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山东大学硕士学位论文 反向工程在汽车顶棚模具中的应用研究 摘要 反向工程可以认为是一个 “ 从有到无”的过程，就是从实际物体上采集大 量的数据点，并由此构建该物体的三维数据模型。 针对汽车内饰顶棚为代表的，一类具有复杂空间曲面，边界尺寸要求严格 的大型模具的开发、制造的难题，利用反向工程技术实现了计算机辅助设计一 制造一体化;解决了常规手段难以完成的复杂型面模具的加工，为塑料模、压 铸模、热压成形模、汽车覆盖件模具的加工制造提供了一条新途径。 反向工程技术主要包括:数据采集、数据处理、曲面拟合、c a d造型和 c a m 工艺处理 。 数据获得:使用接触式或非接触式测量机，对已固定好的制件按照一定的 方式进行采点，以获取能反映制件特征的数据 “ 点云” 。 数据处理:对获取的数据 “ 点云”进行噪声点的剔除、简化等处理，并初 步判断数据的准确性，为后续工作做准备。 曲面拟合;对优选出的数据点进行曲面拟合、拼接、修补，以获得光顺曲 面，为下一步的模具型腔造型作准备。 而后详细介绍了 c a d工艺的生成， c a m中刀路的制定和 n c指令的生成， 并结合实例验证了该研究成果的可靠性。 关键词:反向工程汽车顶棚模具c a d c a m s tudy on revers e engi neeri ng us ed i n auto headli ner m ould abs tract r e v e r s e e n g i n e e r i n g , w h i c h i s c o n s i d e r e d a s a p r o c e s s f r o m s o m e t h i n g t o n o t h i n g , s e t s u p a 3 一 d i m e n s i o n a l d a t a mo d e l b a s e d o n a l a r g e q u a n t i t y o f d a t a c o l l e c t e d f r o m a n o r i g i n a l m o d e l . a i mi n g a t t h e d e v e l o p i n g a n d ma n u f a c t u r i n g p r o b l e ms o f t h o s e l a r g e 一 s c a l e m o u l d s w i t h c o m p l e x s p a c e c u r v e d f a c e a n d a c c u r a t e b o u n d a r y s i z e , w h i c h r e p r e s e n t e d b y t h e a u t o mo b i l e i n t e r i o r c e i l i n g , t h e w r i t e r t a k e s u s e o f t h e r e v e r s e e n g i n e e r i n g t o i m p l e m e n t t h e c o m p u t e r a i d e d d e s i g n i n g a n d ma n u f a c t u r i n g i n t e g r a t i o n . r 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 i n c l u d e s d a t a c a p t u r e a n d p r o c e s s i n g , s u r f a c e f i t t i n g , c a d m o d e l i n g a n d c a m t e c h n i q u e p r o c e s s i n g . d a t a c a p t u r e : c o l l e c t i n g d a t a w i t h c o n t a c t s t y l e o r n o n 一 c o n t a c t s t y l e m e a s u r e i n s t r u me n t o n t h e f i x e d o b j e c t t o g e t d a t a c l o u d r e p r e s e n t i n g t h e c h a r a c t e r o f t h e o b j e c t . d a t a p r o c e s s i n g : e l i m i n a t i n g n o i s e p o i n t s a n d s i mp l i 行i n g t h e o b t a i n e d d a t a c l o