（机械制造及其自动化专业论文）车身覆盖件产品及工艺建模技术研究与实践.pdf

重庆大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着计算机技术的迅猛发展，特别是计算机技术应用于制造业而发 展起来的c a d c a e c 洲技术的发展，正改变也将继续改变传统的设计制造 模式。汽车工业作为国家的支柱产业，对国民经济的发展有着举足轻重的 作用。然丽，由于种种原因，饿国的汽车工业的设计制造水平同国际上汽 车工业发达的国家之间存在较大差距。加之中国加入w t o 的日益临近，怎 样采用计算机技术、反求工程技术以及其它相关技术消化、吸收国际上先 进的汽车设计制造技术，并在此基础上实现创新、以最快的速度缩短乃至 赶超汽车工业先进水平成为当前一项重要而又紧迫的任务。基于此，本论 文主要从以下方面加以研究。 ( 1 ) 以实物反求中的自由曲面零件反求为研究对象，分析了实物几 何反求的两个层次，重点研究了实物反求中的测量和数据处理两项关键性 技术分析了基于反求的曲面重构中的误差组成并提出了降低误差的主要 措施，探索了集成快速几何反求系统模型及几何反求的研究重点。 ( 2 ) 零件几何模型描述方法研究，分析、研究了n u r i + s 曲线的调整， 指出了光顺的判断准则及其处理方法，重点研究了车身覆盖什曲面建模中 典型的造型方法及其实际应用，给出了曲面质量评估的常用方法。 ( 3 ) 概述了车身覆盖件生产巾典型工序在工艺设计中应遵循的原则 及其并行设计思想，研究了车身覆盖件成形中的拉延筋敷设技术，总结了 覆盖件成形分析的典型方法，给出了覆盖件工艺模型的建立中工艺补充型 面几何关系的确定及其造型方法，分析了车身覆盖件拉伸起皱与破裂的原 因及其防止措旌。 ( 4 ) 最后，介绍了论文课题的工作背景，并进行了相关的技术分析， 概述了课题实旌步骤，并附图说明。 关键字：实物反求，三维建模，曲面造型，工艺模型 重庆大学硕士学位论文摘要 a b s t i 龇t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h e d e v e l o p m e n t o fc a d | c e l c a mt e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a lm o d eo f m a n u f a c t u r i n g i sb e i n gr e f o r m e d 丽i l 帆a so n eo f s u p p o r ti n d u s t r i e s ，a u t o i n d u s t r yh o l d st h eb a l a n c eo fn a t i o n a le c o n o m y h o w e v e r , f o rs o m er e a s o n s ， t h el e v e lo fa u t oi n d u s t r yi nc h i n ah a sl a g e db e h i n dt h ei n t e r n a t i o n a ll e v e l g r e a t l y a d d i t i o n a l l y , i tb e c o m e sv e r yn e a rt h a tc h i n at a k e sp a r ti nw t o i t s i m p o r t a n ta n du r g e n th o w t ou s ec o m p u t e r t e c h n o l o g y ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g t e c h n o l o g ya n do t h e rr e l e v a n tt e c h n o l o g yt od i g e s t , a b s o r bt h ei n t e r n a t i o n a l t e c h n o l o g y o f a u t od e s i g na n d m a n u f a c t u r i n g e v e nt oi n n o v a t eb a s e do ni ts o a st o s h o r t e n , k e e pu pw i t he v e no v e l t u nt h ei n t e r n a t i o n a ll e v e l t h em a i n c o n t e n t so f t h ed i s s e r t a f i o ni sa sf o l l o w s ： ( 1 ) r e s e a r c hi sd o n ea b o u tt w o p i v o t a lt e c h n o l o g yo f m e a s u r e m e n ta n d d a t a d i s p o s a l a b o u tf r e e - s u r f a c e