就迅速发展成为制造业中的一项“时尚 技术，它在产品设计领域的普及速度之 快，简直可与数控技术在加工领域的普及速度相媲美。 i 1 1 逆向工程简介 逆向工程是随计算机技术和测量技术的进步而发展起来的一门新兴学科和技 术。它是在无设计图纸或图纸不完整以及无c a d 模型的情况下，从现有模型或实 物出发，利用数字化及计算机辅助设计技术重新构造原形c a d 模型的过程。它已 发展为c a d c a m 中的一个相对独立的范畴，促进了产品创新设计，缩短了产品 设计制造周期，提高了产品数字化程度，成为推动先进制造的一股新兴力量。 逆向工程是一门跨学科、跨专业的综合性工程。它以产品原型、实物、软件 ( 图样、程序、技术文件等) 或影像( 图片、照片等) 等作为研究对象，应用系 统工程学、产品设计方法学和计算机辅助技术的理论和方法，探索并掌握支持产 品全生命周期设计、制造和管理的关键技术，进而开发出同类的或更先进的产品。 所以逆向工程不仅是仿造，而且是一个创新的过程。对于我国这样一个发展中国 家，引进国外的先进技术，并用逆向工程技术消化和吸收，是缩短与发达国家差 距的重要手段之一。因此，逆向工程技术已经成为先进制造业发展的催化剂。同 时，先进制造业的发展反过来促进逆向工程技术的完善和提高。 1 1 2 逆向工程的应用现状 在产品造型日益多元化的今天，逆向工程己经成为产品开发中不可或缺的一 环【l 】，其主要包括： ( 1 ) 航空航天、汽车、摩托车领域。工业设计师利用油泥、粘土或木头等材 料设计比例模型，将所要表达的意象以实体的方式呈现出来，完成产品的美学评 价。然后通过应用逆向工程技术，将比例模型转换成具有真实尺寸的c a d 数字模 车大灯逆向设计及配光纹快速建模技术开发与应用 型，以数字模型为依据得到全尺寸模型，进行空气动力学等各种性能测试与试验， 从而为制造出符合要求的产品打下基础。 ( 2 ) 产品的改良设计。例如可以直接在国内外已有的先进产品的基础上，进 行结构性能分析、设计模型重构、再设计优化与制造，吸收并改进国内外先进的 产品和技术，极大地缩短产品开发周期，降低开发风险，减少设计投入，有效快 速地占领市场。 ( 3 ) 文物、艺术品的复制。通常文物与艺术品的造型比较复杂，很难直接使 用计算机三维技术构建几何特征，这时就需要应用逆向工程技术完成文物、艺术 品等造型复杂的实物“复制。 ( 4 ) 医学及相关领域。如人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造、人体外 形量测量、医疗器材制作等，都需要应用逆向工程技术来完成。特种服装、头盔 的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需首先建立人体的几何模型。 现代逆向工程技术除广泛应用在上述的航天工业、汽车工业、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，比如用于立体动画、广 告动画、多媒体虚拟实境等。此外，逆向工程技术在工业产品检测、无损探伤、 发动机设计、飞轮设计以及产品快速制造等方面可以发挥巨大作用。 1 1 3 逆向工程的一般流程 在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程。即设 计人员首先在大脑中构思产品的外形，性能和大致的技术参数等，然后通过绘制 图纸建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入到制造流程中，完成产品 的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们称为“正向设计 过程。 而逆向工程，则可以认为是一个“从有到有 的过程，这里第一个“有指 的是实际的产品样件，而第二个“有 指的是产品的c a d 模型。换句话说，逆向 工程产品设计就是根据己经存在的产品实物模型，反向推出产品设计数据( 包括 设计图纸或数字模型) 的过程。 逆向工程一般包括以下几个阶段：数据采集、数据处理、模型重构【2 】。其一 般流程如图1 1 所示。其中数据采集是前提，数据处理和模型重构是逆向工程的关 键，而模型重构尤为重要。 实物原型h 三维数据测量 _ 叫数据前处理 _ 一c a d 重构 图1 1 逆向工程技术的流程图 加工或快速原型 工程硕十学位论文 1 1 4 逆向工程的关键技术 逆向工程中的关键技术包括形状表面数字化技术、三维模型重建技术、曲面 重建技术、逆向工程集成系统等。 ( 1 ) 形状表面数字化技术。