u d , a n d j u d g i n g t h e a c c u r a c y o f t h e d a t a , p r e p a r i n g f o r t h e s u b s e q u e n t p r o c e s s . s u r f a c e f i t t i n g : f i t t i n g , j o i n i n g a n d m e n d i n g t h e s e l e c t e d d a t a t o g e t s m o o t h s u r f a c e a n d b e p r e p a r e d f o r t h e mo u l d c a v i t y mo d e l i n g . t h e p a p e r i n t r o d u c e d t h e p r o c e s s o f c a d t e c h n o l o g y a n d t h e e s t a b l i s h me n t o f r e a me r r o u t i n e s i n c a m. t h e r e l i a b i l i t y o f t h e r e s e a r c h i s t e s t e d w i t h p r a c t i c a l e x a m p l e s . k e y w o r d : r e v e r e d e n g i n e e r i n g mo b i l e h e a d l i n e r mo u l d c a d c a m 1 1 原 创 性 声 明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的 个人和集体，均己 在文中以明 确方式标明。本声明的法律责任由 本人 承担。 论 文 作 者 签 名 : 协 回4 日 期: 241 1- 活 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅;本人授权山东大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文 在解密后应 遵守 此规定 ) 论 文 作 者 签 名 : 国 导 师 签 名 : 重 业旦 日期 : 全* , i/, isk 1 . 1 引言 反向 工程r e ( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ) 1 1 j ，也称逆向工程，是对产品设计过 程的一种描述。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。 样 品 3d 轮 廓 份 ml1 w艳 处 in c aj 曲 面 建 构 夕卜 兀三 f 毋 创 节 模 具 力口工 c 八 超 生 nc 产 才 畜 盆 产 复 带9 模 具 成 型 r p 快 速 成 型 逐 层 产 生 51 1梭 图 1 - 1 逆向工程流程图 反向工程产品设计过程如图 1 - 1 所示，可以认为是一个 “ 从有到无”的过 程。简单地说，反向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，反向推出产 品设计数据 ( 包括设计图纸或数字模型)的过程;它针对现有的工件 ( 样品或 模型)利用 3 d数字化测量仪器准确、快速的测量出工件的轮廓坐标，并加以 编辑、修改、建构曲面后，传至c a d / c a m系统，再由c a m软件产生刀具的 n c加工路径， 然后送至 c n c加工机床，制作出所需模具，或者送到快速原型 成型机，将样品模型制作出来。 反向工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术，是一门新兴的交又 学科。在工程专业领域，涉及设计、制造、试验、使用、维修、检测等方面内 i 1 . 1 引言 反向 工程r e ( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ) 1 1 j ，也称逆向工程，是对产品设计过 程的一种描述。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。 样 品 3d 轮 廓 份 ml1 w艳 处 in c aj 曲 面 建 构 夕卜 兀三 f 毋 创 节 模 具 力口工 c 八 超 生 nc 产 才 畜 盆 产 复 带9 模 具 成 型 r p 快 速 成 型 逐 层 产 生 51 1梭 图 1 - 1 逆向工程流程图 反向工程产品设计过程如图 1 - 1 所示，可以认为是一个 “ 从有到无”的过 程。