（光学工程专业论文）反求工程在摩托车覆盖件开发中的应用研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 汽车、摩托车业在制造业中占有重要地位。这类产品具有大量外观要求极 高的复杂曲面外覆盖件。这些构件的形状特点和产品市场的个性化需求决定了 其开发方法有别于传统模式。当今社会，市场的变化速度日 益加快， 产品的生 命周期不断缩短，要在这种竞争激烈的市场环境中立于不败之地，企业必须加 j决产品的开发速度。 论文在全面分析这类产品特点的基础上，以摩托车覆盖件快速开发作为应 用对象，深入研究了以 反求工程( r e ) 和快速原型制造( r p / m ) 作为核心技术的复 杂曲面产品快速开发模式。在分析和比较了各种测量方法的技术原理以及测量 方法的选择以后，详细研究了反求工程中数据获取及预处理方法。通过对摩托 车覆盖件扫描数据的获取及预处理，从中摸索出数据预处理的一般操作流程， 并提出先通过各种分析手段获得零件的结构特征、点云类型等信息后，再进行 其他处理的方法，可以提高处理的效率。 此外，还分析了特征点云的重要性及提取方法，对曲面重构的基本原理和 方法进行了 研究，将误差分析、光顺性等评价手段应用到曲面重构过程中，可 快速求得符合要求的曲面。 最后，论文根据各种快速原型工艺的特点，从材料、精度、速度、模型特 性等方面讨论了r p / m 技术对复杂曲 面产品的 适应性。对快速原型制造技术的 主要方法、加工过程的数据转换、模型的分层处理、扫描路径的生成、产生翘 曲 变形的原因及减小变形的措施进行了详细地论述。构建了复杂曲 面类产品基 于r p / m技术的快速开发模型。 关键词 复杂曲面;反求工程;样件数字化;曲面重构;快速原型 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ab s t r a c t a u t o m o b i l e a n d m o t o r c y c l e i n d u s t ry i s a n i m p o r t a n t p a rt o f m a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y . t h e r e a r e a l o t o f c o v e r i n g p a rt s c o m p o s e d o f c o m p l i c a t e c u r v e d s u r f a c e , w h i c h a r e o f s t r i c t o u t w a r d a p p e a r a n c e c r i t e r i a . t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e s h a p e o f t h e s e c o m p l i c a t e c u r v e d s u r f a c e s a n d t h e in d i v i d u a l r e q u i r e m e n t s o f m a r k e t d e t e r m i n e d t h e d i ff e r e n c e o f d e v e l o p m e n t m e a n s c o m p a r i n g w i t h t h e t r a d i t i o n a l p a t t e rn. n o w , t h e t e m p o o f m a r k e t q u i c k e n i n g , l i f e c y c l e o f a p r o d u c t i s c o n s t a n t ly s h o rt e n i n g . t h e r e f o r e , t h e e n t e r p r i s e s m u s t p i c k u p t h e s p e e d o f p r o d u c t d e v e l o p m e n t i n o r d e r t o s u r v i v e i n t h e k e e n c o m p e t it i o n o f m a r k e t . i n t h i s i s s u e , a ft e r a c o m p r e h e n s iv e a n a l y s i s o f t h i s k i n d o f p r o d u c t s , t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f t h e c o v e r i n g p a r t s o f m o t o r c y c l e i s u s in g a s t h e o b j e c t t o s t u d y t h e p a tt e rn o f r a p i d d e v e lo p m e n t o f c o m p l i c a t e c u r v e d s u r f a c e , o f w h i c h r