p a r tg e o m e t r y f e v e r s e e n g i n e e r i n g t e c h n o l o g y t h e c o m b i n a t i o no fe r r o r si s a n a l y s e d a b o u ts u r f a c e r e c o n s t r u c t i o nb a s e do nr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dt h em e a s u r e sa r eg a i n e dt o r e d u c et h ee r r o r s t h et r e n do ff r e e - s u r f a c e p a r tg c o m e w y f e v e r s e e n g i n e e r i n g i sg r o p e df o r ( 2 ) t h ed e s s e r t a t l o nc o n t e n t st h ep a r tm o d e l d e s c r i p t i o n , t h ea n a l y s i s a n dr e s e a r c ha b o u tt h ea d j u s t m e n to fn u r b sc u r v e i ta l s oi n c l u d e st h er u l e t o j u d g eu g l i t - s m o o t ha n dt r e a t m e n t t h em o d e l i n gw a y sa n di t s u s ea r e r e s e a r c h e da b o u ta u t o - b o d yp a n e l t h eu s u a lw a y st oe s t i m a t et h eq u a l i t yo f s u r f a c ea r ei n t r o d u c e d ( 3 ) t h er u l e sa r es n m m e da b o u t t y p i c a lw o r k i n gp r o c e d u r e i n m a n u f a c t u r i n ga u t o - b o d yp a n e l t h e i d e ao fc o n c u r r e n td e s i g ni sp r o d u c e di n p r o c e s sp l a n n i n g s t u d y i n gi s d o n ea b o u te x t e n d i n gr i bi na u t o b o d yp a n e l s h a p i n g t h em a i nw a y so fs h a p i n ga n l a l y s i si sg i v e n t h ed i s s e r t a t i o ni n v o l v e s e s t a b l i s h i n gg e o m e t r y o f c r a f t s u p p l e m e n tm o u l d i n g s u r f a c ea n dt h e m o d e l i n g w a y a n d s t u d y i n g o f c r a c k i n g a n d c r i n k l i n gi ns h e e t - m e t a le x t e n s i o na n dt h e c o n t r o l w a y s ( 4 ) a tl a s t , t h e b a c k r o u n d , t e c h n i c a la n a l y s i s a n d p r o c e s so ft h e d i s s e r t a t i o nt a s ki si n t r o d u c e dw i t h p i c t u r e st o i l l u s t r a t e k e y w o r d ：p r o t o t y p er e v e r s ee n g i n e e r i n g , t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n g , s u r f a c e m o d e l i n g , c r a f tc o m p u t e r m o d e l 【工 重庆人学硕士学位论文 第一章绪论 1 。1 概述 第一章绪论 作为国民经济支柱产业的汽车工业，是一个国家综合能力的重要体 现，是国民经济和现代社会发展不可缺少的组成部分。随着时代的发展、 社会的进步，人们对汽车产品越来越高的需求和现代科技进步推动着汽车 工业的快速发展。汽车工业的规模、汽车产品的档次和质量以及新产品开 发能力成为衡量一个国家生产力水平的重要因素。 