（机械工程专业论文）汽车车灯逆向工程及其温度场分析.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 制造业是一个国家实力的标志，而汽车行业又涉及了制造业的方方面面，汽 车设计制造水平很大程度上反映了一个国家的综合能力。汽车产业从上个世纪开 始，从无到有获得了巨大发展，各个大国都在这一领域激烈竞争，而我国汽车制 造业起步较晚，无论是从设计还是生产制造与国外都有很大差距，急需提高汽车 从零部件到整车设计制造的水平。车灯作为汽车的一个重要组成部分，其性能直 接关系到行车安全，从上世纪后几十年开始国外已经对车灯开始了大量研究，而 我国与世界先进水平之间仍然有较大差距，因此车灯设计也是一个重要课题。 在以往关于车灯的研究中，材料、光学等特性是人们比较关注的问题，而对 车灯结雾的问题却考虑较少。在车灯使用中，由于温度的原因会产生局部温度过 高、结雾的现象，不仅会影响车灯使用寿命，对行车安全也会造成很大影响。本 文正是基于这些问题开展了一些研究： 1 对车灯进行逆向工程设计，对某型车灯利用a t o s 系统扫描获取车灯点云 数据，对数据进行处理后，导入c a t i a 软件中重构了车灯各部分的3 d 模型； 2 对热分析的理论、车灯结雾原理进行了研究； 3 利用a b a q u s 软件对车灯温度场进行了有限元分析，重点分析了车灯的 热辐射、热对流； 4 根据分析结果提出了优化改进措施。 本文将有限元热分析融入逆向工程中，可以分析车灯的性能并为优化设计提 供科学依据，采用这种研究方法能帮助我国吸收国外先进技术，对提升我国车灯 研发水平有重要意义。 关键词：车灯、逆向工程、温度场、有限元 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n gi st h es y m b o lo fan a t i o n a l ss t r e n 昏h ，a n dt h ea u t oi n d u s t r yh a s r e l a t i o n s h i pw i t ha l la s p e c t so ft h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，t h el e v e lo fa u t o m o b i l e d e s i g na n dm a n u f a c t u r er e s p o n s eac o u n t r y so v e r a l la b i l i 匆f r o mt h eb e g i n n i n go fl a s t c e n t u r y ，a u t oi n d u s t r yh a sm a d eag r e a td e v e l o p m e n t e v e r yc o u n t r yh a sat o u g h c o m p e t i t i o nw i t ho t h e r si nt h ew o r l d o u rc o u n t r y sa u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n gs t a r t e d l a t e r ，w ef a l lb e h i n dw h e t h e rf r o mt h ed e s i g n i n go rm a n u f a c t u r i n g ，w en e e dt oi m p r o v e t h el e v e lo fc a rc o m p o n e n t sa n dd e s i g n i n go fw h o l em a n u f a c t u r i n g h e a d l i g h ti sa n i m p o r t a n tp a r to fa u t o m o b i l e ，a n di tc a na f f e c tt h es a f e t y ，f o r e i g n e r sh a v es t a r t e dt h e d e v e l o p m e n to fl a m p sf o rd e c a d e sf r o mt h el a s tc e n t u r y ，o u rc o u n t r ys t i l lh a sal a r g e g a p w i t ht h ew o r l d sa d v a n c e