（车辆工程专业论文）基于逆向工程的汽车外形设计方法的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 进入2 1 世纪知识经济己成为主导经济，汽车工业面临新的环境。而产品开 发是汽车工业技术的核心。为了适应新的变化，各国政府，产业界和科技界提 出了各种先进的产品开发技术，其中逆向工程技术作为先进产品开发技术之一， 得到各国普遍重视。逆向工程设计技术是现代化设计中的重要设计手段之一。 对提高我国汽车产品设计水平，缩短设计周期，增强我国汽车产品在国际市场 上的竞争力有着重要的意义。 随着计算机技术和信息技术的飞速发展，逆向工程应用范围也越来越广， 汽车车身设计由此进入了三维几何建模时代。由于三维设计c a d 软件的逐步普 及和c a d 数据标准的日渐丰富和完善，对车身曲面数学模型的质量要求越来越 高。但就总体而言，与国外高水平相比，我国的汽车开发技术还存在相当大的 差距。我们应用现代技术进行车身数字模型设计工作仅仅是1 1 t i l t 开始，许多技 术仍在探索中，有些国外技术我们引进后应用得不成熟，有待于吸收和推陈出 新。例如曲面光顺技术、计算机检测评价技术及车身数字曲面模型的实物快速 原型技术等等。 本文的目的是在扫描车身点云数据到建构、检验、修改数字模型的这一条 线上，寻找出一种高效、简便、优质的逆向工程设计方法，依据国内外提出的 曲面光顺理论算法，结合当前逆向工程软件和主流的正向工程软件的优缺点， 寻求软件模块间合理的搭配组合和较好的数据处理方法，更好的处理点云数据 建立车身的数字模型。 具体过程是利用专业逆向工程软件( 如r a p i df o r m ，i m a g ew a r e 等) 对扫描 好的车身点云进行初期数据处理，然后综合利用主流的正向设计软件( 如 c a t i a ，u g ) 不同模块的长处，构造出车身的数字模型。对车身外表面的连续 性进行探讨，并对现有的曲面光顺算法，进行分析、归纳和总结。重点介绍和 分析了曲面重构后的检测和评价方法，还介绍了实际工作中所采用的逆向工程 设备、相关软件及应用方法和处理技巧。随后结合“逆向工程”技术的应用特 点，利用计算机等先进技术，发挥新技术所起的支撑作用，建立了一个实用型 的设计平台，对汽车设计过程进行加速。 天键词：i 身设计；逆向工程；数据处理；曲面重建：曲m i 光顺； a b s t r a c t k n o w l e d g e h a sb e c o m et h em a p l ee c o n o m yi nt h e2 1s tc e n t u r y , a n da u t o m o t i v e i n d u s t r yw i l l f a c en e wc o n d i t i o n t h e p r o d u c td e v e l o p m e n ti st h ek e m e lo f a u t o m o t i v et e c h n o l o g y t oa d a p tn e w c h a n g e s ，g o v e r n m e n t sa n di n d u s t r yc o m eu p w l t hv a r i o u sa d v a n c e d p r o d u c td e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y , a n dr e v e r s ee n g i n e e r i n gi s p a l dm o r ea t t e n t i o nt ob ye v e r yc o u n t r i e s r e v e r s ee n g i n e e r i n gd e s i g nt e c h n o l o g yi s o n eo fi m p o r t a n td e s i g nw a y si nm o d e m d e s i g n i ti sg r e a t l yv a l u e dt oi m p r o v et h e l e v e lo fo u rc o u n t r y sc a rp r o d u c td e s i g na n d s t r e n g t h e nt h ec o m p e t i t i v eo fo u rc a r p r o d u c ti ni n t e m a t i o n a lm a r k e t s w i t ht h e q u i c kd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n di n f o r m a t i o n t e e h n 0 1 0 9 y ，i t s a p p l i c a t i o n sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h ea u t o m o t i v eb o d yd e s i g nh a s c r o s s e dt h es t a g eo fm a n u a ld r a f t i n g ，a n de n t e r e dt h ee r a o f3 dg e o m e t r i cm o d e l i n g b e c a u s eo ft h ep e r v a s i v ea p p l i c a t i o no fc a d s k i l l s ，i tb r i n g sm o r ea n dm o r er e q u e s t s t ot h e q u a l i t yo fa u t o m o t i v eb o d ys u r f a c e m o d e l c o m p a r i n