e v e r s e e n g i n e e r i n g a n d r a p i d p r o t o t y p i n g a n d ma n u f a c t u r i n g a r e t h e k e y e n a b l i n g t e c h n o l o g i e s .t h e t e c h n i q u e s o f d a t a g a i n i n g a n d p r e p r o c e s s i n g i n r e v e r s e e n g i n e e r i n g a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l a ft e r a l l k i n d s o f m e a s u r i n g m e t h o d s a r e a n a l y z e d a n d c o m p a r e d a n d c h o i c e d i n t h i s p a p e r . b y a c q u i r i n g a n d p r e p r o c e s s in g s c a n n i n g d a t a o f c o v e r i n g p a r t s o f m o t o c y c l e , t h e g e n e r a l m a n i p u l a t i o n fl o w o f d a t a p r e p r o c e s s i n g i s e x p l o r e d . w h a t s m o r e , a n e w m e t h o d i s b r o u g h t f o r w a r d , t h a t i s f i r s t l y g e tt i n g t h e in f o r m a t i o n o f t h e s t r u c t u r e f e a t u r e o f t h e p a r t , t h e t y p e o f p o i n t c l o u d a n d t h e n d o i n g t h e o t h e r s . t h e m e t h o d m a y i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o f d a t a p r o c e s s ing . i n a d d i t i o n , t h e i m p o r t a n c e a n d t h e m e t h o d s o f e x t r a c t i n g f e a t u r e p o i n t c l o u d a r e d e s c r i b e d a n d t h e b a s i c t h e o ry a n d m e t h o d s o f s u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n a r e r e s e a r c h e d . t h e s u r f a c e c a n b e c o n s t r u c t e d r a p i d l y a s r e q u e s t e d i f t h e d i ff e r e n c e a n d f a irn e s s a n a l y s i s a r e a p p l i e d t o t h e s u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s . l a s t , a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c o f e a c h r p / m p r o c e s s , t h e t h e s i s d i s c u s s e d t h e a d a p t a b i l i t y o f r p / m t e c h n o l o g y t o t h e c o m p l i c a t e c u r v e d s u r f a c e p r o d u c t fr o m t h e v i e w o f m a t e r i a l , a c c u r a c y , e f fi c i e n c y a n d m o d e l c h a r a c t e r i s t i c . a n d t h e p a p e r a l s o d i s c u s s t h e m a i n m e t h o d o f r a p i d p r o t o t y / m a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y , t h e d a t a e x c h a n g e i n m a c h i n i n g , t h e m o d