dl e v e l s oh e a d l i g h t sd e s i g n i n gi sa ni m p o r t a n ts u b j e c t i nt h ep a s ts t u d ya b o u th e a d l i g h t s ，p e o p l ec o n c e n t r a t eo nm a t e r i a l sa n do p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dd o n tp a yc l o s ea t t e n t i o n t ot h ef r o gi nh e a d l i g h t w h e nt h e h e a d l i g h ti su s e d ，t h e r ea rep r o b l e m ss u c ha sl o c a lt e m p e r a t u r ei st o oh i g h ，f r o g ， b e c a u s eo ft e m p e r a t u r e t h e s ef e a t u r e sw i l lr e d u c et h es e r v i c el i f eo fl i g h t sa n dw i l l a f f e c tt h et r a f f i cs a f e t y t h i sp a p e rh a sc a r d e do u t s o m er e s e a r c hb a s e do nt h e s e p r o b l e m s 1 d e s i g nah e a d l i g h tb a s e do n r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，g e tt h ep o i n tc l o u dd a t ao fa h e a d l i g h tb yu s i n ga t o ss y s t e mf o rs c a n n i n g ，t h e nr e c o n s t r u c tt h e3 d m o d e lo fe v e r yp a r to ft h eh e a d l i g h tb yi m p o r t i n gt h ed a t at oc a t i aa f t e r p r o c e s s i n gt h ed a t a ； 2 s m d yo nt h et h e o r yo ft h e r m a la n a l y s i sa n dp r i n c i p l e so ff r o g ； 3 u s ea b a q u ss o f t w a r et oh a v ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h et e m p e r a t u r e f i e l do ft h eh e a d l i g h ts u c ha st h e r m a lr a d i a t i o n ，t h e r m a lc o n v e c t i o n ； 4 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fa n a l y s i sp u tf o r w a r do p t i m u ma n di m p r o v e m e n t m e a s u r e s t h i sp a p e ri n t e g r a t ef i n i t ee l e m e n tt h e r m a la n a l y s i sw i t hr e v e r s ee n g i n e e r i n g ， 江苏大学工程硕士学位论文 a n di tc a np r o v i d es c i e n t i f i c o a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n i n gw h e nw ea n a l y s i st h e p e r f o r m a n c eo ft h eh e a d l i g h t s ，u s i n gt h i sm e t h o de a r lh e l po u rc o u n t r