简单地说，反向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，反向推出产 品设计数据 ( 包括设计图纸或数字模型)的过程;它针对现有的工件 ( 样品或 模型)利用 3 d数字化测量仪器准确、快速的测量出工件的轮廓坐标，并加以 编辑、修改、建构曲面后，传至c a d / c a m系统，再由c a m软件产生刀具的 n c加工路径， 然后送至 c n c加工机床，制作出所需模具，或者送到快速原型 成型机，将样品模型制作出来。 反向工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术，是一门新兴的交又 学科。在工程专业领域，涉及设计、制造、试验、使用、维修、检测等方面内 i 山东大学硕士学位论文 容:在现代设计法领域，应有系统设计、优化、有限元、价值工程、可靠性、 工业设计等方面的专业知识; 在计算机方面， 需要硬件和软件的知识作为支持口 反向工程首先使用精密的测量系统将样品的三维轮廓尺寸快速测量出来， 然后 依据得到的数据进行曲面造型及加工。因而建立一套完整的反向工程系统，需 要下列基本配备:1 .测量机 ( 也称抄数机)2 、点群数据处理软件，即反向工 程软件 型机、 3 . c a d / c a m/ c a e软件， 4 . c n c机床，5 、快速成型机或塑料注射成 轧制机、饭金成形机等。 作为制造业中的重要产业一汽车工业，在国民经济中有着举足轻重的作 用。而汽车工业中技术难度最大的一类模具是覆盖件模具，再细分为饭金类的 车身模具， 和复合材料类的内饰件模具。 汽车内饰顶棚是一类复杂的大型制件， 针对其开发制造中的难题， 利用反向工程技术， 研究开发一种计算机辅助测量、 辅助设计、辅助制造的集成，以解决模具设计制造中的 “ 瓶颈”问题。 汽 车 顶 棚 反向 过 程 大 致 可 分 为 以 下 几 步 12 1 i3 1 4 1 , ( 1 )制件固定 ( p a r t f i x i n g ) 利用骨架、垫块、固定针、胶带等物品支撑本身较软的制件，以提高其自 身的刚度，减少变形引起的测量误差和不规则性。 ( 2 )数据获得 ( d a t a c a p t u r i n g ) 使用接触式或非接触式测量机， 对已固定好的制件按照一定的方式进行采 点，以获取能反映制件特征的数据 “ 点云” 。 ( 3 )数据处理 ( d a t a p r o c e s s i n g ) 对获取的数据 “ 点云”进行噪声点的剔除、简化等处理，并初步判断数据 的准确性，为后续工作做准备。 ( 4 )曲面拟合 ( s u r f a c e f i t t i n g ) 对优选出的数据点进行曲面拟合、拼接、修补，以获得光顺曲面，为下一 步的模具型腔造型作准备。 ( 5 )c a d造型 ( c a d m o d e l i n g ) 2 山东大学硕士学位论文 将曲面进行延长、拉伸，以及考虑成形时材料的延伸等因素，适当进行工 艺面补充，以提高制件的成品率。再根据料厚的偏移来确定另一型腔面，从而 完成模具型腔设计 。 ( 6 ) c a m加工 ( c a m m a n u f a c t u r i n g ) 根据型面特点选择刀路及加工方式，选择对刀点，刀具种类、直径、长度 等参数 ，生成 n c加 工指令 ，输入到加工 中心进行数控加工 。 1 . 2 研究开发的目的及意义 本文是针对以汽车内饰顶棚为代表的， 一类具有复杂空间曲面，边界尺寸 要求又严格的大型模具开发、制造中遇到的难题，利用反向工程技术，结合计 算机图形学、优化设计方法，在现有三维设计软件基础上，研究开发一种计算 机辅助测量、辅助设计、辅助制造的集成技术。实现计算机技术与模具加工的 紧密结合，解决常规手段无法完成的复杂型面模具加工的难题，为塑料模、压 铸模、汽车覆盖件模具、热压成型模具等的加工制造，探索一条新途径。 通过本文的研究，可为汽车内饰顶棚这类复杂空间曲面模具，探索一种新 的制造途径。可以实现顶棚模具的国产化，对提高汽车零部件的国产化率，缩 短汽车开发、改型周期，都具有重要意义，由此产生的经济效益也十分可观。 此外，该项研究的结果还可广泛应用于汽车、摩托车、家电、玩具等行业，解 决零件来样加工中模具制造的难题。 1 . 3目前的研究现状 汽车内饰顶棚是将面料、聚氨酷泡沫板、无纺布、玻璃纤维等材料，在各 层间加粘结剂，通过加热、模压而成，生产效率很高。内饰顶棚广泛应用在轿 车、厢式货车、商务用车、载重车中，具有装配简便、美观、便于清洁等优点。 近年来对汽车行业绿色、环保的呼声越来越高，用天然织物面料代替塑料，用 亚麻纤维替代无纺布、玻璃纤维等不可降解的材料正成为一种趋势。 山东大学硕士学位论文 将曲面进行延长、拉伸，以及考虑成形时材料的延伸等因素，适当进行工 艺面补充，以提高制件的成品率。再根据料厚的偏移来确定另一型腔面，从而 完成模具型腔设计 。 ( 6 ) c a m加工 ( c a m m a n u f a c t u r i n g ) 根据型面特点选择刀路及加工方式，选择对刀点，刀具种类、直径、长度 等参数 ，生成 n c加 工指令 ，输入到加工 中心进行数控加工 。 