e l s l i c i n g p r o c e s s i n g , t h e c r e a t i o n o f s c a n n i n g p a t h , 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 t h e r e a s o n o f w r a p t r a n s f i g u r a t i o n a n d t h e m e a s u r e s t o r e d u c e th e t r a n s f i g u r a t i o n . f in a l l y , a r a p i d d e v e l o p m e n t p a tt e rn o f c o m p l i c a t e c u r v e d s u r f a c e b a s e d o n r p m i s e s t a b l i s h e d k e y w o r d s c o m p l i c a t e c u r v e d s u r f a c e r e v e r s e e n g i n e e r i n g , m o d e l d i g it i z i n g , c u r v e d s u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n , r a p i d p r o t o t y p i n g - i i i - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 1 章 绪论 1 . 1课题研究的目的和意义 当今世界，市场竞争日益激烈，产品更新换代的步伐不断加快。缩短产品 的开发周期，提高企业快速反应市场的能力已是企业成败的关键。制造业对一 个国家国民经济的高速增长起着至关重要的作用。它不仅要为国内市场提供优 质先进的技术装备和物美价廉的消费品，还要为国际市场提供有竞争力的高附 加值的出口 商品。当今的时代己 经是信息时代，全球统一市场逐渐形成，这样 就加剧了世界市场的竞争，使得市场对产品的价格和性能更为敏感，尤其在制 造业，产品的生命周期变得越来越短，产品的更新换代频繁，生产批量减小。 创新战略是企业生存的生命线， 产品创新己成为工业创新的核心， 亦是2 1 世纪 全球制造业竞争的核心。因此，企业必须把产品“ 新” 和上市“ 快” 作为其经营的 战略。 改革开放以来，我国的制造业取得了长足的发展。目前，中国制造业居全 球 第四 位 i ， 几十 种产品的 产量 居世界 第一 位， 制造业 增加值占g d p 的比 重基 本维持在 4 0 %，中国财政收入的一半来自 于制造业，制造业吸收了将近一半的 城市就业人口， 2 0 世纪9 0 年代以来， 制造业已成为中国最大的出口机器， 创造 了中国接近四分之三的外汇收入2 1 但是，我国制造业与世界先进水平相比仍有较大差距。我国很大一部分企 业的 技术水平还只停留在先进工业国 家2 0 世纪7 0 年代末、 8 0年代初的水平上。 大多数企业无法以市场需要的速度开发出新产品，这种现状已 严重制约了国家 整体经济实力和科技水平的提高。自2 0 世纪9 0 年代中期以来，企业所面临的 经营环境迅速变化，市场不断成熟并趋于全球化，市场的变化速度明显加快。 与此同时，技术开发的速度加快，产品淘汰率加速，产品生命周期缩短。要在 这种激烈竞争的环境中站稳脚跟，企业必须加快产品开发速度。当前，许多著 名的跨国企业都已意识到，基于时间的战略，即让新产品快速进入市场是企业 全 球市 场战 役中 取得竞争 优势的 关键3 1 。 一项由 美国 联合研究公司所做的 调查 表明， 6 0 %的c e o认为缩短产品开发周期对公司来说是非常重要的， 而7 0 %的 c e o希望在今后的两年中 产品开发周期能够缩短1 0 %- 2 0 % 14 1 。 传统的产品开发 方式已难以满足新的市场竞争的需要，而由于人的思维活动和创造活动不可能 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 隔断基础和历史，所以在原有产品的基础上进行再设计和再创造，是实现产品 创新的有效方法之一，由此可见，产品的快速开发能力将成为制造业市场竞争 的主要手段。实物反求工程技术以其在快速产品开发中的独特优势，得到了广 泛重视和迅速发展。 产品的反求工程技术， 能缩短产品的开发周期和提高产品质量， 使企业在高 的起点去创造产品，是消化、吸收先进技术重要手段。而且反求设计的目 标并 不是对原产品的仿制，仿制产品质量和生命周期永远落后于别人，何况国外很 多名牌产品一般都申 请有外观设计专利，受到法律保护，因此，再创造是反求 工程的灵魂。将反求工程技术应用于产品的设计制造，是学习国外的先进的设 计制造技术，进而建立自己的设计制造体系的一个有效的手段。 复杂曲面产品具有广泛的应用范围。工业设备、医疗设备、运输设备、航 空航天产品、一般生活消费品、商业及服务设备、科教设备等都大量使用复杂 曲面。随着市场对产品个性化需求的增长，复杂曲面产品的设计占整个产品设 计的比例还将逐步增大， 其重要性也日 趋突出。 