yt oa b s o r b f o r e i g n e r sa d v a n c e dt e c h n o l o g y ，i m p r o v eo u rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt h el e v e lo f h e a d l i g h t sd e s i g n i n g ，a n di th a si m p o r t a n tm e a n i n g k e y w o r d s ：h e a d l i g h t ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，f i n i t ee l e m e n t 江苏大学工程硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论弟一早瑁亿 随着人们生活水平的提高，汽车使用越来越频繁，只在中国一年产销上千万 辆，这还不包括二手汽车交易。正随着汽车使用越来越多，交通事故也频发，不 止造成经济损失，也严重影响着人身安全。而车灯作为汽车的眼睛，质量与安全 息息相关，据统计，在汽车的使用中，大约有2 5 的时问是在晚上，有怕的交 通事故也是发生在晚上，而更是高达一半的伤亡也是在晚上【1 l 。 照明是人们发明车灯的最初目的，随着汽车技术飞速发展，车灯的其他用途 与特点也开始被重视起来。第一，不仅是照明，车灯在用于照亮行驶道路的同时 也起到了信号灯的作用，它可以引起道路上其他的驾驶员的注意，方向灯又能告 诉他人自己的意图，从而起到预防事故的作用。其中的一个问题就是车灯必须要 能够聚光，能够做到不影响其他的驾驶员视线，这也是现代车灯设计中非常重视 的一个问题；其次，车灯的材料发展迅速，用于提升车灯性能的新型材料已经普 遍应用；第三，车灯的外观，汽车的潜在买家中很大一部分要求汽车必须美观， 达到他们的审美要求。正式基于对车灯的要求越来越高，才促使车灯技术迅速发 展。 但是随着汽车使用，车灯性能会逐渐下降，会暴漏出一些妨碍车灯性能的问 题1 2 , 3 , 4 第一，车灯由于材料或者设计问题导致散热不良；是局部产生高温，会加 速材料老化损坏，从而严重影响车灯的性能；第二，结雾问题。由于车灯密封不 严或是其他原因车灯空气中难免存在水分，车灯使用时会产生高温，会产生水蒸 气，这些水蒸气又附着在车灯壁上，不仅造成材料加速损坏，更使车灯使用性能 达不到设计性能。在天气条件比较好时，车灯性能一般能得到保障，但在天气条 件不好时却容易产生安全问题，遇到雨、雾、雪、烟尘或漆黑的夜晚时，良好的 车灯工作状况就成为人们安全行驶的保障【5 l 。但是车灯结雾问题并没有很好的解 决，是一个值得深入研究的课题。 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 汽车车灯简介 1 2 1 车灯的发展 据说笫个汽乍前大灯是家用手提灯。1 8 8 7 年，一个驾驶员在黑暗的旷野上 迷路时，一位农民用于提灯把他引回家。1 8 8 8 年哥伦比亚号电动汽车把电用于 自订灯和尾灯，这样车灯就产生了，最初的前大灯不能调光，所以在会车时有些晃 眼从早期乙炔气前照灯发展到当今的自由面反射镜气体放电前照灯，差不多经 历了1 2 0 年。其过程如下 6 , 7 1 ： 第一代一一乙炔，t 前照灯。通过燃烧乙炔气体获得的亮度来照明，在1 9 2 5 年之前基本是采用这一种车灯，如图1 1 。 图1 1 乙炔气前照灯图1 2 电光源前照灯 第二代一一电光源前照灯。在1 9 1 3 年发明，但由于客观条件，知道1 9 2 5 年 后才开始大规模应用，如图1 2 。 第三代一一双光灯芯前照灯。人们发现两辆车相向而行时，车灯光照会影响 对方驾驶员视线，问了解决这一问题双光灯芯前照灯应运而生，但双光灯芯前照 灯的问世并没有完全解决这一问题，甚至在当今车灯中这仍然是一个重要的问 题，如图1 3 。 图1 3 双光灯芯前照灯图1 4 不对称金光前照灯 第四代一一不对称近光前照灯。为了既不影响驾驶员的视线又获得良好的光 照，发明了不对称近光前照灯，如图1 4 。 江苏大学工程硕士学位论文 第五代一一卤钨前照灯。这种灯，；f h 比较之前的等，效率人概提升了一倍，使 用时间也能增加一倍，如图1 5 。 图1 5 卤钨前照灯图1 6充氙气灯 第六代一一充氙气灯。灯内装有惰性气体，能取得比较好的效果。这种灯使 用效果好，节约能源，使用时间长，是当前使用比较多的一种，如图1 6 。 