1 . 2 研究开发的目的及意义 本文是针对以汽车内饰顶棚为代表的， 一类具有复杂空间曲面，边界尺寸 要求又严格的大型模具开发、制造中遇到的难题，利用反向工程技术，结合计 算机图形学、优化设计方法，在现有三维设计软件基础上，研究开发一种计算 机辅助测量、辅助设计、辅助制造的集成技术。实现计算机技术与模具加工的 紧密结合，解决常规手段无法完成的复杂型面模具加工的难题，为塑料模、压 铸模、汽车覆盖件模具、热压成型模具等的加工制造，探索一条新途径。 通过本文的研究，可为汽车内饰顶棚这类复杂空间曲面模具，探索一种新 的制造途径。可以实现顶棚模具的国产化，对提高汽车零部件的国产化率，缩 短汽车开发、改型周期，都具有重要意义，由此产生的经济效益也十分可观。 此外，该项研究的结果还可广泛应用于汽车、摩托车、家电、玩具等行业，解 决零件来样加工中模具制造的难题。 1 . 3目前的研究现状 汽车内饰顶棚是将面料、聚氨酷泡沫板、无纺布、玻璃纤维等材料，在各 层间加粘结剂，通过加热、模压而成，生产效率很高。内饰顶棚广泛应用在轿 车、厢式货车、商务用车、载重车中，具有装配简便、美观、便于清洁等优点。 近年来对汽车行业绿色、环保的呼声越来越高，用天然织物面料代替塑料，用 亚麻纤维替代无纺布、玻璃纤维等不可降解的材料正成为一种趋势。 山东大学硕士学位论文 将曲面进行延长、拉伸，以及考虑成形时材料的延伸等因素，适当进行工 艺面补充，以提高制件的成品率。再根据料厚的偏移来确定另一型腔面，从而 完成模具型腔设计 。 ( 6 ) c a m加工 ( c a m m a n u f a c t u r i n g ) 根据型面特点选择刀路及加工方式，选择对刀点，刀具种类、直径、长度 等参数 ，生成 n c加 工指令 ，输入到加工 中心进行数控加工 。 1 . 2 研究开发的目的及意义 本文是针对以汽车内饰顶棚为代表的， 一类具有复杂空间曲面，边界尺寸 要求又严格的大型模具开发、制造中遇到的难题，利用反向工程技术，结合计 算机图形学、优化设计方法，在现有三维设计软件基础上，研究开发一种计算 机辅助测量、辅助设计、辅助制造的集成技术。实现计算机技术与模具加工的 紧密结合，解决常规手段无法完成的复杂型面模具加工的难题，为塑料模、压 铸模、汽车覆盖件模具、热压成型模具等的加工制造，探索一条新途径。 通过本文的研究，可为汽车内饰顶棚这类复杂空间曲面模具，探索一种新 的制造途径。可以实现顶棚模具的国产化，对提高汽车零部件的国产化率，缩 短汽车开发、改型周期，都具有重要意义，由此产生的经济效益也十分可观。 此外，该项研究的结果还可广泛应用于汽车、摩托车、家电、玩具等行业，解 决零件来样加工中模具制造的难题。 1 . 3目前的研究现状 汽车内饰顶棚是将面料、聚氨酷泡沫板、无纺布、玻璃纤维等材料，在各 层间加粘结剂，通过加热、模压而成，生产效率很高。内饰顶棚广泛应用在轿 车、厢式货车、商务用车、载重车中，具有装配简便、美观、便于清洁等优点。 近年来对汽车行业绿色、环保的呼声越来越高，用天然织物面料代替塑料，用 亚麻纤维替代无纺布、玻璃纤维等不可降解的材料正成为一种趋势。 山东大学硕士学位论文 由于对生产非金属复合材料的这类模具研究较少， 而能够制造该类模具的 厂家更少。同时，该类模具设计、制造、调试的难得又较大，使得这类模具的 生产主要集中在少数几个工业发达国家， 因而顶棚模具价格昂贵， 制造周期长。 以一套德国进口捷达轿车顶棚为例，模具价格为 2 6万美元，到岸时间为 8个 月，加上多次调试、装车、修模的反复过程;在满足装车要求后，还需要做顶 棚部件的物理、化学、阻燃性、季候性等试验:而后还需作冬、夏两季道路试 验，整个周期约为三年。一套最新型的奥迪 b 6 顶棚模具 ( 共四付) ，约 1 4 0 力 美元，这使得顶棚生产厂需要承担十分沉重的经济压力和巨大的投资风险。另 外，由于制造周期长，无法满足汽车厂新车型的开发进度，此i b j 需从国外大量 进口p h d 件，以满足生产需要。除了耗费大量外汇，还经常因为进口供货不及 时，影响了生产的正常进行以及产能的提高，这些都成为影响汽车工业发展及 提高国产化率 的一个重要因素。 随着我国人民生活水平的日益提高，对汽车 ( 尤其是轿车)的购买能力的 增强，汽车己从一种生产工具或者是奢侈品，逐渐成为人们的一种代步和休闲 工具，一种生活必需品。加入 w t o 后，汽车工业又面临着新的发展形势，在产 量迅速增加的同时， 汽车品种也在成倍增加。 2 0 0 2 年轿车产量为 1 3 0 万辆， 2 0 0 3 年超过 2 0 0 万辆， 达到 2 0 4 万;2 0 0 4 年预计汽车产量将超过 5 0 0 万辆，其中轿 车将达到创纪录的 2 4 0万。新车型也由每年几种增加到平均每月几种，车型的 改型周期也在缩短，由原来的 8 -1 0年缩短到 3 -5年，甚至更短时间。而汽 车车身的快速改型必须依赖模具的快速更新， 这对汽车顶棚模具的制造提出了 更高的要求， 因而研究反向工程在汽车顶棚模具中的应用具有十分重要的现实 意义。 