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几何坐标数据，在这个基础上进行复杂曲面的建模、评价、 改进、制造。所以作为逆向工程的第一步，如何高效、高精度的获得实物表面数 据成为了逆向工程实现的基础和关键技术之一。现有的数据采集方法主要分为三 大类：接触式测量、非接触式测量和逐层测量技术。 ( 2 ) 数据处理技术：c a d 模型重建之前应进行数据预处理，目的是获得完 整准确的测量数据以方便以后的造型工作。其主要的处理工作包括数据格式的转 换、数据平滑及过滤、数据精简、数据分割、多次测量数据及图像的数据定位对 齐和对称零件的对称基准重建。 ( 3 ) 曲面重建技术：根据曲面的数据采集信息来恢复原始曲面的几何模型， 称为曲面重构。根据曲面重构方法的不同，可以分为：函数曲面拟合法、矩形域 参数曲面拟合法、三角曲面拟合法、神经网络拟合法。 ( 4 ) 模型分析和评价技术。模型的分析主要指的是对模型进行结构工程分析， 包括有限元分析、注塑分析和运动模拟。模型的评价主要指的是对模型的精度进 行评价，一般来说是在造型的数据上取一个参考点，以参考点到评价曲面的偏差 为目标函数，对模型的精度进行评价。逆向工程的一个很重要的特点就是进行模 型的评价，我们实际制造中生产的产品到底是不是能符合设计的要求，这全靠最 后的模型检测和评价。 ( 5 ) 集成的逆向工程技术。重建实物的c a d 模型的目的是为后续应用提供 几何支持，逆向工程技术往往和其他先进制造技术相结合，应用于产品设计和制 造，如8 0 年代初发展起来的快速原型制造技术、基于数字及网络的快速模具设计 及制造技术等。由于逆向工程技术和计算机辅助测量( c a t ) 、辅助设计( c a d ) 、 辅助制造( c a m ) 以及计算机辅助工程分析( c a e ) 密切相关，因此其成功应用 的关键不仅仅在于各计算机辅助子模块和系统是否能较好地独立完成各项工作， 很大程度上还取决于各个子模块和系统的计算机集成程度。可以说逆向工程是 c a t c a d c a m c a e 等先进的计算机辅助技术集成应用的一个典型例子。 1 2 汽车车灯设计技术 随着汽车工业的发展，各种款式的轿车不断涌现，汽车速度不断提高，对汽 车灯具设计的要求也越来越高。尤其是前照灯系统，不仅要效率高，还要解决夜 间行车的眩目问题。以前的车灯设计方法是依靠个人的经验和大量的实验，但这 车大灯逆向设计及配光纹快速建模技术开发与应用 已远远跟不上灯具设计需求的速度和越来越严格的车灯照明标准。因此国外已有 人利用计算机对汽车灯具进行仿真设计，从而大大加快了灯具的开发进度。在国 内，这方面的研究还远落后于国外。 1 2 1 车灯的分类及发展史 1 车灯分类 车灯按照用途分照明灯和信号灯两大类【3 1 。照明灯又分为外照明灯和内照明 灯，信号灯也分为外信号灯和内信号灯，如图1 2 所示。 图1 2 车灯分类 外照明灯除了牌照灯之外，主要作用是为本车驾驶员提供路面照明，外信号 灯则是为方便其它车辆驾驶员识别本车轮廓和判断本车动向而设置的，其中转向 指示灯和动灯是极重要的信号指示灯，它对于汽车行驶安全至关重要。在这些灯 中，属于强制性检验的有外照明灯和外信号灯，因为这些灯是行车安全的关键部 件。 2 车灯发展史 汽车车灯主要指前照灯总成和后灯总成，前照灯是重点。前照灯又称为汽车 大灯，有照明、装饰和保障汽车安全运行的功能【4 1 。前照灯是车灯中要求最高、 结构最复杂、设计和制造难度最大的车灯。为了使车灯照明系统满足使用要求， 也为了使车灯外观更适应车身造型的变化，从汽车发展至今，前照灯的发展经过 七代演变5 1 ，如图1 3 所示。 乙电 双 不 炔光 光 对 hl 气源 灯 称 卤 ie 前 前 缝 近 钨 dd 照照 前 光 前 氙前 照 前 照 气照 灯灯照 灯 灯灯 灯 灯 图1 3 车灯前照灯发展过程 工程硕：仁学位论文 第一代：乙炔气前照灯。前照灯具有高的轮廓亮度，乙炔气火焰的亮度比当 时的电光源所能达到的亮度高出一倍，因而，在1 9 2 5 年以前使用的汽车前照灯几 乎垒是乙炔前照灯。 第二代：电光源前照灯。1 9 1 3 年带螺旋灯丝的充气白炽灯泡问世，因其具有 较高亮度，给电光源前照灯开辟了广阔的前景。然而，乙炔前照灯仍然继续使用 了很长一段时间，直到1 9 2 5 年电气照明才得到广泛的应用。 第三代：双光灯丝前照灯。这种前照灯具有远近两种灯丝，夜间行车时采用 远光灯以保证照明，两车相会时采用近光灯以防炫目。 第四代：不对称近光前照灯。由于双光灯丝前照灯在由远光灯转换为近光灯 时，驾驶员视见距离缩短，不得不降低车速。为了解决这一问题，1 9 3 2 年美国发 明了不对称前照灯，它是以基准轴为中心，将光束一分为二，靠近来车一侧的落 地距离短以防止眩目，而另一侧光束的落地距离长以增加视见。 