我国的汽车工业萌芽于二十世纪初，但在二十世纪前半叶的近5 0 年 里，由于国际国内因素的影响，整个汽车工业停滞不前，几乎没有什么发 展。新中国成立后，1 9 5 6 年建成的第一汽车制造厂就达到了年生产1 6 0 0 多辆汽车的生产能力，有了设计、研究和制造汽车的队伍，从而标志着中 国汽车工业的真正开始；6 0 至7 0 年代，第二汽车制造厂的建成以及南京、 上海、北京、济南及重庆等地规模不等的汽车制造厂的出现，标志中国汽 车工业的成氏壮大；改革开放以来的二十年是我国汽车工业取得重大发展 的阶段。改革开放政策的实施，改变了因封闭影响汽车工业发展的局面。 国际合作项目迅速增加，国际上大的汽车生产厂商纷纷登陆中国。1 9 8 3 年，美国的a m c 公司与北京汽车制造厂合作生产“切诺基”轻型越野车， 标志着中国汽车产业的门户正式开启；同年，德国大众汽车公司与中国当 时轿车生产基础和生产批量、市场份额最大的上海客车厂、中国银行及中 国国际信托投资公司合资组建了至今仍是中国轿车工业龙头老大的l 海大 众汽车自限公司，并继续前进，于1 9 9 0 年与一汽合资成立了一汽大众汽 车有敝公司，生产“奥迪”轿车；r 本的五十铃、铃木，美国的福特、 通1 f fj ，法图的雪铁龙等国际汽车巨三k 纷至沓来。到1 9 9 7 年，世界5 0 0 强 中2 8 家汽4 - 生产厂有1 8 家( 大多居前2 0 位之列) 已经进入中国汽车【订 场，且大多数所r 与的股权比例达到了中国政府对整车合资企、i p 外方比例所 规定的郴i | 。i 习际汽车大公司的涌入，促进了中国汽车业，f i 产请力和技术 水 二有了银大的提高 q f 7 j 埘。 f e l 我们必须清楚地看到中国的汽车工业与国际先进水平的巨大差 距。当前的中困汽车工业与国际先进的汽车工业之问的差距可以所足全，j 重庆犬学硕士学位论文第一章绪论 位的，无论在生产规模、价格、档次，还是开发能力方面都相对落后。在 我国普遍受关注而且发展最为迅速的的轿车工业是建立在外来技术上的、 靠引进技术支撑的工业体系。虽然8 0 年代后中国就开始引进汽车生产线， 但十几年后的今天，仔细想一想，我们仍是“无所大作为”，只是多引进 了几条生产线，多建了几家合资厂，多引进了几种产品。从某种意义上讲， 与国际先进汽车生产企业之间的差距不但没有缩小，反而在逐渐拉大【9 】。 在生产方式方面，“柔性生产方式”、“精益生产”、“敏捷制造”、“模块化 技术”等先进制造技术已经在国外好多汽车生产企业得到广泛应用，并 且发挥着越来越大的作用。国外各汽车大公司广泛使用计算机辅助技术、 虚拟现实技术，开发能力大大加强。伴随电子技术、通讯技术和网络技术 等高新科技的大众性、实用化，集多种先进的电子产品和电器于一身、网 络和汽车一体化将逐步成为现实1 9 1 1 0 l 。随着中国加入w t o 的日益临近， 将会给我国的汽车制造业施加更大的压力。因此，怎样以最快的速度缩短 我国汽车工业与国际先进水平的巨大差异，是我们亟待解决的大课题。这 也许就是反求工程技术在汽车行业成为研究热点的主要原因。 反求工程又称逆向工程，是消化、吸收和改进先进技术的一系列工 作方法和技术的组合，是门跨学科、跨专业的综合性工程【4 1 。它以实物、 技术资料等为研究对象，应用先进的工程技术和计算机技术进行深入的研 究，反求出其原始模型，进而开发和改进产品，反求设计过程与正向设计 过程的区别如图1 1 所示。 ( a ) 正向设计制造过程 ( b ) 反求设计制造过程 陶1 1正向设；, i - n 造过程与反求设计制造的x 别 随着改革开放的不断深化和扩大，国际间的交往与合作日益加深，技 术引进也随之扩大。随之而来的1 个问题是如何深入研究、消化和吸收这 重庆大学硕士学位论文第一章绪 论 些先进技术，探索引进产品的关键技术，并在此基础上改进、创新，开发 b 具有中国特色的先进产品，形成自己的技术体系。而长期以来只顾引进 而不深入、全面地开展消化、吸收和再改造方面的工作，“洋为中用”以 使用为最终日的现象屡见不鲜，长期受制于人，再加上发达国家的技术保 密，造成我国与发达国家之间装备的巨大差距。在汽车制造业方面，对引 进的生产设备以及产品在攻克技术关键方面的工作还做得很不够。为了能 在最短的时间内缩小这种差距，我们可以充分利用反求工程技术，采取 “引进、消化吸收、再改造”的发展战略，即先引进先进的技术设备， 然后利用反求技术进行消化、吸收，攻克技术关键，进而对原产品进行改 造，开发出具有自己特色、更先进、更具有竞争力的产品。实践证明，反 求工程技术是世界各国充分利用整个人类智慧的有力工具，对我国汽车： 业的发展有着现实和长远意义。 汽车车身是汽车三大总成之一，在汽车新产品开发中，作为最活跃 的车身变革越来越受到人们关注，由车身决定的汽车形象是赢得市场竞争 的首要和最直接的因素。国内外汽车生产的实践一再表明：整车生产能力 取决于车身生产能力，汽车的更新换代在很大程度上也决定于车身。在基 本车型达到饱和的情况下，只有依赖车身改型或改装才能打开销路，由此 可见车身在汽车工业中占有举足轻重的地位。但在车身的设计技术方面， 我国同世界上先进水平相比，仍存在很大的差距。 