第七代一一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【8 】，在未来一段时间比较取代其他 类型车灯而广泛应用于雾灯、前照灯等各个部分，如图1 7 。 1 2 2 车灯的分类 图1 ：7l e d 前照灯 车灯按照作用可以分为两类：照明灯和信号灯。照明灯具包括：前照灯、 前雾灯、倒车灯、侧照灯等：信号灯具包括：位置灯、转向信号灯、制动灯、后 雾灯、牌照灯以及回复反射器等。其中，前雾灯和倒车灯既是照明灯也是信号灯。 前照灯即俗称的前大灯，以其装用的光源不同，可分为气灯( 气体放电灯) 及电灯 ( 灯丝灯) 。电灯又分为白炽灯和卤钨灯旧1 。 本来研究的就是前照灯，前照灯可以分为下面几类：可拆式、半封闭式和封 闭式1 1 0 l 。 ( 1 ) 可拆式前照灯。可拆式前照灯分为反光和配光两部分，比较容易制造， 但是存在密封性差的缺点，易受环境影响，效果不够理想，现在已经被淘汰。 3 江苏大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 半封闭式前照灯。反光和配光部分通过开齿槽咬合到起，为解决密 封问题采用橡胶圈密封，灯泡从后面装进前照灯，这种灯密封性比较好，是现在 最常用的一种。 ( 3 ) 封闭式前照灯。这种灯是一个整体，中间充满惰性气体，灯丝是焊接 在上面的，有不受外界环境污染，光利用率高，使用时间长的优点。但是当灯出 现故障后，维修非常不方便，需要全部更换，成本高造成虽然优点很多但没有普 及。 其中，本文研究的车灯就是当前普遍使用的半封闭式前照灯。 1 2 3 半封闭式车灯的组成 本文研究的车灯主要由五部分组成：底座、反光镜、配光镜、灯罩、灯泡 ( 1 ) 底座：底座的材料通常是a b s 树脂，具有强度高、韧性好、耐高温、 耐腐蚀易于加工等优点； ( 2 ) 反光镜：反光镜的材料一般是玻璃纤维增强不饱和团状模塑料，反射 面做成抛物面，使反射产生的光束平行，光照距离通常能达到数百米。 反光镜需要在表面镀上一层铝来提高反射率； ( 3 ) 配光镜：材料跟反光镜相同，设计难度较大，要求能使反光镜反射出 来的光能均匀分布，扩大光照范围； ( 4 ) 灯罩：一般采用p c 材料，要求具有良好的机械与化学性能，强度高、 耐腐蚀、抗挤压、耐高温等等一系列要求； ( 5 )灯泡：分为充气灯泡、卤钨灯泡和氙气灯三种，充气灯一般是在其中 充满惰性气体，卤钨灯使灯使用时间延长，疝气灯不是普通的灯泡， 而是利用电极放电，寿命更长，光利用率更高。 1 3 逆向工程概述 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，也叫反求工程，是一种利用已有产 品，采用与传统设计相反的方法开发新产品的技术。其精髓是不仅要反向推出产 品的设计，更要在此基础上消化新技术并改进技术，从而开发出比原产品更好的 4 江苏大学工程硕士学位论文 产品。这种研究方法能让我国迅速消化吸收国外的先进技术，迅速缩小差距，对 我国赶超世界先进水平有极其重要的意义。 1 3 1逆向工程简介 传统的设计方法如图1 8 所示1 1 1 , 1 2 ： 图1 8 传统设计方法设计流程 正如图中描述，传统设计方法是根据客户需求来正向开发，客户不仅仅要求 产品有良好的使用性能，也要有好的外观，采用工业设计方法构思出产品的效果。 根据结果的要求要进行结构设计，设计所需要的每一部分。然后采用各种方法开 发出产品的效果图，再进行模具设计，开发出样品的模具，由模具再生产出样件 验证产品性能，对精度等各个要素进行评价，如果不符合客户要求又要进行改进， 重复制造模具制造样件，知道达到要求之后才进行生产制造，最后把产品交到客 户手中。 传统的设计方法一般难以一次开发出令人满意的产品，这就要求重复开发， 浪费大量人力物力财力，甚至有设计风险，不能按时交付产品。巨大的成本，长 开发周期决定了我国不能全盘采取正向设计的方法开发产品，必须采用其它更有 效的方式迅速赶超国际先进水平，于是逆向工程就要被放在重要位置上。 其实逆向工程在古代就有，当一个新产品出现时，人们不知道具体的设计方 法就会想法设法能设计出相同功能的东西，于是便会拿成品进行研究，仿造。在 当今时代逆向工程早已开始广泛应用，2 0 世纪的日本与欧美技术水平差距很大， 正是政府决定大规模采用逆向工程才使日本在短短几十年内成为设计制造技术 水平最高的国家之一，我国正处在与当初日本差不多的情况下，也应该学习国外 的这种先进经验，也要采用逆向技术。 