第五代：卤钨前照灯。第一批装有卤钨灯泡的汽车前照灯是由法国“斯贝 公司在19 6 4 年生产的，其灯丝允许工作温度较普通白炽灯泡高，光效增加约5 0 ， 寿命也增加一倍。 第六代：氙气灯，又称为h i d 灯。氙气头灯是以高压击穿惰性气体电离而发 光，也叫气体放电灯。从1 9 9 5 年起，欧洲法规批准使用这种灯，现在奔驰、宝马、 保时捷等高档轿车都相继使用了这种前照灯。h i d 灯具有光照度强，色温高，穿 透力强，消耗能量少，寿命高，不受车上电压波动影响等许多优点，是当代最新 型的汽车前照灯。 第七代：l e d 前照灯。l e d 具有高安全性、运行平稳、节约电力、寿命长等 多种优点，是未来车辆照明的一个发展趋势。美国最新的研究结果表明，未来五 年内，白光大功率l e d 技术将大幅度代替目前的各种照明产品，而且将适用于汽 车的各种照明。 1 2 2u g 二次开发技术在车灯逆向造型中的应用 在汽车车灯新产品的研究开发过程中，逆向工程技术和思想越来越受到重视。 车灯产品的造型大致可以分为数据测量、三维建模和结构设计三个阶段。数据测 量阶段是利用三坐标测量仪对汽车车灯的每个部件进行测量，以获得所有部件的 三维坐标数据。三维建模阶段是利用测量的三维坐标数据，通过专业的三维软件 ( u g 、c a t i a 等) 进行车灯产品造型。结构设计阶段是根据具体情况将车灯产品 的某些结构进行设计和改进。 汽车车灯通常由灯泡、反射镜和配光镜三部分组成【6 】，其中反射镜和配光镜 上分布着数以百计的配光纹，用以调节灯泡发射光束的亮度、均匀度和照明范围。 传统的造型方法是手工生成每一个配光纹。但由于配光纹的种类和数量繁多，通 车大灯逆向设计及配光纹快速建模技术开发与应用 过手工方式对这些配光纹进行测量和建模的工作量巨大，通常占据产品造型工作 量的2 0 甚至更多。因此能否提高这些配光纹的造型效率，将直接影响汽车车灯 新产品的开发周期和开发成本。 虽然车灯配光纹数据较多，但每种配光纹的建模都符合一定的规律，因此对 手工造型而言，这是一项枯燥和重复的工作。因此，若能对某种三维软件进行菜 单功能的二次开发，实现所有配光纹建模的自动化，则将极大地提高配光纹的测 量和造型效率，同时产生可观的经济效益。 u g 二次开发则为弥补这一缺陷，进一步提高车灯造型效率提供了可能。u g 是u n i g r a p h i e s 的简称，是通用的、功能强大的三维c a d c a m c a e 集成软件。u g 二次开发提供了两种语言模块( u g o p e na p i 、u g o p e ng r i p ) 和两种辅助开发 模块( u g o p e nm e n u s c r i p t 、u g o p e nu i s t y l e r ) 。u g o p e ng r i p 语言具备完整 的语法规则、程序结构和内部函数，利用g r i p 程序能够实现与u g 的各种交互操 作，例如几何体的创建、文件的管理、系统参数的控制等。与其他二次开发语言 相比，g r i p 具备简单、易学、交互性强的优点。g r i p 语言室面向工程师的语言， 它不需要具备专业的编程知识，只需具有一定的三维建模基础。 因此本文将基于u g 环境，利用其二次开发语言u g o p e ng r i p ，开发车灯配 光纹大批量逆向建模系统。 1 2 - 3 车灯配光纹大批量逆向建模系统 车灯配光纹大批量逆向建模系统的研究已经经历前面数人的努力，形成了一 套完整的系统。系统由核心功能和外围功能两大部分组成【j 7 1 。其中，核心功能部 分是具有建模、图形编辑功能的g r i p 程序，如图i 4 所示。外围功能是指提高系 统安全可靠性和便捷性的安装、加密、解密等程序，如图1 5 所示。 核心功能 灯花ll 电铸纹li 条纹面ll 辅助功能 金 字 塔 配 光 纹 侧 面 灯 花 扫 描 体 梅 花 配 光 纹 四 面 体 单 体 灯 花 鱼 眼 配 光 纹 兔 电 铸 纹 四 角 电 铸 纹 k ，、 角 电 铸 纹 任 意 角 条 纹 面 圆 角 条 纹 面 图1 4 系统核心功能结构图 鸭 嘴 形 端 盖 曲 面 维 投 影 实 体 复 制 侧 面 灯 花 线 万 能 栅 线 及 网 格 工程硕士学位论文 u g s e t u p e x ei 晶r 。l 品j 赢e ；e c o d e e x e 注册码产生器e x e ( a ) 安装程序( b ) 序列号产生器( c ) 加密程序( d ) 注册码产生器 图1 5 外围功能程序图标 本文是在前人已有的研究基础上，继续添加新的功能，完善已有的功能。