国外工业发达国家汽车生产部分实现了数字化制造，即以三维数字模型为 依据，抛开了手工比例模型。在设计、制造、装配过程依靠数模，实现无纸化 生产。但汽车车身是由数千个零部件，焊接装配而成，白皮车身与数模之间有 误差。这使得作为后续安装的顶棚部件与数模中的数据也存在误差，这样汽车 a 厂就形成一条不成文的规矩:顶棚部件以装车合格为准，数据模型只是参考。 因而反向工程是顶棚模具设计、 制造、 修整过程中不可代替的一种方法和途径。 1 . 4 主要研究内容 ( 1 )对由复杂曲面测取的 “ 点云”进行噪声点剔除和数据精化ts，以提高计 算效率和曲面重构 6 精度。 ( c )将生成的光顺曲面进行拉延，根据复合材料的成型性能，合理补充工艺 面，以利于顶棚零件的顺利成型和提高成品率。 ( 3 )优化铝合金模腔的数控加工工艺和加工参数，以提高加工速度、模腔精 度和表面光洁度。 1 . 5 工艺路线及达到的预期目标 1 、工艺路线 ( 1 )利用反求工程、优化设计方法将三坐标测量机测取的数据点，进行优化 选取; 根据计算机图形学原理闭， 对数据点进行处理，以生成光顺曲 线， 进而生成光顺曲面闭 ( 2 )用优化设计法对曲面进行拉延处理，生成合理的工艺补充面，进而完成 上、下模具工作面; ( 3 ) 将模具工作面数据进行后续处理， 优化“ 刀路” 设计 9 ， 生成加工指令， 驱动数控机床加工模具型面，获得精确的模具型腔。 2 、预期目标 由顶棚样件测取数据点，进行快速处理，生成加工指令，加工模具型腔， 提高制造精度，使生产出的制件能快速符合装车试验的要求，缩短制造周期， 降低生产成本。同时，可将该项技术成果推广应用在塑料模、压铸模具等的开 发制造中。 厂就形成一条不成文的规矩:顶棚部件以装车合格为准，数据模型只是参考。 因而反向工程是顶棚模具设计、 制造、 修整过程中不可代替的一种方法和途径。 1 . 4 主要研究内容 ( 1 )对由复杂曲面测取的 “ 点云”进行噪声点剔除和数据精化ts，以提高计 算效率和曲面重构 6 精度。 ( c )将生成的光顺曲面进行拉延，根据复合材料的成型性能，合理补充工艺 面，以利于顶棚零件的顺利成型和提高成品率。 ( 3 )优化铝合金模腔的数控加工工艺和加工参数，以提高加工速度、模腔精 度和表面光洁度。 1 . 5 工艺路线及达到的预期目标 1 、工艺路线 ( 1 )利用反求工程、优化设计方法将三坐标测量机测取的数据点，进行优化 选取; 根据计算机图形学原理闭， 对数据点进行处理，以生成光顺曲 线， 进而生成光顺曲面闭 ( 2 )用优化设计法对曲面进行拉延处理，生成合理的工艺补充面，进而完成 上、下模具工作面; ( 3 ) 将模具工作面数据进行后续处理， 优化“ 刀路” 设计 9 ， 生成加工指令， 驱动数控机床加工模具型面，获得精确的模具型腔。 2 、预期目标 由顶棚样件测取数据点，进行快速处理，生成加工指令，加工模具型腔， 提高制造精度，使生产出的制件能快速符合装车试验的要求，缩短制造周期， 降低生产成本。同时，可将该项技术成果推广应用在塑料模、压铸模具等的开 发制造中。 i力 东大学硕士学位一论 文 2反向工程中的数据处理 2 . 1 顶棚材料与制造工艺 日前， 制造汽( 轿) 车顶棚的材料主要有三大类，见表2 - 表 2 - 1汽车顶棚 的主要材料 材料 工 艺特 点 再生纤维热固性树脂，模具加热成本低 ，重，档次低 聚氨月 旨 泡沫湿法 : 用胶水粘接， 模具加热档 次高，刚度好 干法:用胶粉粘接，加热箱 加热，冷模具 档 次高 ，刚度差 ， 成本稍低 龙可 吃同干法类似 取消 了玻璃纤维， 有利于环境保护 ， 成本低 ，是今后的发展方向 血介绍以聚氨脂泡沫为基本材料的工艺: ( 1 )材料与结构 以聚氨脂泡沫为基体 的复合材料结构如图 2 - 1 所示，各种材料 的作用见表 2 - 2 有成型胶的玻璃纤维层 半硬聚氨脂泡沫片 无纺 布 图 2 - 1顶棚用复合材料的构成 i j 东大学硕士学位论文 2 反向下程【1 j 的数据处理 2 i 顶棚材料与制造工艺 日前，制造汽( 轿) 年顶棚的材料 ：要有三大类，见表2 1 表2 1 汽车顶棚的主要材料 材料 工艺特点 再生纤维热固性树脂，模具加热成本低，重，档次低 聚氨脂泡沫湿法：用胶水粘接，模具加热档次高，刚度好 下法：用胶粉粘接，加热箱档次高，刚度差， 加热，冷模具成本稍低 龙可匕同干法类似 耿消了玻璃纤维， 有利于环境保护， 成本低，足今后的发展方向 下面介绍以聚氨脂泡沫为基本材料的工艺： ( 1 ) 材料与结构 以聚氨脂泡沫为基体的复合材料结构如图2 1 所示，各种材料的作用见表2 2 譬簪孽鬻等警鬻孥鬻等罂譬攀鬻詈挚= 二二二二二二_鐾馨i 胶层 一 + 一无纺，f 成型胶的玻璃纤维层 半硬聚氨脂泡沫片 无纺布 图2 1 顶棚用复合材料的构成 6 山东大学硕士学位论文 表 材料名称 作用 备汴 面料表蕊装饰层，织物或p v c 为：作面 复合胶 将半成品与面料粘起来 无纺布 防止玻璃纤维裸露每个顶棚2 层 玻璃纤维增加强度与刚度每个顶棚2 层 成型胶将泡沫片、玻璃纤维、无 纺布拈台起来，制成半成品。 