逆向工程的流程如图1 9 所示 1 3 , t 4 ： 5 江苏大学工程硕士学位论文 图1 9 逆向工程流程 1 3 2 逆向工程在车灯设计中的应用 在车灯逆向设计中本文按照以下流程进行： ( 1 ) 利用数据扫描系统a t o s 系统获取车灯的原始点云数据： ( 2 ) 数据处理之后导入三维c a d 软件c a t i a 中重构车灯的三维c a d 模型； ( 3 ) 对c a d 模型进行精度评价； ( 4 ) 分析车灯性能； ( 5 ) 在基础上改进设计方式： ( 6 ) 采用快速成型方法制造模具生产出新的产品； ( 7 ) 进行试验对比新产品与原产品性能 ( 8 ) 新型车灯批量生产。 按照上述流程能够在短时间内还原原车灯设计，了解原来设计的巧妙之处， 对于以后迅速开发相同或更优秀性能的车灯有很大帮助。 1 4 研究内容与方法 本文所做工作主要是对车灯进行逆向工程设计，并分析车灯的性能，提出改 进意见，为以后车灯研究人员提供一定依据。 6 江苏大学工程硕士学位论文 首先要做的工作就是车灯三维c a d 模型逆向重构，利用a t o s 系统扫描获取 了车灯的点云数据，并导入c a t i a 软件中重构模型，具体方法在后面会详细介绍， 在此不做赘述。 其次，根据车灯工作时的状态，分析了车灯的温度场，从温度的角度来研究 产生结雾的条件，这里就必然要涉及到热分析的研究方法选择问题。一般的，分 析的方法主要分为解析法、实验分析法、数值模拟法三种 1 5 , 1 6 , 1 7 1 。 ( 1 ) 解析法 解析法是用数学公式来求解问题的一种方法，利用相关一些公式推导出车灯 的温度分布函数，从而得到车灯的工作温度。这种分析方法得到的结果比较准确， 也简单实用，缺点是只能求解部分简单的问题，对复杂问题难以计算。 ( 2 ) 实验分析法 实验分析法是通过相关测量温度的仪器来测车灯工作时的温度，这种方法能 准确测量出车灯的工作温度，缺点是对设备的要求比较高，测量时间长，成本大， 完全应用此方法也是不科学的。 ( 3 ) 数值模拟法 数值模拟法常见的有有限元法和有限差分法，这种方法是以离散数学为基础， 求解传热函数，能够求解复杂的问题，结果也比较精确。使用这样方法要求研究 人员有扎实功底，就像操作“黑箱子 ，如果没有理论即便做很多工作也可能毫 无意义。比较其他方法，数值模拟法对计算机要求比较高，但是分析时间短、效 率高，已经变成越来越普及的科学分析方法； 现在人们对生活要求更高，往往倾向于购买与他人不同的汽车，这就使得在 过去的几年里大大拓宽了汽车产品的种类和造型风格1 8 1 。同时也要求汽车设计 周期必须短，能根据市场需求快速做出反应l 。而数值模拟法正好能解决这一问 题，通过利用数值模拟法能对设计成果做预测和检验，减少设计缺陷，提高设计 质量，从而能够显著的减少设计修改时间、缩短整个车灯的开发过程硎。 本文正是采用逆向工程方法与数值模拟法相结合的方法来实现车灯的快速开 发的。 7 江苏大学工程硕士学位论文 第二章汽车车灯的逆向设计 车灯逆向设计分为三个步骤：车灯点云数据获取、点云数据处理、车灯各部 件三维c a d 模型重构，本章将按照这三个步骤介绍车灯的逆向设计详细流程。 2 1车灯点云数据获取 点云是指通过一定手段获取的零件表面离散点的空间坐标，这些坐标称为 点云，通过计算坐标相对位置可以计算出零件各个表面的空间数据，从而能得到 表面形状。车灯零件表面复杂曲面比较多，必须采用合理的数据采集方法与设备 获得比较精确的零件表面形状。因此，高效、高精度地实现样件表面的数据采集， 是逆向工程实现的基础和关键技术之一【2 1 1 。 2 1 1 数据采集方法与设备 2 1 1 1 数据采集方法 对于三维实物数据采集有接触式与非接触式测量两种方法 2 2 1 。 ( 1 ) 接触式测量 顾名思义，接触式测量就是测量时需要与零件表面接触才能获取数据。最 常见的接触式测量仪器是三坐标测量机( c o o r d i n a t i o nm e a s u r i n gm a c h i n e ， c m m ) 。靠测量头来接触零件，当测量头与零件接触时会有力的作用，把数据传 输到计算机中计算出零件表面的形状。 这种测量方式准确性比较高，对零件的材料跟反光没有特殊要求。但需要 零件有一定抵抗变形能力，不能测量软的材质零件，而且要求零件表面不能太复 杂，要保证表面所有位置能接触测量头，具有一定局限性。 ( 2 ) 非接触式测量 非接触式测量需要测量时跟零件表面发生一种物理现象，通过这种现象来 获取零件的表面几何形状。按照原理可以分为光学和非光学测量两种方法。光学 测量方法有激光三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法 8 江苏大学工程硕士学位论文 等；而非光学式则包括：工业c t 扫描法，核磁共振( m r i ) 测量法，超声波法 和层析法等。 