前 人研究成果有金字塔配光纹、三角电铸纹等1 2 个功能，具体如图1 6 所示。 ( a ) 金字塔配光纹 ( d ) 鱼眼配光纹 ( g ) 六角电铸纹 黝沥 ，7 ，7 ! , 。；形， ( e ) 三角电铸纹 ( h ) 变形六角电铸纹1 ( j ) 任意三角条纹面 ( k ) 鸭嘴形端盖曲面 ( c ) 梅花配光纹 潼臼嫡圜占蠢蚰 _ 豳h 囊髓甾面臼 h - 髓扫酗自蛐 k h h k b ( f ) 四角电铸纹 箩霹签麓雾i ( i ) 变形六角电铸纹2 _ ! ! ：一、，一一一r 一7 一，一一一一 一。 一一，。一一一+ ( 1 ) 圆角条纹面 图1 6 十二种配光纹示意图 ， 本文在核心功能g r i p 程序开发部分，工作主要分为两个部分：( 1 ) 根据用 户需求，完成四面体单体灯花、三维投影和实体复制这三个新功能的开发，开发 车大灯逆向设计及配光纹快速建模技术开发与应用 成果如图1 7 所示；( 2 ) 根据前面研究基础，对四角电铸纹、六角电铸纹和六角 变形电铸纹这三个功能进行改进。 _ _ _ 酬_ _ _ _ - _ 嘟【_ - “_ _ _ 、_- _ ，一 _ - 一 r ，、 j _ ， _ 、一 ( b ) 三维投影 ( c ) 实体复制( 均匀)( d ) 实体复制( 非均匀) 图1 7 四种开发成果示意图 单元数量一定的情况下，对照每种配光单元的手工和自动建模时间，实验结 果如表1 1 所示。通过实验验证，该系统提高了配光纹的建模效率，缩短了车灯 产品的开发周期，产生了可观的经济效益。 表1 1 配光纹效率对比表 1 3 课题研究的主要内容及章节安排 课题研究的主要内容： 为了解决汽车车灯造型效率低下的问题，本文基于大型c a d 软件u gn x ，介 绍了汽车车灯逆向造型的一般方法，并利用u g 软件的二次开发语言o p e ng r i p ， 在已有的汽车车灯配光纹快速建模系统基础上，开发新的功能模块和改进原有部 工程硕： 二学位论文 分程序的功能。 课题研究的章节安排如下： 笫2 章：从数据采集、数据处理和模型重构三个方面详细研究了逆向工程技 术，并以汽车前大灯的逆向设计过程为例，体现了逆向工程技术在实际中应用价 值。 第3 章：从建模原理、主程序流程、程序运行步骤三个方面详细研究了四面体 单体灯花、三维投影和实体复制这三个功能快速建模的实现过程。 第4 章：针对原程序存在的不足以及用户的新要求，对四角电铸纹、六角电铸 纹和六角变形电铸纹这三个程序进行了开发与改进。 车大灯逆向设计及配光纹快速建模技术开发与应用 第2 章逆向工程技术及其应用 本章从数据采集、数据处理和模型重构三个方面入手，详细研究了逆向工程 技术，并以汽车前大灯的逆向设计过程为例，详细探讨逆向工程技术在实际中的 运用过程，体现了逆向工程的实际工程价值。 2 1 数据采集 数据采集即实物数字化，是通过特定的测量设备和方法获取模型表面离散点 的几何坐标数据，又称点云( p o i n tc l o u d ) 数据，并在此基础上进行复杂曲面的 建模、评价、改进和制造。测量得到的点云数据正确与否，直接关系到最后的c a d 模型的精度及最终产品能否符合要求。因此，高效、高精度地实现实物表面的数 据采集，是逆向工程的基础和关键技术之一。 目前数据的测量方法有很多种，而不同的测量方法也决定了测量的精度。按 照数据的获取方式划分，主要有接触式和非接触式两种【3 1 。在接触测量和非接触 测量中，三坐标测量机( c m m ) 是广泛采用的一种测量设备。 图2 1 数据采集方式 2 1 1 接触式数据采集方法 接触式数据采集方法中应用最广的是三坐标测量法。传统的三坐标测量机 ( 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 ) 是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种新型精 密测量仪器。由于三坐标测量机具有对连续曲面进行扫描来制备数控加工程序的 功能，因此一开始就被选作逆向工程的主要数字化设备，并一直使用至今。其测 量原理是：将被测物体置于三坐标机的测量空间，可获得被测物体上各测点的坐 t 程硕 ：学位论文 标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测的几何尺寸、形状和位置。 三坐标测量机具有精度高、重复性好等优点，但测量速度慢，对微细部分的测量 受限制，测量前后需做半径补偿，适用于精密测量。目前，美国s h e f f i e l d 公司、 英国雷尼绍( r e n i s h a w ) 公司、意大利d e a 公司、德国z e s s 公司等公司的三坐标 测量机应用范围较广。 