gw i t ht h eh i g h t e c h n o l o g i e so ft h eo v e r s e a s ，i tn e e d sg r e a ti m p r o v e m e n tf o rd o m e s t i ca u t o m o t i v e d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y w ej u s tb e g i nt od e s i g na 1 1 d i g i t a la u t o m o t i v eb o d ym o d e l s a n dt os t u d ym a n yn e w a p p l i c a t i o n s f o rs o m eu n f a m i l i a rh i g ht e c h n i q u e s w en e e d m o r et i m et or e c o g n i z ea n dr e s e a r c h t h e m ，s u c ha ss u r f a c ef a i r i n gt e c h n i q u e ， c o m p u t e r - b a s e de v a l u a t i o nt e c h n i q u e ，r a p i d m o d e l ，e r e t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri ss c a nd o tc l o u d so fc a r b o d ya n dr e c o n s t r u c t 、t e s t 、 m o d i f yd i g i t a lm o d e l ，a n dl o o k sf o rae f f e c t i v ea n ds i m p l er e v e r s ee n g i n e e r i n g d e s i g nt e c h n o l o g y a c c o r d i n g t od o m e s t i c a n do v e r s e as u 订l c e s m o o t h n e s s t h e o r e t i c a la l g o r i t h m ，c o m b i n e dw i t h a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fr e v e r s e e n g l n e e n n g s o f t w a r ea n d m a p l ef o r w a r de n g i n e e r i n gs o f t w a r e ，i tl o o k sf o r r e a s o n a b l ec o m b i n a t i o na n dg o o dd a t ap r o c e s sm e t h o dt op r o c e s sd o tc j o u d sa n d e s t a b l i s hd i g i t a lm o d e lo fc a rb o d y p a r t i c u l a rc o u r s ei st op r o c e s sd o tc l o u d so fc a rb o d ys c a n e di nf i r s tp e r i o dw i t h p r o t e s s i o n a lr e v e r s ee n g i n e e r i n gs o f t w a r e ，t h e nr e c o n s t r u c tt h ed i g i t a lm o d e lo f c a r b o d yw i t hm a p l ef o r w a r de n g i n e e r i n gs o f t w a r e i td i s c u s s e st h ec o n t i n u i t yo fc a r b o d ys u r t h c e a n da n a l y s e s 、s u mu pp r e s e n ts u r f a c es m o o t h n e s s a l g o r i t h m i t i n t r o d u c e sa n da n a l y s e st e s ta n de v a l u a t em e t h o da f t e rs u r f a c ei sr e c o n s 打u c t e da n d r e v e r s ee n g i n e e r i n ge q u i p m e n t s 、s o f t w a r ea n da p p l i c a t i o nm e t h o da n dp r o c e s s t e c h n i q u e c o m b i n e dw i t ha p p l i c a t i o nc h a r a c t e ro fr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，u t i l i z i n g c o m p u t e rt e c h n o l o g y , ib u i l tap r a c t i c a lc o n c u r r e n td e s i g n i n gp l a t f o r m ，a c c e l e r a t i n g t h ep r o c e s so fa u t o m o b i l e d e s i g n i n g k e yw o r d ：b o d y w o r kd e s i g n i n g ；r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；p r o c e s sd o tc l o u d s ；s u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n ；s u r f a c es m o o t h ； 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期：塑墅：! 