本文车灯点云数据的采集是利用a t o s 系统，是一种光学式测量方法。 表2 1 为几种常见测量方法的比较： 表2 1 几种常见测量方法比较 非接触式测量具有测量时不需要与零件接触就能测量的有点，测量时不破 坏零件表面等一系列优点，采用非接触测量原理a t o s 光学扫描仪已经逐步成为 世界上最受欢迎的扫描仪器。 2 1 1 2a t o s 系统简介 a t o s 光学扫描仪主要由测量头，控制处理装置以及支架组成，测量头主要 由左右两个c c d 数码相机和一个投射镜头组成2 3 1 ，如图2 1 。 9 江苏大学工程硕士学位论文 图2 1a t o s 系统 a t o s 测量原理如下【礁2 6 j ： a t o s 流动式光学扫描仪采用结构光测量技术，可借助高分辨率的c c d 数码 相机对复杂工件表面进行高速扫描测量。它可利用多组固定参考点，对多次扫描 测量摄取的信息数据进行拟合比较，自动拼合成单一的整体立体图，并能输出被 测表面相关点或面的数字化三维数据，其原理如图2 2 。 投影装置 图2 2 结构光三维扫描法测量原理图 江苏大学工程硕士学位论文 a t o s 测量原理就如同人类的一双眼睛，由光栅投影在待测物面上，并加以 粗细变化及位移，配合c c d 数码相机将所获取的数字影像通过控制处理装置处 理，即可得知待测物的3 d 外型。单一笔的测量数据计算出来之后，由标签点来 定位，经计算机运算后会自动定位回去，当整个对象测量完成之后，所有的点群 加总后便是真实物体的外形，再由运算后输出s t l 格式的数据。 a t o s 系统特点： ( 1 ) 测量速度大于4 3 0 0 0 点s ，单幅照片可扫描点数最大可达4 0 0 0 0 0 点， 单幅照片精度为士0 0 3 m m ，整体测量精度达到0 1m m ； ( 2 ) 光学扫描仪还具有测量范围大的优点，可测量长达十数米的零件，单 幅照片长宽可以从数十毫米到两米之间变化； ( 3 ) 携带方便，系统每一部分可以拆开包装运输，而且重新组装时间较短； ( 4 ) 测量效率很高，只要八秒即可扫描一幅照片。 2 1 2 车灯点云数据获取 测量时首先要根据要求在零件表面贴上参考点，贴参考点的要求是任意三 个参考点不能处在同一直线上，这是由a t o s 系统测量原理决定的，系统拍摄的 不同照片最后要拼接在一起，两幅照片要有不在同一直线上的三个点重合，根据 这三个重合的参考点把两幅照片拼接在一起，确定点云的唯一空间坐标。 参考点密度要合理，有下面几点需要注意的： ( 1 ) 参考点既不能太少影响准确性，也不能太多影响效率，浪费系统资源。 ( 2 ) 在零件比较平坦的部分，参考点密度可以低一些，在一些曲率变化大的 区域，必须多贴参考点。 ( 3 ) 在对精度要求比较高的区域要多贴参考点，提高准确性，在精度要求低 的区域密度可以适当小一些。 其次，车灯反光镜配光镜等部件会反光影响拍照，必须在各个部件表面喷显 像剂。如图2 3 ，是处理好待扫描的车灯各个部件： 江苏大学工程硕士学位论文 ( a ) 灯罩 ( c ) 反光镜 ( b ) 配光镜 图2 3 车灯各个部件 2 2 点云数据预处理 ( d ) 底座 点云数据的预处理足产品数字化之后，逆向建模之前所要进行的工作，是 一个承上启下的环节，直接影响着后继曲面重构的精度和品质2 4 i 。在曲面c a d 模型重构之前需要对点云数据进行预处理，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 数据拼合 数据拼合也叫多视拼合，因为一次测量完成工件的全部数据很困难，在 a t o s 系统中采用多视角测量的方式。在测量软件中采用点位法自动拼合，点位 法是要在参考点中选定三个非共线点作为分视图的局部坐标系标准，使两幅照片 中这三个点重合完成数据拼接，如图2 4 。 江苏大学工程硕士学位论文 ( a ) 拼接前 ( 2 ) 数据光滑 ( b ) 拼合结果 图2 4 汽车车身数据拼合实例 实际测量过程中受到人为或随机因素的影响，使得测量结果包含噪声，为 了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，有必要对数据进行平滑滤波。