对于复杂曲面产品的全新设计， 设计师一般倾向于使用豁土、木材或泡沫塑料进行原始产品的造型，有时企业 要在只有产品实物模型的条件下进行产品的制造，如进行模具设计时，客户提 供的只是样件:另外，由于工艺、外观等原因，人们经常要对己有的复杂曲面 产品构件作局部的修改。在这些情况下，最快捷的方式就是通过反求方法将实 物模型转化为三维c a d模型， 再进行注塑流分析、 模具设计或数控加工等后续 工 序 完 成产品 的 制 造 15 。 汽车、 摩托车等产品的覆盖件开发需要通过模具进行， 这些覆盖件的外形、 结构都比较复杂，曲面面积大，易变形，因此无法保证一次开发成功，而需要 通过产品的试制来发现问 题。另外为了开拓市场，在产品正式投产前，需要进 行单件或小批量试制， 用于样品的展示或评估。 r p / m技术的应用可以大大缩短 样品试制的周期，并且降低试制成本。 摩托车包括车架、发动机、覆盖件、传动装置、悬挂装置、转向装置、车 轮等多个总成，产品结构极其复杂。 在摩托车产品开发过程中，车架、 发动机、 行走系统等主要部件的全新设计、开发较少，因为摩托车企业要研制一款成熟 的车架、发动机等要投入较大的人力、财力和物力。现代摩托车既是一种交通 工具， 又是一种时尚消费品。 进入2 0 世纪9 0 年代以 后， 9 5 %以 上的摩托车都 是私人购买。这就要求摩托车覆盖件既要有良 好的动力性能，又要造型美观， 符合现代人的审美情趣。 覆盖件产品作为摩托车外观的主要组成部分，已 成为 企业新产品开发的重点之一。因此， 研究摩托车覆盖件产品的反求技术，对我 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 国的摩托车产业具有重要的理论意义和实用价值。 1 .2国内外研究现状 摩托车制造业是我国的传统产业之一。 2 0 0 2年全国的摩托车产销量继续呈 增 长态 势， 突 破1 2 0 。 万辆 6 ， 占 世界总 产量的1 / 2 ，己 连续1 0 年 稳居世界 第 一。根据我国的 “ 十五”规划， 到2 0 0 5 年我国 摩托车保有量将达到9 5 0 01 0 0 0 0 万辆，当 年需求量为 1 2 0 01 3 0 0万辆 7 1摩托车工业已 成为我国国民 经济中 最 有发展潜力的产业之一。 虽然我国的摩托车产量居世界首位，然而，我国的摩托车业却正面临着前 所未有的“ 内忧外患” 。从技术水平上讲，我国生产的摩托车与国际先进水平还 有一定的差距。 从总体上看， 我国摩托车业具有生产厂家过多、生产集中度低、 车型档次低、产品同质化严重、仿制车型多、自 主创新产品少等不足之处。我 国加入 wt o以后，国外企业纷纷参股甚至并购我国摩托车企业，在国际、国 内市场上同我国企业进行着殊死的较量。近年来，己先后有多家日本摩托车企 业指控中国数十家同行“ 专利侵权” ，其中主要是指控中国厂家非法仿制外观设 计。以前国内各摩托车厂家大都依靠引进技术，或者干脆进行简单的仿制。这 当中既有对外国产品的仿制，也有国内企业间的相互仿制。为促进全行业的健 康发展，适应 wt o 的游戏规则，我国正在加强对知识产权的保护。知识产权 问题对很大一部分以仿制为生的企业将是致命的打击。随着全球化、动态化市 场竞争日 趋激烈和客户需求的不确定性增加，摩托车制造企业不仅需要有对市 场变化的快速响应能力，而且要不断通过技术创新和新产品开发来开拓市场和 引导市场，这样才能及时抓住转瞬即逝的市场机遇而立于不败之地。 现代社会的人们在注重产品功能的同时，对产品的外观造型提出了越来越 高的要求。为追求美学效果或功能要求，汽车、摩托车、家电等产品的表面形 状包含了 越来越多的自由曲面。在计算机技术飞速发展的今天，制造业己 广泛 采用三维几何造型技术进行产品及工、模具的设计、方案评审、自 动化加工制 造及管理维护等各个方面。 己经出 现了许多成功的商用三维c a d软件， 如u g . p r o / e . s o l i d e d g e . s o l i d w o r k s 等。 近年来，国内外反求工程技术己 有了很大的发展。从国外来看，国外很多 公司、大学致力于反求工程的研究，并己经发展得比较成熟。早在9 0 年代初， k w o k等人将三坐标测量机( c o o r d i n a t e m e a s u ri n g m a c h i n e ，简称 c m m ) 与 a u t o c a d图形软件结合，使每一个测量点由c mm进行数字化，程序记录有关 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的 坐标值， 自 动 转化为i g e s 格式18 1 。 他们开 发的 反求工程系统具有实时 可视化 的功能，可以动态监测扫描过程，便于及时修改。国外较著名的反求工程软件 有: ( 1 ) i c e m s u r f . p r o / s c a n t o o l s ，他们是p t c公司的产品，可以用于处 理测量点数据，并进行逆向曲面设计的模块。它们各具特点，适用于不同的应 用领 域(9 ) o i c e m s u r f 是一 个a级自 由曲 面的 构 造工具， 他的 最主 要 特点 是直 接 构造曲 面( 无需先构造曲 线) 和曲 面质量的动态评价( 曲 面调整中的曲 面诊断结果 动态更新) ， 汽车、 摩托车外覆盖件、内 饰件等自由曲 面用它来构造是游刃有余 的， 但最好有比较完整的测量数据。 