在概念设计方面，概念设计在新车开发中非常重要，许多重大的带 有决策性的问题都要在这一阶段解决。为了占领市场，国际上著名的汽车 公司都非常重视概念设计。通过对市场需求、法规、竞争对手和竞争车型 的认真调查和预测，确定所开发的新产品的性能、质量和成本，勾画整车 和车身的轮廓。利用方便的计算机网络和其它通讯工具，让用户参与设计， 这样就能生产出适销对路的产品。严格的讲，我国的车身开发没有按概念 设计的理念和程序来进行，市场调查不够，定位不清，再加上开发周期较 长。导致因不能在恰当的时候推出恰当的产品而销售不畅。同时，由于概 念设计的科学性、完整性和深入性不够，给后续的详细设计带来许多麻烦 利小确定因豢。 在车身造型方面，国外大汽车公司及设计公司早已建立了相当规模 的成套的软硬件系统，用三维c a d c a m 技术替代r 传统的“主图版、 主模型”设技术。汽车工业作为国家的支柱产业，一宜足c a d c a m 重庆大学硕士学位论文第一章绪 论 技术应用的先锋和大户。进入9 0 年代后，国际市场竞争更加激烈，汽车 公司对c a d c a m 技术的需要更加迫切。国外大汽车公司及设计公司充 分利用计算机技术和网络技术的成果，用c a d c a e c a m 技术来提高产 品质量，缩短开发周期。同时采用并行工程( c e ) 、智能制造系统( i m s ) 、 敏捷制造、快速原形技术( r p ) 、虚拟产品开发( v p d ) 等新的生产方式。 美国福特汽车公司在c a d c a m 技术方面处于领先地位，早在8 0 年代初 就着手c a d c a m 系统的规划，建成了以工作站为主的环形网络系统。 到9 0 年代全面实行产品开发的c a d c a m 技术应用可达1 0 0 t “】。德国 各大汽车公司主要采用c a t i a 作为c a d c a m 系统的主导软件。1 9 9 4 年， 德国大众集团决定用c a t i a 和p r o e n g i n e e r 作为将来开发新车型的主导 c a d 系统。与此同时，日本、法国等国的汽车公司也广泛深入地运用先 进c a d c a m 软件，实现了设计制造模式的变革。尽管我国汽车行业在 c a d c a m 方面取得了很大进步，但还没有形成一个完整的系统，在某些 环节还是采用陈旧的生产方法，在应用深度和广度上同国外先进水平相比 还有很大的差距l l ”。 反求工程技术作为一种吸收先进技术的有效手段，具有起点高、步 伐大、周期短等特点【1 5 】，对迅速提高我国车身设计技术有着重要意义。目 前车身的设计开发主要有以下几种方式：新产品设计；产品改型设计；测 绘设计；系列设计；反求设计。本课题属于最后一种：运用反求工程技术 及相关技术，根据日方提供的s c 6 3 5 0 ( y j 5 ) “长安之星”车身覆盖件线 框数据，实现“长安之星”8 0 的国产化。同时，以s c 6 3 5 0 ( y j 5 ) 汽车 尾灯为实物模型，实现c a d 模型重构。 长安汽车股份有限公司是我国微型汽车行业的大穗骨干企业，具有 年产1 0 万辆汽车的生产能力。近十多年来，通过积极地引进技术，广泛 开展对外合作，不遗余力地加大投入，深入地采用新的科技成果，现已成 为我国微车生产中的佼佼者。其引进的新产品y j 5 ( s c 6 3 5 0 ) “长安之星” 在适合市场的性价比的前提下因其优美的造型、完备的功能以及安全性、 节能性、绿色性倍受用户青陕，曾一度出现供不应求的好势头。为了进一 步降低成本，提高效益，长安公司适时地开始了消化、吸收“长安之星” 的国产化工作。 在汽车的开发和生产中，车身部分的市场生存周期最短，变化最频 繁，设计和生产的周期最长，是汽车产品玎发的瓶颈。车身的设计和生产 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 决定着长安公司能否以最快的速度、最低的成本推出市场上所需的产品来 占领市场。在激烈的市场竞争下，为了满足不断变化的用户口味，汽车车 型的市场生存周期不断缩短，目前国际上一种车型的市场生存周期平均为 3 5 年，而日本轿车车型的市场生存周期只有2 3 年m l 。相比之下，汽 车产品中的其它总成的市场生存周期要比车身要长得多，显示出相对稳定 的状态。如汽车的底盘等内部零部件的市场生存周期一般在l o 年以上。 汽车车身成为汽车开发中最富潜力的一个生长点。 车身覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属 板料制成的异形体表面和内部零件。覆盖件组装后构成了车身或驾驶室的 全部外部和内部形状，它既是外观装饰性零件，又是封闭薄壳状的受力零 件。覆盖件占车身7 0 以上，是汽车车身制造的关键环节 1 “。覆盖件材料 薄、形状复杂、结构尺寸大、表面质量要求高。因其重要陛和特殊性，通 常将它从一般冲压件中分离出来加以单独分析研究。覆盖件作为汽车的重 要组成部分，是汽车的整体性能和形象的最重要的决定因素之一。其主要 性能要素有o “l 4 “： ( 1 ) 表面质量：在用户对产品的要求日益“挑剔”的今天，良好的 表面质量无疑是吸引用户最直接的因素。