聚氨脂泡沫中间充填物 由异腈酸脂与多元 醇组成 面料层是顶棚的工作部分，需要表面光顺平滑，无凹陷、划痕等缺陷；玻 璃纤维可提高顶棚的刚度和强度，是强化层：聚氨脂泡沫作为填充物，使顶棚 具有较好的弹性；无纺布防止玻璃纤维外露；复合胶起各层问的粘合作用。 ( 2 ) a 5 艺流程 图2 - 2 顶棚制造工艺流程 圈2 2 为顶棚的制造工艺流程。模具一般加热到1 6 0 。c 定右，使胶发生交 链反应，保温固化处理后，得到具有较好刚度的顶棚制件。 图2 - 3 b or a a 4 轿车琐棚背商 幽2 - 4 b o r a a 4 轿车顶棚j l f 丽 例2 - 5 塔非克商务乖驾驶室顶棚 罔2 - 3 ，图2 - 4 足一汽大众b o r a a 4 轿车的顶棚实样。该零件是人弧面，多 个安装孔位的高难度制件，选用高档织物面料，是高档轿乍的代表。 图2 - 5 是塔菲克车的驾驶室顶棚，可看出该零件是一类扁平件，a - _ ，f j 刈称 形状较简单，且安装孔位较少，选用p v c 塑料作为面料，属于r 档乍的眦簧。 山东大学硕士学位论文 2 . 2 制件的】司定 i l l f ja i v d j 儿i,f 尺 寸较大，i f . 刚度较差， la i fu 在运输不 装运过程 ， h 1 现翘 曲、 变形、 甚至局部四陷情况时有发生， 这些都会直接形响到测量数据点的准确性 为此 要将制件固定在 平板 上，内部川横纵 多条样板撑起 ，边缘.穴 ; 出部分川a n y 块 支撑，保证制件放置平稳。内部样板是从制件的横纵截面线上获得，并保证样 板曲线光滑。同时，考虑对称性的原则，保证对称截面的支撑样板也对称。在 多个样板的支撑下，再限制顶棚的边界，用固定针将边界固定在平板 1，这样 顶棚样件就成为在设定坐标系下的刚性体了。然后再反复测量和修正制们，根 据少量特征点的测量数据，直观判断制件固定质量的好坏 ，做出相应的i)y 整; 再进行数据测量，然后调整制件;如此反复这个过程，直到基本满足对称性和 表而光顺为1 卜 。 2 . 3 数据的采集 数据点是造型的荃础，因此测量必须与造型结合起来考虑，最大限度的满 足造型的需要。数据获取 ，是指采用某种测量方法或测量设备，测出实物表曲 的若二 组点的几何坐标 。按测量方法分类 ，数据获取可分为接触式测量和非接 触式测量两种n o u n 接触式测量是指利川接触测量设备对实物外表而进行测 量。 如三坐标测量仪( c mm) ， 它是利用传感器实现测量头在工件 上的快速移动， 从而快速记录下路径的坐标值，具有较高精度，但这种方法测量速度较慢，in 且对测头不能触及的表面是无法测量的，不易获得连续的坐标点。非接触式测 量，是指用非接触的光点方法对曲面的三维形貌进行快速测量。k -1 前，非接触 式测量方法很多，如激光扫描方法、逐层扫描测量、三角形法、电磁和声波法 i 1 2 1 1 1 3 1 等。 常用的测量机有: 三维激光扫描机 、 三座标测量机 、 多轴关 节式机械竹等。 山东大学硕士学位论文 2 . 2 制件的】司定 i l l f ja i v d j 儿i,f 尺 寸较大，i f . 刚度较差， la i fu 在运输不 装运过程 ， h 1 现翘 曲、 变形、 甚至局部四陷情况时有发生， 这些都会直接形响到测量数据点的准确性 为此 要将制件固定在 平板 上，内部川横纵 多条样板撑起 ，边缘.穴 ; 出部分川a n y 块 支撑，保证制件放置平稳。内部样板是从制件的横纵截面线上获得，并保证样 板曲线光滑。同时，考虑对称性的原则，保证对称截面的支撑样板也对称。在 多个样板的支撑下，再限制顶棚的边界，用固定针将边界固定在平板 1，这样 顶棚样件就成为在设定坐标系下的刚性体了。然后再反复测量和修正制们，根 据少量特征点的测量数据，直观判断制件固定质量的好坏 ，做出相应的i)y 整; 再进行数据测量，然后调整制件;如此反复这个过程，直到基本满足对称性和 表而光顺为1 卜 。 2 . 3 数据的采集 数据点是造型的荃础，因此测量必须与造型结合起来考虑，最大限度的满 足造型的需要。数据获取 ，是指采用某种测量方法或测量设备，测出实物表曲 的若二 组点的几何坐标 。按测量方法分类 ，数据获取可分为接触式测量和非接 触式测量两种n o u n 接触式测量是指利川接触测量设备对实物外表而进行测 量。 如三坐标测量仪( c mm) ， 它是利用传感器实现测量头在工件 上的快速移动， 从而快速记录下路径的坐标值，具有较高精度，但这种方法测量速度较慢，in 且对测头不能触及的表面是无法测量的，不易获得连续的坐标点。非接触式测 量，是指用非接触的光点方法对曲面的三维形貌进行快速测量。k -1 前，非接触 式测量方法很多，如激光扫描方法、逐层扫描测量、三角形法、电磁和声波法 i 1 2 1 1 1 3 1 等。 常用的测量机有: 三维激光扫描机 、 三座标测量机 、 多轴关 节式机械竹等。 