i c e m s u r f 还能把点云数据自 动转换成三角 形面片模型，可以用它来求任意截面线、边界线和特征线，也可以用它来做快 速成型或 n c加工编程。但这个面并不是一个传统意义上的曲面模型。 p r o / s c a n t o o l s是一个完全集成于p r o / e n g i n e e r实体建模中的 逆向曲 面构 造包。 可以 接受有序点( 测量线) ， 也可以 接受大量测量点数据， 可以 用来构造非 a级的自由曲面，一般的工业产品如电器产品、一般的塑料件、汽车内 饰件等 均能用该模块得到圆满地解决。 ( 2 ) 具有曲 面反求重构模块的c a d / c a m软件中， 还有英国d e l c a m公司 的c o p y c a d . c o p y c a d采用三角化曲 面造型方法， 它提供了一种能从数字 化数据产生c a i ) 表面的综合工具， 接受三坐标测量机、 探测仪和激光扫描器所 测到的 数据。该软件可以 让用户快速作出高质量、复杂的表面，能完全控制表 面边界的选择，自 动形成符合规定公差的平滑、多面块曲面。创造性地提出了 反求工程新法:局部逆向工程技术。为解决当今反求工程在实际应用过程中繁 琐 、 耗时 、 操 作困 难 等问 题， 提出 了 相 对 快 速简 洁的 新的 解 决方 法 p o ) ( 3 ) 美国e d s 公司的i m a g e w a re也 是用来做反求工程的 优秀软件之一， 它可 以非常好的处理大数据量问题，它处理数据的流程遵循点一曲 线一曲面原则， 流程简洁清晰， 软件易于使用p a l 。 如今， 此模块可以 和机械设计自 动化软件 i - d e a s 和u n i g r a p h ic s ( 简 称u g ) 合 成一 体。 与国外相比，国内研究起步晚、 经费投入较少，限制了高水平研究的开展， 创新性研究不多，在世界学术领域，还没有形成较大的影响力。浙江大学是国 内 进行反求工程研究比较早的单位之一。他们研究了测量数据测头补偿问题; 曲 面轮廓度误差的可视化算法以 及三角b e z i e r 曲面重构方法;而且他们还开发 出了反求工程c a d系统r e - s o ft软件。另外，西安交通大学也开发了 反求工程 的核心软件一c a d重构软件;西北工业大学， 华中科技大学， 南京航空航天大 学等都在着手此方面的研究。由于缺乏自 主的c a d / c a m软件的支撑，以及反 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 求工程的上游测试设备和下游应用( c a d / c a e / c a m ) 基本为国 外产品， 使得国 产 软件产品在设备接口、数据转换和应用上一直滞后于国外相关产品，开发的软 件势单力薄，与国外软件相比处于竟争的劣势。 但无论是国外还是国内，反求工程的应用都获得了良 好的经济效益。法国 的轿车生产商e b f公司对其座椅应用反求工程技术，使时间缩短到原来的五分 之一。我国的东风汽车公司也展开了反求工程技术的应用，不仅拥有意大利产 3 2 5 0 m mx 3 2 5 0 m m三坐标测量机， 还有数码摄影光学扫描仪， 采用德国g o m公 司生产的a t o s光学扫描器和美国柯达公司d c s 4 6 0 数码相机及处理系统，率 先在国内采用数码摄影、光学扫描，作为空间三维信息的获取手段，从而实现 了从实物一建立数学模型一出工程图纸-模具制造的全过程，成功地实现了反 求工程技术的开发和应用。高速扫描和反求工程技术的应用，大大缩短了汽车 模具研制周期，促进了模具制造水平的发展。不可否认，我国对反求工程的研 究和应用和许多发达国家相比还有很大的差距。我们只有重视它，努力进行研 究和应用，才能赶上或超过发达国家。 1 .3本文的主要研究内 容 反求工程的各个环节都存在着许多关键技术问题，这些问题解决的好坏直 接影响着后续产品制造的精度和质量。并且，当前的反求工程技术还无法实现 与其下游应用( 如r p m、 冲压成型等) 的良 好匹配， 本文主要以 摩托车覆盖件( 光 阳a博士1 2 5 摩托车后侧翼板) 的反求设计及其后续覆盖件快速原型制造为例， 对反求工程与覆盖件快速原型制造进行如下研究工作: ( 1 ) 从当前的数字化测量技术出 发，分析各种测量方法的 优缺点， 选择适合 摩托车覆盖件的测量方法。 ( 2 ) 摩托车覆盖件的 数字化及数据处理: 采用天远三维扫描仪获取摩托车覆 盖件的三维数据，并对数据进行噪声点剔除、滤波、平滑、点云三角网格划分 等预处理。 ( 3 ) 零件原形c a d模型的重建: 根据n u r b s曲 线、 曲 面的计算方法， 对测 得的数据进行曲线曲面的拟合、延伸、剪切、求交等混合运算，获取原形表面 模型或直接构建实体模型。 ( 4 ) 以 重构的覆盖件的数学模型为基础， 研究如何利用其三维几何信息分析 零件的成型工艺，实现零件的快速原型制造。 哈尔滨t业大学工学硕士学位论文 第2 章 摩托车覆盖件的数据获取及处理 2 . 1引言 在复杂实体反求时，一般按照产品的形状特点进行区域划分测量，而且在 数据采集过程中，为了保证精度，通常密集布置测点。随着现代测量技术的发 展，以 扫描测量为基础的 “ 点云” 数据采集量可高达几兆甚至上百兆字节1 2 1 。 