任何波纹、折皱、凹痕、擦伤、 边缘拉痕等微小缺陷在喷漆后都会引起漫反射而影响汽车的美观：装饰棱 线和筋条不清晰、不平滑，左右不对称，过渡不光滑，都将影响汽车的形 象。 ( 2 ) 几何尺寸和曲面形状：出于结构和美观的要求，覆盖件大多都形 状复杂，多为立体曲面。因此，几何尺寸和曲面形状必须符合设计要求。 ( 3 ) 刚性：覆盖件刚性差会导致汽车高速行使时产生振动而发出空洞 声，进而降低其使用寿命。 ( 4 ) 工艺性：覆盖件的冲压性能在大多数情况下都是以拉伸为先决条 件的，覆盖件一般都采用一次成形。为了实现拉伸，一般要将翻边展开， 窗口补满，还要进行工艺补充。 至萝咂蛩矩母锥母咂耳悃 图12覆盖件的生成过程 覆盖件的生成一般要经过如图1 2 所示的生产过程，根据覆盖件产品 线框数据构造出的c a d 模型只是覆盖件最终实现的数字模型，而在覆盖件 重庆大学硕士学位论文第一章 绪论 图1 3 覆盖件c a d c a m 流程 重庆大学颁士学位论文第一章绪论 的生产中还要形成与其工序相对应的拉伸件、修边件等中间件。其c a d c a m 流程图如图1 3 所示1 【5 7 。 本课题根据日方提供的s c 6 3 5 0 ( y j 5 ) 覆盖件线框数据，运用三维 建模技术，重构其曲面模型，并以此为依据，通过补充工艺信息，构造工 艺模型，为模具型面的n c 加工提供可靠数据。同时以s c 6 3 5 0 ( y j 5 ) 汽车尾灯为实物模型，采用三坐标测量机进行数据提取，然后运用 c a d c a m 软件实现c a d 模型重构。 1 4 本论文研究的主要内容 根据课题的要求以及生产实践，结合自己所学的专业知识，本论文主 要研究内容如下： ( 1 ) 实物几何反求的流程分析；实物模型的离散化技术：实物几何反 求的数据处理技术；反求工程中的误差分析；集成快速几何反求 系统架构及其应用：实物几何反求的研究重点。 ( 2 )零件三维几何模型描述方法：n u r b s 曲线调整研究；曲线光顺 处理技术；汽车覆盖件典型的造型方法；曲面质量评估。 ( 3 ) 覆盖件成型典型工序及设计准则：覆盖件成形分析方法；覆盖件 成形中的拉延筋敷设技术；覆盖件工艺模型的建立：覆盖件成形 障碍及其防止措施。 1 5 本章小结 本章简洁地叙述了我国汽车工业的发展历程及重要性，国内外汽车工 业的现状以及未来发展的趋势，国内外汽车车身设计技术的比较分析了我 国汽车工业面临的严峻形，指出了反求工程技术对提高汽车产品的设计制 造水平，缩短国内外差距的重要性及迫切性，阐述了论文课题的实施背景 及主要内容。 重庆大学硕士学位论文第二章自由曲面零件反求技术及应用 第二章自由曲面零件反求技术及应用 2 1 榻述 反求工程( r e v e r c ee n 丹n e e 啦酝称逆向工程，是消化、吸收先进技术 的一系列工作方法和技术的组合，是- - 1 7 跨学科、跨专业、涉及面非常广 的综合工程h 。它以已经存在的实物、软件( 图纸、程序、技术资料等) 、 影象( 图片、照片) 等作为研究对象，根据逆向思维的原理，应用先进的 手段和技术进行深入、系统地分析和研究，掌握其技术关键，进而开发出 同类产品。随着科技的高度发展，作为第一生产力的科技成为推动社会进 步的重要力量。因此，世界各国在发展本国科技的同时，都积极地消化吸 收别国的先进技术，并通过创新来发展自己的新技术。实践证明，反求工 程技术是消化吸收人类先进技术最有效的手段，正因为如此。反求工程成 为目前的研究热点之一。 根据反求工程所依据的对象，反求工程包括实物反求、软件反求和 影象反求。实物反求是以可获得的产品实物为依据，应用先进的测量技术、 设计技术和计算机技术，再现原始模型，进而开发出更先进的产品。事物 反求包括整机反求、部件反求和零件反求三大类。 实物反求工程的设计过程和传统的设计过程有很大的差别。传统的 设计过程是在市场调研的基础上，根据市场需求来配置产品功能，设计产 品，得到图纸或c a d 模型，经充分的检查修改后进入制造环节；而反求 工程一开始就从现有的实物模型入手，通过对实物模型的离散化和数据处 理，再应用计算机造型技术构造出c a d 模型，然后进入加工制造环节。 二者的区别如图1 1 所示。 本论文以实物反求中的自由曲面零件为反求对象展开研究。由于自由 曲面是一种较难定义的几何元素，跟一般的规则几何元素不一样，很难用 简单的函数给出精确的定义州，不能用传统的设计方法来表示零件，也不 能用传统的加工设备和制造方法来进行加工。所以，自由曲面零件的反求 必须借助先进的测量技术、计算机造型技术，还要用c a m 技术才能完成 对样件的数据提取、c a d 模型的重构，通过c a m 技术实现c n c 加工， 直至最终零件的生成。 重庆大学硕士学位论文第二章自由曲面零件反求技术及应用 实物反求的过程就是以实物样件为依据，综合运用测量技术、计算 机技术等来实现实物模型的再造或创造性的革新。这种方法面对的是直 观、形象的实物，运用逆向思维模式。基于此基础上的开发具有起点高、 步伐大，可以极大地缩短开发周期 1 4 。其流程如图2 1 所示。 广一一 层次i 黑r p 等 【 1 一 ( 兰物样竺 1 数据提取i 叫三菇建模i i 1r 原始参数的 f 精度设计与l 曲能锌析三牲l 还原与改进 叫分析 l 能模拟测试广1 删上仍具l j 。