山东大学硕士学位论文 三维激光扫描机:属 f - 非接触式测量，具有测量速度快，可测量柔软物体， 不会换坏工件表面等优点;但测量精度较低， 一 般 1 0 - 1 0 0 u m .多用 厂自山 曲面的立体造型 。 三座标测量机:属于接触式测量，精度较高，但测量速度慢，受接触力影响 较大; 一 般多用 于精密测量 。 三维激光扫描机由激光探头、工作台和控制柜组成，激光探头是扫描机 的关键部件，它包括两个 c c d( 光电偶合)传感器和一个半导体激光器;t 作台具有三个线性位移和一个旋转运动，采用闭环控制，定位精度可达 0 . 0 0 3 m m , 带动 c c d探头做逐行扫描;控制系统采用开放式结构，工控机 内插有图像采集卡;利用激光束对物体表面进行扫描，由 c c d摄像机采集 被测表面的曲线，然后计算机根据空间三角法测量原理，最终计算出物体表 面的三维i l 何数据，扫描精度为0 . 0 5 m m。然后以. a s c 格式保存，供反向工程 软件进行处理 。 2 . 3 . 1 测头类型的选择 1 4 1 由于采用模拟测头进行曲面的自动跟踪测量存在两个缺点: ( 1 )模拟测头直径 一般较大，不能对某些小曲率半径的曲线或曲面进行测量; ( 2 )模拟测头的测量力较大，一般为 2 . 9 4 - 4 .9 0 n，对薄壁工作测量时，易使 工件发生较大变形，甚至损坏工作。 而触发式测头的测杆压力很小，测球直径也可以比较小，采用触发式测头 进行曲面的自动跟踪测量克服了模拟测头的缺点， 顶棚制件这类表面较软的零 件， 且其表面是形状复杂的自由曲面， 很适合这来测头。 测量选用英国 r e n i s h a w 公司的 t p 2球型触发式测头，该测头能以高达 1 0 0 m m / mi n的速度与 1 : 作接触 扫描，共测量力小，一般在 0 . 1 4 7 - - 0 . 4 9 n范围内可调，目 . 测球直径小。触发式 测头只有 “ 脱离”c l o ”状态)f il “ 接触”c 1 ”状态 )两利 逻辑状态，当其m il 球接触工作达到 一 定的压偏值时， 发出标准 t t l缓冲 电平触发信 号， 该信 号送 1 0 山东大学硕士学位论文大学 到计算机，用以产生中断请求，执行中断服务程序，读取这一时刻测量点的坐 标值 。 2 . 3 . 2测杆 长度校正 山于各种型号的球测针的尺寸不相同，在测量时，为了得到曲面准确的空 间坐标值，必须首先对测杆的实际长度 l加以校正。 所谓测杆的长度是指探针 的连接中心到球探针头中心的距.有。对 g 9 0 c型数控三坐标测量机，机器默认 的数值是 1 2 7 m m，如果与该数值不符，则应进行更正，否则测量结果会有很大 的误差 。 2 . 3 .3 扫描面探头的半径补偿1 1 5 1 1 1 6 1 主要 山接触式坐标测量机的探头半径补偿造成。 时，实际得到的坐标并不是接触点的坐标，而是探头球 当探 头和 被测 表面接触 心 的坐标 ，对规则表面 如平面，接触点和球心点相差 一 个半径值，在测量方向和平面的法线方面相同 时，相应方向的坐标加上半径值即是接触点坐标 。但进行 曲而测量时，将出现 两利 ， 情况，测量截面线是平面曲线或空间曲线。 探头接触点的压力矢和测量截面在一个平面内时， 此时的测量点是 2 d点， 由图2 - 6 ( a ) , ( b ) 可见，测量坐标和实际测量点的坐标关系为: x 0 +r c o s 沪 z , +r c o s p ( 2 一 1 ) 测量点连线是一条平面曲线，测量球头半径的补偿可山式 ( 2 - 1 )在测量 过程中编程实现，也可以在测量时不进行补偿，在造型拟合曲线或曲面时向内 偏置一个探头半径 r 值 ，得到实际的产品表面。 t .1 厅勺 毛 ， 一 之畏 :、 触 点 一 尽 被 jql。表 面 轮 瘴 。/一 宝刚表面抢 图 2 - 6 探头和被测曲面 当探头接触点的压力矢和测量截面不在一个平面内时， 此时的测量点是空 间点，测量坐标和实际测量点的坐标关系为: x 0 +r s i n lp c o s o y o +r s i n rp s i n 6 =z , +r c o s 尹 ( 2 - 2) -=21 xlyl 了lles之lweee七 测量点连线是一条空间曲线 ，在测量过程中不能实现程序补偿 型过程中进行曲面补偿 到一近似 曲线，因此， 方法同平面补偿。但曲线无精确的补偿方法 只能在造 ，只 能得 曲面表面的棱线和边界线易产生误差。 山东大学硕士学位论文 图 2 - 7顶棚测量坐标系的建立 2 . 3 . 4 测量坐标系的建立 建立测量坐标系，采用过 2 点建立 1 根坐标轴的方法，这 2点可以为 1 个 面上的单侧点，也可以是孔心、交点、中点或任意指定的 2点等，见图 2 - 7 . 传统方法建立测量坐标系时，一般先用 3点确定 1 个平面，2点确定 1 根轴， 再找 1 点来确定另外 1 根轴。而顶棚零件的外形没有很规则的面和线，其表面 是自由曲面。