这 些数据之间通常没有相应的、显式的拓扑关系，其中还包括大量无用数据，并 且存在着噪声。因此，反求时必须首先经过数据预处理，即数据拼合、精简、 光顺和特征点的提取等工作，为后续的曲线曲面重构奠定良 好的基础。 2 .2反求工程 反求工程 ( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ， 简称r e ) 是指根据实 物 模型 测得的 数据， 构 造出c a d模型， 继而 将这些模型和设 计表征 用于产品 的分析和制造 1 3 ,1 4 1 。 工 程上，经常要在只有产品原型或实物模型，而没有产品图的条件下进行制造， 或者零件具有非常复杂的自由曲面，其设计表达或数学模型的建立非常困难。 在这种情况下，通过三坐标测量仪或激光扫描仪等数字化设备，将实物模型转 化为数字化的点云， 然后进行曲面拟合和c a d建模， 得到样件的数字模型。 一 旦重构出自由曲 面和建立c a d模型后， 就可以对它进行后序的操作， 如零件设 计、有限元分析、模型修改、误差分析和数控加工指令生成等。r e技术是快 速开发复杂曲面类产品的有效方法。 反求工程的 研究和应用目 前仍处于发展初期，主要是对己有产品或技术进 行分析研究，掌握其功能、原理、结构、尺寸、性能参数和材料，特别是关键 技术，并在此基础上进行仿制或改进设计，开发出先进产品。在反求工程的具 体实施过程中，对实物进行测绘并对零件进行再设计后，进入加工工艺分析及 制造阶段，再对复制出的零件和产品进行功能检验。整个反求工程技术可大致 分为 三个阶 段: 对实 物的 认识阶 段、 再设 计阶段和 加工制造、 功能检测阶 段 i s - 1 7 1 整个反求工程的技术流程如图2 - 1 所示。 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 图2 - 1反求工程的技术流程图 f i g .2 - 1 f l o w g r a p h o f t e c h n o l o g i c a l r e v e r s e e n g i n e e r i n g 2 . 3零件的数字化测量方法 复杂曲面的测量是反求工程的关键技术之一，对曲面的测量过程即是对测 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 量对象进行数字化的过程，即用一系列离散的点来提取产品对象的曲线、曲面 的三维形状信息。 研究如何根据不同的测量对象的特点选择适宜的数字化方法， 以实现质量、速度、经济性、对下游设计的影响等综合评价指标的最优化，具 有重要的意义。 2 .3 . 1测量方法分类 随着传感技术、控制技术、制造技术、软件工程等相关技术的发展，目 前 己 出 现了 多 种表面 测量方法 1 8 , 1 9 。 根据 测量时 测头和被测表面间的 位置关系， 这些测量方法可大致分为接触式和非接触式两种。 接触式方法分为触发式测量、 扫描式测量、电磁式测量和超声波式测量等方法。非接触式方法分为立体视觉 法、 激光三角扫描法、 i c t / m r i 逐层扫描法、自 动断层扫描法和光栅法等2 0 ,2 1 其基本分类见图2 - 2 . 图2 - 2曲 面数字化方法 f i g .2 一 t h e d i g it i z i n g m e t h o d s o f c u r v e d s u r f a c e 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 . 3 . 2各种测量方法的比较 由于测量原理及手段的不同，各种测量方法各有所长，同时又有一定的限 制条件。表 2 - 1为几种主要的测量方法在分辨率、效率、适用范围、成本等方 面的比较。随着国内外在曲面数字化技术研究方面取得的进步，各项主要指标 还会不断地变化。 表2 - 1测量方法比较 t a b l e 2 - 1 t h e c o m p a r i s o n o f d i g i t i z i n g m e t h o d s 盂ti #a7 分辨率 ( m m ) 效率适用材料能否测量 内轮廓 被测对象 形状限制 成本 手动测量低 0 . 0 2 5很低表面不能太软不一定无低 cmm 高 0 .0 0 0 1低表面不能太软不能无高 激光三角扫描法较高 0 . 0 0 5很高无限制不能表面较光一般 立体视觉法低 0 . 0 2很高无限制不一定无 较低 i ct / mri 较低 。 . 0 1较低无m 机体能无很高 自 动断层扫描法低 0 . 0 2 5较低无限制能无高 光栅法低 0 . 0 2高无限制不能表面变化 不太陡峭 较低 复杂曲面产品的类型多种多样:有些产品的尺寸很大，如汽车的外壳，长 达数米，而有些产品则很小巧;有些产品不但具有复杂的外轮廓，还有结构精 致的内腔。从材料来看，豁土、木材、玻璃钢、泡沫塑料等多种材料均有应用。 这些材料的硬度、表面质量等特性不尽相同。 这些特点决定了在选择复杂曲面产品的数字化方法时，需要综合考虑各种 测量方法的适用对象。 2 .4测量方法的选择 测量方法与被测对象类型的多样性决定了在进行曲面产品数字化时，必须 力求测量方案的最优化.对某一测量方案的评价，常常要涉及多个指标，如测 量速度、测量精度、零件类型、成本等因素。