1 嚣驴帆l ，l l， d 图2 i 实物反求的工作流程 层次i i 从圈2 1 可以知道实物反求分为两个层次，第一个层次为几何反求， 该层次依据所获得的数据，通过三维模型重构得到c a d 模型，然后通过 n c9 n _ - 或r p m 快速原形制造技术得到原始产品的复制品；第二个层次 为创新式反求，该层次依据重构的c a d 模型，还原原始产品的设计参数， 9 重庆大学颂七学位论文第二章自由曲面零件反求技术及应用 通过赋予新的功能和设计参数，开发出新产品。 2 3 反求工程中的离散化技术 在进行测量之前，必须深入地理解实物模型，然后才可能作出切实可 行的测量规划。测量规划主要包括以下内容： ( 1 ) 基准面的选择及定位 在选取定位基准时，首要考虑的因素是测量的方便l 生以及数据获取的 完整性，即选定的定位面不仅使测量方便，而且要保证在不变换基准的情 况下，能够获取所有数据，尽可能避免测量死区的出现。在反求过程中， 一般都要求定位测量的一次性，尽量避免在不同的基准下测量同一零件不 同部位的数据。因为，基准的变换不能保证所有数据的一致性，同时，容 易引起较大误差；定位时要保证样件的完全定位以免测量时工件位置的变 化，这一点对接触式测量设各尤为重要。在装夹时，使被测工件的测量部 位处于自然状态，如果有力作用于此，容易造成变形。通常在测量时选取 零件的底面、端面或对称面作为基准。 ( 2 ) 测量路径的确定 测量路径确定了采集数据的分布规律及走向，这对于采用由点拟合成 曲线再由曲线构件曲面的反求方式非常重要。在采用三坐标测量机的测量 中，通常采取平行截面数据提取路径，如图2 2 所示。在路径控制上有手 动、自动以及可编程控制三种方式。 r 土魁一厂1 图2 2 平行截面数据提取路径 重庆大学硕士学位论文第二章自由曲面零件反求技术及应用 ( 3 ) 测量参数的选择 测量参数主要有测量精度、测量速度、测量密度。根据生产的实际要 求来确定测量精度，一般覆盖件的数据测量精度取到毫米后一位就可以 了。在三坐标测量机中，测量密度即测量步长的选定要使测量的数据能充 分反映被测工件的形状，做到疏密得当。 ( 4 ) 特殊及关键数据的测量 对于零件精度及形状有特殊要求的部位，应该增加测量数据的密度及 精度，这些数据点可以用来作为三维模型重构的精度控制点，测量时可将 这些点赋予颜色等屙胜区分开来。通常的测量工作还包括对反映实物样件 的外形轮廓的单独测量。对于因变形或破损的部位，应在破损部位的周边 增加测量数据，以便后续的造型中将该部位恢复。 2 3 2 实物模型的离散化【l 习埘 实物模型的离散化就是采用数据采集设备将实物模型数据化，这些数 据是原始模型重构最重要的依据。目前的测量设备分为接触式和非接触式 两大类。接触式测量是传统的测量方式，它通过测量机的测头与模型表面 接触进行测量，其典型代表就是三坐标测量机，这种测量技术非常成熟， 其突出的优点是测量精度高( 可达0 5 p m ) 1 “，但由于接触测量方式的空 间限制以及机械式结构固有的缺陷，在有些测量中很容易因触头无法到达 而出现测量死区，测量点的密度受到限制，而且很难实现快速测量。同时， 不能测量硬度很低的工件。 随着机械视角技术和光电技术的发展，非接触式测量技术发展迅速， 这种测量方法的特点是测量过程中测头不接触被测表面，避免了测头和被 测表面的损伤和测头半径补偿，不仅测量速度极快，而且自动化程度高， 实用于各种软硬材料的各类复杂曲面模型的微观或宏观部位的三维高速测 量。但数据量较大，数据处理较复杂。其典型代表是激光扫描仪。 对于具有复杂内轮廓的工件，可以采用工业c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y 计算机断层摄像) 和逐层切削照相测量。工业c t 的成本较高，精度较低， 但它不损伤实物，是测量具有复杂内轮廓且没有备件和复制品的最好方 法；逐层切削照相测量是近年发展起来的一种断层测量技术，它以极小的 厚度去逐层切削实物，并对每一断面照相，其测量精度可达+ 一0 0 2 5 4 m m ， 这是目前断层测量精度最高的方法，但它是破坏性测量，下面以与本论文 课题相关的三坐标测量机为例加以研究“。 重庆大学硕士学位论文第二誊自由曲面零体反求技术及应辟j 2 3 。2 。 三篓錾瞬跨睡i i 规妻孽3 ：l 魏! 蠢蓬【 镞 三坐标测鹫机由主机、c n c 装置、驱动装置和辅助装霰组成。其中， 主机是测量机的主体，包括床街、立柱、动作台、主轴及避给机构等部件； c n c 装置是测量枫的核心，包括由印制电路缀、显示器、澳试探头及相应 懿接口、浚入设螽等缝残弱磺馋系统及各耪较件系统褥成；驱动装置楚测 餐机执行机构韵驱动系统，包括驱动单元和伺服电机：辅助装置包括液压 和气动装置、各种监控装置及测量用附件等。 三坐标测爨机的工作原理如图2 3 所示。被测工件定位在工作台上， 当测枵球头接皴至l 被测工 孛露，澳l 头悫部产生一齄发蔼号，它透过发落饕 两静电磁藕合器，将j 毙信号传绘受信模块，在由此进入控剃器使其接通。 