在建立测量坐标系时，就不能像传统方法那样，正好有 3 个规则 的平面可以借助。由于三坐标测量机的测量是平台测量，它的花岗石工作台面 就是一个标准的平面。这时就要充分发挥平台测量的优势，以工作台面作为建 立测量坐标系的一个平面，再借助 3点的方法来建立测量坐标系，这种建立测 量坐标系的方法对于一些没有规则形状的零件非常实用。 先在顶棚零件的边缘处做3 个成三角形的标记点p 1 , p z , p 3 ,其目的是使 这 3点不共线，同时 3 个标记点可以使每次测量都找回统一的坐标系。接着在 工作台上测量 3点，工作面的法线方向作为测量坐标系 z 轴的正力 一 向，再测量 标记点 p p 2 位置，方向由 p 3 ，线 p i p : 的方向作为坐标系的x 轴正方向， p 3 点定出y 轴的 x轴和 z 轴按右手法则确定。 1 3 山东大学硕士学位论文 2 . 3 . 5 编程士 i 描测量! ” 采用丛于触发式测头的连续扫描模式编程，其模式扫描测量的效率.匆，! ij - 以在较短时间内获取测量曲面的大量数据，且测量精度也比较高。 连续扫描测量是一种 自动测量模式，自动测量程序的编制主要有联机编 程、脱机编程和自动编程 3种。为了实现二坐标测量机测量的自动化、柔性化 与通用化，实现 c a d系统与三坐标测量机的交互，目前许多三坐标测量机生 产厂家致力于提出某种通用的 c mm 通信协议，以达到标准化。d i ms协议是 其中开发比较完善的一种，己使联机编程和脱机编程能够通用。l k 公司提供 的 l k - d i ms测量软件就是遵循 d i ms协议， 所 以对 项棚零件的连续子 描测量 ， 采用联机编程和脱机编程相互结合的方式。 ( 1 )扫描测量规划 对零件曲面进行连续扫描时， 采集数据点的路径直接影响着造型的方式和 结果，以及后面数据处理的难易程度。l k - c a m i o三维扫描软件提供了网格采 集数据的方法，即通过事先确定好网格图，沿着网格路径扫描测量零件表面数 据。 如果按网格的 u方向和 v方向分别进行扫描，不仅扫描的时间长， 效率低， 而且扫描得到的数据量大，给后续的数据处理带来困难。经过分析该表面的几 何拓扑关系，v方向的边界可视为生成线，u方向的边界可以作为导向线，整 个表面是生成线沿着导向线运动形成的。 ( 2 )扫描测量及数据输出1 1 8 1 顶棚的最佳扫描路径是 v 方向， 所以在网格定义的对话框中选中其对应的 方向，即选中 “ u i 。为了减少测头空行程的时间，用调整 u方向网格的大小来 控制扫描间隔的密度，使之达到预定的要求，山于制件表面曲率变化比较大， 间隔设为 i .2 mt n较为合适。设置扫描的速度为 0 . 2 m / mi n ，使扫描采样点的密 度适中，并设置 一 个安全距离。 山 东大学硕士学位论文 2 . 4 反向工程中的数据处理“ 川 数据处理的目的是获得所测量数据的特征信息，这些信 t , 包括扫描的方 向、步距、扫描点总数、扫描线总数、三维空间极值等，这些信息有助于进行 后续的 曲面重构 。 山于偶然误差或者随机误差的出现， 有可能使得测出的数据点明显偏离原 来的设计意图，即出现坏点。此时，可能在用线段对测量的数据点进行连接的 过程中， 出现曲线重叠的的现象。 这时就需要对测出的数据点进行必要的处理， 修正坐标值、剔除坏点及不必要的重叠线，为后续曲线的光顺处理做准备。 反向工程软件主要完成点云处理、曲线处理和曲面处理三项功能，它的作 用是接收来自测量设备的产品数据，通过一系列的编辑操作，得到品质优 良的 曲线或 曲面模型，并通过标准数据格式将这些 曲线 曲面数据输送到现有 c a d / c a m系统中，在这些系统中完成最终的产品造型。用于反向 _ 程的软件 包括两大类:一类是用于处理测量得到的 “ 点云”的反向工程软件，另一类就 是 用 于造 型 和 数 控 编 程 的通 用 c a d / c a m 软 件 。 日前 许 多 世 界 著 名 的 c a d / c a m软件公司在新推出版本的软件中不断地增加了这些反向功能。如以 色列的c i m a t r o n 、英国的d e l c a m、法国的 s t r i m1 0 0 、美国的s u r f a c e等 软件，都增加 了反 向工程模块。用 c i ma t r o n的反 向工程模块对扫描得到的数 据进行噪声点剔除、数据点精简、数据点排序等处理，来得到高精度的数据， 可以用. i g e s , . d x f , . s t l等多种格式输出。 2 . 4 . 1 数据的分类 2 0 7 2 1 1 ( 1 )散乱 “ 点云” 测量点没有明显的儿何分布特征， 成散乱无序状态。 随机扫描方式下的c m m 激光点测量等系统的 “ 点云”呈现散乱状态。 ( 2 )扫描线 “ 点云” “ 点云”由一组扫描线组成，扫描线上的所有点位于扫描平面内。c m m激 山 东大学硕士学位论文 光点三角测量系统沿直线扫描的测量数据和线结构扫描测量数据， 呈现扫描线 特征 。 ( 3 )网格化 “ 点云