根据所选方案对这些评判指标的 满足程度，综合判定这一方案是否最佳。对测量方案的选择比较适合采用模糊 综 合 评 判 方 法 【2 2 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 .4 . 1模糊综合评价方法 模糊综合评价是一种利用集合论和模糊数学理论将模糊信息数值化以进行 定量评价的方法，是一种模糊综合决策的数学工具。具体过程是:将评价目 标 看成是由多种因素组成的模糊集合，称为因素集u，再设定这些因素所能选取 的评审等级，组成评语的模糊集合， 称为评判集v，分别求出各单一因素对各 个评审等级的归属程度，称为模糊矩阵，然后根据各个因素在评价目 标中的权 重分配， 通过计算( 模糊矩阵合成) ， 求出评价的定量解值。 模糊综合评价可用于 设计、 工艺方案的选择、 零件材料选择、 零部件参数设计及可靠性设计等方面。 常用的有一级和二级模糊综合评判，这里使用一级模糊综合评判法。 在进行综合评判时，除了要确定评价集合外，还要确定因素集合，两者都 为有限集合，即 因 素 集 合 : u = 扣 u 2 ， 一 ， u j ， 代 表 综 合 评 判 因 素 所 组 成 的 集 合 ; 评 价 集 合 : v 一 ( v i i v 2 * i v . ) ， 代 表 评 价 所 组 成 的 集 合 。 设 第i 个因 素 的 单 因 素 模 糊 评 价向 量 为r = 认r ,2 , . , r ,. ) r r 可 看 作 评 价 集 合v 上 的 模 糊子 集，r a 表 示 第k 种评 价 对 象 对 第i 个因 素的 隶 属 度， 于 是 得 模 糊矩阵为: n . 产伙卜阵卜|饥 一一 r 模糊矩阵给出了对各种因素的不同评价，但是不能给出一个比较明确的综 合 评 判。 因 此， 引 入 权数 模 糊向 量a 二 a , ， a 2 ， . . . , a 一 个 加 权 系 数 集， aa 2 . . . . , a 。 为 各 评 判 因 素 的 权 数， 。 a是u上的模糊子集， 是 该权数满足归一化条件: 艺 a = 1 ( 。 0 ) 引入模糊变换 b = a o r 二 俩 ， a 2 ， 二(a b 2 ， 二 、 b - 、lesesjesesll|es/ r 子仆队日比|汽 气 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 式中“ 。 ”是模糊矩阵的乘法符号。即可用b来表示被评价对象的综合评判 结果。它是一个 v上的模糊子集。模糊变换b= a- r中的运算法则、， 可按最 大( v ) 、最小( n ) 运算法则进行。 + v ,“ ， ”为z a d e h 算子。 a 八 r = m i n ( a , r ) ; a v r = m a x ( a , r ) 气= ( a , a r ,j ) v ( a 2 a r 2 , ) v . . . v ( a . a r , ) , j 一 1 ,2 , . , m 最大( v ) ,最小( v ) 运算法则只突出了 隶属度很大或很小项的作用，丢失了 部分信息，在实际应用中有时不尽合理。为此可按线性变换方法，即按普通矩 阵的乘法运算法则进行运算，于是有: b , = 艺a . 、 ， j = 1 ,2 , . , m 为使结果更易理解、比较，可将所得的模糊子集b作归一化处理。 上述即为一级模糊综合评判的数学模型， 其基本原理为模糊线性加权变换。 根 据bb 2 , . . . , b 二 的 大小即 可 确定 各 评价 对 象的 优劣。 若b k 最 大， 则 第k 种评 价 对象最优，即可得出对评价对象的综合评价。 2 .4 .2 摩托车覆盖件测量方法的选择 摩托车覆盖件属于典型的复杂曲面产品，它的曲面构成较为复杂，特别是 对于一些踏板车，曲面多且变化大，大部分是外轮廓面，也有一些内腔表面。 在进行这类产品的样件测量时，必须选择合适的测量方法。 根据各种数字化方法的特点，综合考虑摩托车覆盖件样件测量的主要控制 条件，得到如表2 - 2 所示的各测量方法评价因素的隶属度。 表2 - 2各种测量方法评价因素的隶属度 t a b l e 2 - 2 t h e w e i g h t s o f e a c h e v a l u a t i o n f a c t o r s 、赢 夏 芬 i (11#a #an n a 分辨率效率材料 适应性 轮廓 适应性 形状 适应性 成本 手动测量1i2355 cmm5221 52 激光三角扫描法 4551 33 立体视觉法 15 5454 i ct / mri223551 自动断层扫描法125552 光栅法 15512 4 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 于是得到模糊矩阵为: 、leseseseseseseseseseseseseses 11尸飞124 5 4 1 2 1 2 5 5 2 2 2 5 5 3 5 1 1 4 5 5 5 3 5 5 5 2 3 4 1 2 11月.勺凡j亡，亡 了尹丁it.1111 一- r 在摩托车覆盖件样件的测量中，测量精度不是要考虑的首要问题，因为覆 盖件产品强调的是曲面的整体效果，而不在于局部精度。但要求产品开发的周 期尽量短，且需控制测量的成本。