信号进入控制器后，经整形由相应的接口传到数控系统的指令端，发出机 床终l ：移动指令，这样测杆球头接触工件瞬间的坐标位置被触发信号“封 锁”，薯捧为系绞用户指令懿交量进章亍运算楚理，同时测_ 爨枫进入下个 程序段，不甄黧复上述过程，飙丽鑫动完藏所需禳l 量点静精确测量。 图2 3 三坐标梳的工俘原理简阁 重庆大学硕士学位论文第二章自由曲面零件反求技术及应用 通过三坐标测量机读出的数据为测头中心的位置坐标，而不是测头球 形表面和工件接触点的坐标，其间的差值与测头的半径和测量位置有关。 为了得到测量表面的数据，应对测量数据进行修正计算，可用下面两种方 法解决这一问题“。 ( 1 ) 等距偏移法，即以描述测头球心轨迹的曲线或曲面法向等距获得 等距线或等距面的方法。这种方法就是将测头球心轨迹数据点构造出曲线 或曲面，然后使其沿外法线方向等距偏移测头半径r 。尽管先构造曲面再 偏移只需一次就能完成补偿。但是，当曲面较复杂时其等距偏移无法实现， 而且对等距面的修改也变得极不方便。可以先根据球心数据拟合成曲线， 然后将曲线向外法线方向等距偏移，再依据偏移曲线来构造的曲面即为所 需的曲面。 ( 2 ) 编程补偿法：建立半径补偿的数学模型，通过编程来实现补偿， 从而得到所需的数据输出。对于平行截面提取数据方法可以建立如下数学 模型： x 月= x 。+ c o s ( 2 乓= v o 十r s i n a z 月= z o( 2 1 ) 其参数关系如图2 4 所示。现在有的三坐标测量机已将半径补偿内部 化，测量的数据经过内部处理，直接输出被测表面数据。 图2 4 测头半径补偿模型 x y 功 重庆大学硕士学位论文第二章自由曲面零件反求技术及应用 2 4 实物反求的数据处理技术d 7 】【伽【1 口】油】 ( 1 ) 测量数据的初步处理 由于系统误差和随机误差的存在，在测量的数据中存在有着较大误差 的疵点，必须将其剔除。同时还会出现测量遗漏和数据重复等现象。通过 在c a d 软件上多视角地显示实物型面数据，及时发现上述缺陷，并初步 评估测量的精确度，结合原始模型的精度要求来决定是否重新测量。如图 2 5 所示，p o i n l 和p o i n t 2 显然为疵点，应将其剔除。 + + + + p o ，i n t ；：) 。 + + + + + + + + + + 7 。 ， + 。 + ? 。 。 + ， p 。i 厶七1 + + + + + + + + 图2 5 点云数据中的疵点 ( 2 ) 测量数据的分块 通过产品的功能、结构分析以及数据的曲率分布，定义曲面边界， 提取边界线，对测量数据进行分块。在实际的实物反求中，有的反求件 由于结构分明和测量设备的限制，在一开始就先对零件进行分块测量， 得到分块数据。 ( 3 ) 分块数据的规则化 根据边界线测量得到的分块数据的边缘通常是参差不齐的，若依据这 些数据点拟合皤线来作为构建曲面边界，这样形成的曲面质量较差，必须 重庆大学硕士学位论文 第二章自由曲面零件反求技术及应用 对边界进行规则化处理。首先将分块数据进行延拓使之与边界线在某个方 向形成的的直纹面求交，以交线作为分块数据的边缘数据，如图2 6 所示。 在曲面造型后用边界线切掉多余的部分。值得注意的是，在进行规则化处 理时，相邻数据块使用的用来与数据延拓相交的由边界线构造的直纹面必 须是同一的，以减少曲面拼按时的人为错位。 ) 原始数据分布规则化后数据分确 图2 6 数据的规则化处理 ( 4 ) 数据的均匀化 测量得到的数据通常是疏密不均的，尽管采用这些数据点能实现较精 确的曲线拟合，但是，用这些拟合的曲线构造曲面时，由于插值的的分布 和数目不同，会造成曲面造型的失败或构造出来的曲面质量很差。因此， 必须对数据进行均匀化处理。可以对拟合出来的曲线进行等弧长重新取相 同数目的点来得到分布对应且均匀的数据点。点的数目根据精度要求而可 变t 4 s t 。 2 4 2 影响反求曲面建模数据完整性的因素及处理方法 2 4 2 1 影响因素 ( 1 ) 测量死区 实物模型数据的采集常用方法有三坐标测量和激光扫描法。在很多情 况下由于产品功能所决定的形状的特殊性，在数据采集时往往会出现一些 特殊的区域即测量死区：对于三坐标测量而言，一种情况是测量触头无法 1 5 重庆大学硕士学位论文第二蕈自由曲面零件反求技术及应朋 到达的地方，另一种情况是尽镣触头能够茔i 迭，两被测磁只存在变换测嫩 蓥潦嚣翡薅况下迸行嚣量，毽这耱变换会饕致误差密太和数据话位峨。对 予激光扫描仪甑可能存在一些掐描不至q 的区域。 ( 2 ) 数据重叠溅数据间隙 在一些大型零部件的反求工程中，由于受测量设备和计算机软硬件的 溅豢l 或产是尼餐形凌疆及嚣续王芝翡要求，褥垮产琵实搀模鍪送行分块测 量。在这种情况下测得的数据由于主客观源鳓在分界线上容易造成数据不 重合，出现数据隰叠或数据间隙，如图2 7 所示。 ，言主；i蓬； 鼍 -： 4 -：+ 4 -：未： + 4 - 十+ 十+-*山 一r + + 十仆i 斗 +十+ 十+ +廿+十+ i ：4 - ：。4 - 4 + - ： 十 十巾+ + 廿 斗 ；：。4 - + 4 - ：+ + s - + 4 - ： ：+ 4 - 二：，4 , - ：+ 4 - 二二 ： + + 十+仆 + 二 霪2 7 分袋溅爨孵斡数据爨霆或阕酝 ( 3 ) 实物模型局部变形或破攒 实物模型局部变形后的区域不能反映产品最初的原形，该区域的数 据不躯终为反求建模的依据。