接触式测量方法的技术比较成熟，突出的优点是可以达到很高的测量精度 ( o 5 聊) ，对样件的材质、色泽无特殊要求，特别适合于产品的误差检测，还 可以人工对样件进行测量规划以减小数据处理的难度和工作量。缺点是测量效率 低，不适合于测量具有复杂内部型腔、特征几何尺寸少及特征曲面较多的样件模 型，也不适合于复杂外形产品大规模数据采集。一般垂直向下使用，与被测表面 有摩擦、磨损以及弹性变形，不能测量柔性和极薄物体，且需要进行测头半径补 偿。 2 1 2 非接触式数据采集方法 非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采样，例如激光三角形 法、结构光法、图像分析法等。也有核磁共振法、超声波测量法等非光学式数据 采集方法。 ( 1 ) 激光三角形法( l a s e rt r i a n g u l a t i o nm e t h o d s ) 9 , 1 0 】 激光三角形法是目前最成熟，也是应用最广泛的一种方法。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，光斑按照一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。激光三角形法的优点是测量速度 快、精度高，探针不与样件接触，因此既能测量硬质工件，也能测量柔软工件。 其缺点是对被测表面的粗糙度、漫反射率和倾角过于敏感，限制了测头的使用范 围【l l 】。 ( 2 ) 结构光法( s t r u c t u r el i g h tm e t h o d s ) 1 2 】 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 w m o i r e 干涉条纹法。其优点是不需要坐标测量机等精密设备，造价比较低，便携性 好，但精度较低，操作复杂。 ( 3 ) 图像分析法( i m a g ea n a l y s i sm e t h o d s ) 1 3 】 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。 车大灯逆向设计及配光纹快速建模技术开发与应用 ( 4 ) 工业c t 法( i n d u s t r i a lc o m p u t e dt o m o g r a p h y ) i 1 4 15 j 工业c t 法以测量物体对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。因此适合于测量复杂的内部几何形状，利用它可直接获取物体 的截面数据，正好与快速造型方法匹配。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，但是它的空间分 辨率低，重建图像计算量大，造价高。 ( 5 ) 核磁共振法( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 和c t 一样可以提供物体的断层影像。不同于已有的成像术，它能深入物体内 部而不破坏物体。但其造价高，空间分辨率不及c t ，且目前对非生物材料不适用。 ( 6 ) 超声波测量法( u l t r a s o n i cm e t h o d s ) 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。 以上方法都有各自的特点、原理和应用范围，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。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 和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逆向技术的快速、 精确的全能测量方法，表2 1 中比较了几种典型的数据采集方法的特点。 表2 1 典型数据采集方法的特点比较 2 2 数据处理 工程硕士学位论文 数据处理是逆向工程的一项重要的技术环节，它决定了后续c a d 模型重建过 程能否方便、准确地进行。数据处理工作主要包括：测量数据格式的转换、变形 处理、多视拼合、噪声去除、数据插补、数据精简和数据分割等【1 6 】。 2 2 1 测量数据格式转换 每个c a d c a m 系统都有自己的数据格式，目前流行的c a d c a m 软件的产 品数据结构和格式各不相同，不仅影响了设计和制造之间的数据传输和程序衔接