第一种 方式是采用人机交互式的方式，在噪声点人工去除；第二种采用程序自动滤波光 顺数据；第三种可以人工去除一些不影响设计的局部特征，如图2 5 ( a ) 人机交互式( b ) 自动滤波 江苏大学工程硕士学位论文 ( c ) 局部特征去除 图2 5 数据光顺方法 ( 3 ) 数据修复 扫描得到的数据因为扫描时零件表面互相遮挡、定位问题等原因难免会有 部分区域数据缺失，需要进行数据修复，如果缺失比较多就需要在这一部分进行 重新测量，反之可以在相关软件中补全，如图2 6 图2 6 数据修复方法 除此之外还有一种利用固体物质来填充会造成数据不全的地方，比如一些 孔、槽等位置，可以用合适的固体来把这些地方填平些，这样会避免造成一些数 据缺失。在测量完成之后，再去除掉这些东西【2 7 1 。 ( 4 ) 数据精简 利用a t o s 会得到庞大的点云数据，一小块区域甚至就能达到几十m 大小， 处理这些数据会消耗计算机大量资源，当庞大的数据直接导入c a d 软件时可能 直接会造成导入失败，或者会使c a d 软件反应迟钝，严重影响效率，因此非常 有必要进行数据精简。数据精简主要由下面两种方法： 【1 】按数据点间的距离精简 可以指定数据点间的临界距离，当两个数据点之间的距离小于指定的距离 1 a 江苏大学工程硕士学位论文 时，就自动把其中的一个数据点删掉。 【2 】按给定的法向精度精简 可以根据一个点在曲面法向引起的误差大小作为测点删除的依据。测点到最 小二乘拟合曲面的垂直距离作为删除该点引起的近似法向误差，若小于某一阈 值，删除该点。曲率较小的地方分布较少的点，曲率大或尖锐棱边保留较多的点。 ( 5 ) 数据分块 车灯各部件表面形状比较复杂，由很多个曲面构成，对于庞大的点云数据， 要通过数据分块技术把属于某一个曲面的点云数据作为一个集合，在c a d 模型 重构时，分别重构每一个曲面，最后再通过各种逻辑操作把同一个模型的各个曲 面结合到一块，完成整个c a d 模型。涉及到的分割技术有两种：一是在测量时 就将零件表面分成若干个区域，测量每个区域得到的点云数据放到不同的文件 中，在重构模型时各个部分分别处理，这种方式能很方便重构模型，但只适合一 些零件表面特征区别比较明显，而且对操作人员的技能要求高，一般用于接触式 测量方法中；第二种方法是采用自动分块技术，通常是先确定数据是属于哪一个 曲面，再通过这些曲面来判断边缘的数据是属于哪一个曲面的边界，从而实现数 据分块，另外还有一种先判断出曲面的边界，再来确定哪些数据是在这个曲面上 的，通过这种方式来实现数据分块。对于车灯零部件，由于表面形状很复杂，若 在测量时就分成不同区域会使测量相当复杂，难以准确完成任务，而且严重影响 效率，一般采用自动分块中的先判断面再判断边界来实现数据分块的方式。 通过数据预处理之后得到的点云数据，就能符合三维c a d 软件对点云数据 的要求，通过合适的曲线曲面重构方式可以比较精确的反向设计出车灯零件表面 数据，完成模型重构，下一步要做的工作就是将点云数据导入c a d 软件中重构 模型。如图2 7 是经过数据预处理之后的车灯各部分点云： 江苏大学工程硕士学位论文 ( a ) 灯罩点云( b ) 配光镜点云 ( c ) 反光镜点云( d ) 车灯底座点云 图2 7 车灯各部分点云 2 3c a d 模型逆向重构 2 3 1曲线曲面重构理论 逆向工程中，模型重建是最重要、最繁杂的一环，因为最后要完成模型的 加工，需要的是平滑的曲面模型2 引。因此，必须寻求一种既能使重构得到的曲面 具备良好的精度要求又拥有局部编辑能力的重构模型【2 2 1 。因此必须采用合理的 曲线曲面重构方法来重构出高质量的曲线曲面模型，几种主要的曲线曲面重构方 式有：b e z i e r 曲线曲面、b - - s p li n e 曲线曲面、n u r b s 曲线曲面。 ( 1 ) b e z i e r 曲线曲面 b e z i e r 曲线参数表达式为： p ( “) = p e 。( z ，) ( o n 1 ) 1 6 ( 2 1 ) 江苏大学工程硕士学位论文 其中：b 讣( u ) 为b e z i e r 基函数，其多项表达式为： b i ，n ( u ) _ - c n l u l ( 1 u ) n 2 鼎u 1 ( 1 u 广( 0 0 ，。= f , c x ，y ，z ，f ) ( 3 - i i ) ( 2 ) 第二类边界条件：已知确定的边界上的热流密度的分布情况，其函数 表达式为： f o ，一五( 宴) ，：f 2 ( x , y , z , r ) ( 3 1 2 ) ( 3 ) 第三类边界条件：也就是对流表面的边界条件，己知确定的边界和周 围流体之间的对流换热系数h 与周围流体的温度，并且f 0 ，根据物体的壁面 导热量跟表面对流换热的热量是相等可以，可以推导出第三类边界条件的函数表 达式为： 一五( i o t ) w ：h ( t w 一，) ( 3 1 3 ) 在绝热的理想情况下，表面换热为0 ，第二类边界条件与第三类边界条件是 相同的。