凌于产品酸攒墩建成蜇握不全。妇爱2 8 所 示，( a ) b ) 失热露分受豢，( c ) 为中蠲籁袋受损。 ( 4 ) 数据传输遗成的数据失真藏数据丢失 由于网络技术的发展和并行工程的广溅应用，在反求工程中，为了 实现在异构的c a d c a m 系统共享圊一数据资源和并行协同设计，要求 不瓣稳c a d c a m 系统必袋饔筵阕豹数瓣矮日。嚣翦，鬻溺戆数器转羧 接鞠有d x f 、i g e s 、s t e p 等。基本图形转换规范( i g e s ) 虽然不是i s o 标准，但实际上融是工业标准。i g e s 5 0 虽然比过去的版本压缩了数据格 式，扩大了元素藏围、扩大了宏指令功能可以支持产品造烈中的边界表示 裁缝籀麓实落足褥表示，著卷灏舔主缝丈多数囊鑫纯q 转龙拯f 系统串 采粥。僵在实践还存在一些阊题。如不能精确完整地转换数据，其原圆鼹 不同的c a d c a m 系统之间的概念不一致，底层数据结构不同以及曲线、 曲谢的阶数不适而造成表面数据失真或丢失啪q 。 ( s ) 造型残缺 重庆大学硕士学位论文第二章自由曲面零件反求技术及应用 在曲面造型中，由于受造型算法的限制，在曲面间光滑过渡拼接时会 造成小范围的曲面残缺。为了保证曲面的完整性，必须进行相应的处理， 如图2 9 所示。 ( c ) 图2 8 实物样件变形或破损 图2 9 曲面建模中的造型残缺 “一+一+量 ，一一j，_一叠“十一r，黪 童。舢霪 ；+： 重庆大学硕七学位论文第二章自由盐面零件艇求技术及应用 针对以上各种因素造成的数据不完整，提出以下处瑷方法阎阁，其步 骤为： ( 1 ) 几何功能分析 攫蹇实物模鬻，挖摇数爨姣餐部分与瑗移部分懿关系。一方瑟玖足俺 的角度来分析，研究缺损或变形部分和周边以及整个实物豹几何关系如光 滑过渡、圆弧连接、垂直、平行、倒圆等等。如果存在有与之相装配的零 件域部件，可以通过相应的零件或部件来蚓接获取数据：辫一方面可以从 产菇豹功来分辑，产鑫夔设谤帮是为了瀵跫一定瓣功戆，产鑫袭功毅 簧求决定了产潞的主要结聿句，所良可懿从产品的功能来获取一些凡僻信 息；此外，产品的有些结构是为了满足工艺上的需要，因此，从工艺的角 度入手，运用工蕊知识也可以反推出有些产晶的的几何形状。 ( 2 ) 售息 充 由于数据瓣溆、缺损或变形部分静蠲边是反求萁原始模型酌重要轿 粱，所以，在数据测量时，在此区域适当增加数据采集点，为几何造型和 精度分析与控制提供充足的依据。针对由于不同的c a d c a m 系统之间 的转换与传输避成的数据丢失与失真的情提，基于点、线在转换或传竣中 较褥、蒋稳定，鞠j 龟，哥戳在转换或簧输戳蓊，提取特缎点窥线疆与模黧 起转换和传输，以便在另一c a d c a m 系统中用造型的方法加以恢复。 ( 3 ) 几何造型 通过几何功能分析和信感 充获取了榴关的信息，经过转换传入 泓d c a m 软馋孛焘，还要瓣数罐透行联姣理。每一耱逡羹方法都燕囊 内部算法决定韵，所以对残缺部分不规则的周边在尽可能俄含所采集的数 据的前提下进行几何形状规则化，对构造出黼质量的模型怒非常重要的。 通过预处理后虢可以对所缺的部分进行造型修复。u g 作为一种功能强大 懿c a d c a e g a m 集或较馋巍各个簿监已缮到广泛应瓣，其中鳃垂出戆 瑟建模( u g f r e e f o r mm o d e l i n g ) 模块支持簸杂的自由瞎藤的造型设计， 它w 将实体建模针和表面建模的技术合并，建成一个功能强大的建模工融 组。灵活运用该模块，可以解决在产品反求建模中的数据恢复问题。常见 蛉方法姬学露凌法、填枣 法、熬覆豹延拓、按籀法等。 如图王7 联示豹点云出现了数据重叠或数据缝陈( 套溺萋时逶过对边 界点进行标识来区分是重叠还照缝隙) 。这种情况通常采用后退取数据点， 然后用边界上的点来控制曲面精度，以便动态局部修改曲丽。 如图2 8 ( a ) 赝示，尖脚部分是最客爨受损的部位，遴行几何形状 栽樊纯磊，霉至鲡鹜掰示鹩溺边程线，藏可以雳扫摇法或轿接洼柬浚鬣所 重庆大学硕士学位论文第二章自由曲面零件反求技术及应用 缺部分。 如图2 8 ( b ) 所示，通过修改曲面的u 或v 值来拓展曲面，然后进 行拓扑操作切掉多余的部分。 如图2 8 ( c ) 所示的数据空洞，在将横向或纵向的点拟合成曲线以 ，后，分别将空洞两边对应的啦线进行样条拼接来获得所缺的数据。 如图2 9 由于曲面1 与曲面2 倒圆造成的局部残缺，可以用圆弧5 沿 曲线6 扫描成面，然后用曲线3 和曲线4 拼接后生成的曲线切掉多余的部 分。 基于反求的c a d 模型重构中的误差主要由原始误差、测量误差和造 型误差三部分组成 1 4 t 。 ( 1 ) 原始误差：用来作为反求对象的实物模型与其理想模型之间的误 差，这一误差由两部分组成，一是原始模型的制造误差，一是实物模型由 于使用造成的磨损误差。 ( 2 ) 测量误差：在对实物模型离散化处理时形成的误差。在进行数据 采集时，由于设备以及其它原因，会造成所提取的数据与实物原形之间的 误差，这部分误差由系统误差和随机误差组成。 ( 3 ) 造型误差：根据所提取的数据重构产品的c