因此，各评判因素的权数设定如下: 分辨率= 0 . 1 0 ，效率二 0 .2 0 ，材料适应性= 0 . 1 5 ，轮廓适应性= 0 . 1 0 ，形状适应 性= 0 .2 0 ，成本二 0 . 2 5 ; 所以 ， 权数 模糊向 量a = 毛 0 . 1 0 ,0 .2 0 ,0 . 1 5 ,0 . 1 0 ,0 .2 0 ,0 .2 5 相应模糊子集 1 5 4 1 2 1 1 2 5 5 2 2 、份、分 ，jll曰、曰 -。-(0一 2 2 5 5 3 1 1 4 5 5 3 5 5 2 3 4 1 2 = ( 3 . 1 5 , 2 . 8 0 , 3 .6 0 , 4 .2 5 , 2 .8 0 , 3 .2 5 , 3 .3 5 ) 将模糊子集b作归一化处理，即 bl = 3 . 1 5 3 . 1 5 +2 . 8 0+3 . 6 0 +4 . 2 5 +2 . 8 0 +3 . 2 5 +3 . 3 5 = 0 . 1 3 6 同理得， 凡= 0 . 1 2 1 , 凡= 0 . 1 5 5 , 凡= 0 . 1 8 3 , b s = 0 . 1 2 1 , 凡= 0 . 1 4 0 , 乌= 0 . 1 4 4 b = ( 0 . 1 3 6 , 0 . 1 2 1 , 0 . 1 5 5 , 0 . 1 8 3 , 0 . 1 2 1 , 0 . 1 4 0 , 0 . 1 4 4 ) 可以 看出， 第四 种方案( 立体视觉法) 为最佳测量方案， 其次为第三种方案( 激 光三角法) 。 哈尔滨工业大学丁学硕七学位论文 2 5 摩托车覆盖件的测量 结合前面的研究，在摩托车覆盖件样件的测量中，立体视觉法为最佳测量 方案，并结合学校现有的实验设各，本课题研究中，摩托车后侧翼板的测量采 用的是天远三维扫描仪进行测量。 利用天远三维扫描仪测量前，首先在物体表面作白色喷涂处理，并放置一 些专用标识，然后从不同角度对物体摄影。利用扫描仪自身软件把测量的数据 同己求得的标识的坐标值结合起来，得到整个大型曲面的数字化坐标值【2 ”。其 测量过程如图2 3 所示。 刁io 图2 - 3 天远三维扫描仪的测量过程 f i g 2 - 3 t h em e a s u r ep r o c e s so f t i a n y u a n3 ds c a l r l e r 摩托车后侧翼板的实物图与通过天远三维扫描仪获取的点云对比如图2 4 a ) 覆盖件实物图b ) 覆盖件点云图 a ) f i g 。o f s o l i dc o v e r e dp a r tb ) p o i n to f c o v e r e dp a r t 图2 - 4 覆盖件实物图与点云图 f i g 2 4g r a p ho f s o l i dc o v e r e dp a r ta n dp o i n tc l o u d 2 6 测量数据的预处理 测量所得到的零件表面数据点一般十分密集，数据量非常庞大，常被形象 地称为“点云”。由于是分块扫描完成，点云数据可能存在重叠或缺失；并且由 于扫描过程中的误差，在点云中存在大量的噪音点。这样的数据是不适用于重 构曲面的，一般需要先用一定的数学算法将这类点云数据进行预处理，将数据 规范化，然后再进行曲面重构，以得到高质量的曲面模型。 点云数据预处理是反求工程中的关键环节，他的结果将直接影响下游设计 中曲面重构的质量l 列。在数据处理过程中包括以下几方面的工作：数据预处 理，如噪声处理，多视拼合等，增强数据的合理性及完备性。数据分块，整 体曲面的拟合往往较难实现，通常采用分片曲面的拼接来形成整块曲面 2 5 2 7 。 数据光顺，通常采用局部回弹法、圆率法、最小二乘法和能量法等来实现【2 8 别。 三角化( s t l ) ，直接为r p m 产生切片数据和为b 6 z i e r 三角曲面造型奠定基础。 数据优化，压缩不必要的曲面片内的数据点，减少后期计算量。散乱数据 处理，对于具有较复杂形状的工件，测量数据中必然有一部分是无序的，须建 立数据点间的拓扑关系 3 0 , 3 1 】。 反求工程的后续流程主要有冲压、注塑工艺设计、c a m n c 加工、有限元 分析和快速原型制造等下游应用，由于各下游应用的技术特点不同，其对点云 晴尔滨工业大学工学硕士学位论文 的精度和平滑度要求也不同，故点云经预处理后达到的水平也不一样，但是其 处理流程大致相同，如图2 5 所示。 图2 - 5 数据预处理流程 f i g 2 - 5 f l o wg r a p ho f d a t ap r o c e s s 经扫描得到的点云数据是一个庞大的数据点集合。为了后续曲面重构的顺 利进行，在进行曲面重构之前，要对初始测量得到的点云数据进行精化处理。 它包括对点云数据过滤、平滑等操作。数据点过滤一般在平滑之前进行，这样 可以减少由于数据点过密，局部产生较大曲率等问题，并有利于提高平滑过程 的效率和精度。 2 6 1 数据过滤 数据过滤的常用方法有均分法、间距法、弦长法【3 2 1 。均分法需要依据数据 点排列的顺序，按照每间隔n ( ”由用户指定) 个点保留一个数据点的原则进行数 据过滤，故它只对有序数据点过滤有效。间距法的原理是过滤掉与某点距离在 指定的距离公差内的数据点，此法对各种类型数据都有效。弦长法按最大偏移 量和最大跨距两个因素过滤数据点，其中最大偏移量指两