苎：望 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：抛彳；欠孑 导师签名：日期：枷分略o 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 自1 8 8 6 年第一辆汽车问世以来，汽车工业己经走过一百多年的历程，今日 汽车不仅仅是普及的交通运输工具，更是一个充满动感造型特点和多姿多彩的 工业艺术品，体现这种美的艺术品载体就是车身，汽车消费者在对汽车高品质 高性能要求的同时，汽车的外观造型也越来越被消费者看重，有时甚至超过了 对前两者的需求。近年来，在美学原理设计和人机工程学的引导下，在快速发 展的c a d c a m 技术的带动下，汽车车身设计已经愈发显得日新月异。汽车车 身最具变化性，车身开发蕴涵多种学科知识，同时车身开发是否成功直接影响 整车的市场前景。现代的逆向工程技术就是迅速提升我们汽车车身研发水平的 重要手段之一，也是消化、吸收先进技术的重要方法之一。 当前，世界各国在经济技术发展中，应用逆向工程消化吸收先进技术经验， 给人们有益的启示。据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，逆向工程 作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高 了生产率。因此研究逆向工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的 提高，具有重大的意义。逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况： ( 1 ) 在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有c a d 模型的情况下，在 对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或c a d 模型，并以此为依据 生成数控加工的n c 代码，加工复制出一个相同的零件。 ( 2 ) 当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程 的方法。比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在 初始设计模型的基础上经过各种性能测试( 如风洞实验等) 建立符合要求的产品 模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这 类零件及反求其模具的依据。 ( 3 ) 在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木 制或泥塑模型来评估设计的美学效果。此外，如电脑仿型、礼品创意开发等都 需用逆向工程的设计方法。 如果从狭义上讲，逆向工程主要指的是现代快速化的反求工程。它起源于 二t 世纪九十年代，主要伴随着现代测量、计算机、现代制造等相关技术发展 起水的。如果没有与此相关技术的发展，逆向工利就没有如此长足的进步，在 武汉理工大学硕士学位论文 这里我们所指的逆向工程技术主要包括快速实物测量技术、快速几何建模、快 速加工技术三方面。 1 2 汽车车身开发方法综述 汽车车身正向工程开发走过了两个历史发展阶段。一是2 0 世纪7 0 年代以 前属于传统的正向开发，二是7 0 年代末至今的计算机辅助设计正向开发。传统 的车身正向开发方法：车身设计开发基本停留在手工阶段，开发过程如图卜l 。 市场调研，形成车 型的整体要求 制作1 ：1 油泥模型 绘制结构和模型图 纸并进行结构分析 反复修改 制作效果图 评选最优效果 制作1 ：5 油泥模型 制作样车进行各种试 验，定型后批量生产 图1 - 1 传统正向开发过程 传统正向设计特点：制作模型与制图以手工为主，线图、主模型以及二维 图是模具、夹具制造的依据，通过实车试装来验证设计( 试错) 。这种设计方法 是设计制造精度低、劳动强度大、设计周期长。开发一个车身需3 6 4 8 个月。 由于费用太高，没有大批量的生产规模以及巨大研发费用，无法支撑车身的开 发。在传统设计方法中，车身的整体布局，包括外形曲面构成、色彩、外饰等 在绘制效果图时已基本确定，由模型制作人员根据造型师的效果图制作缩比例 油泥模型，这是一个反复观察与修改的过程，需要造型师、模型制作人员、美 工人员甚至销售人员等的共同参与，因此，对相关人员的素质、经验等要求很 高。 现代的车身正向开发：上世纪7 0 年代以来，随着计算机辅助几何设计和计 算机图形学的迅速发展，车身设计过程中部分或全程引入计算机辅助系统 ( c a d c a m 软件) ，在计算机中构建车身三维数字化模型，以“所见即所得的” 交互方式完善设计方案，是现代车身设计方法的主要特点。现代的车身正向开 发流程总的束晚与传统币向丌发流程相似，但其中应用了大量的计算机辅助技 术。 2 武汉理工大学硕十学位论文 如今开发一辆现代化的轿车，已经远远不是人们所想象的那样，只是从图 样到加工这样一种简单的技术操作流程了。一辆汽车的整套开发流程可以划分 为三个主要部分：一是要开发一辆什么样的车，二是怎样设计这样的车，三是 怎样将设计好的新车型批量制造出来。现代汽车车身设计的基本流程如图1 - 2 所 示。无论是开发全新产品还是只开发新外形和新车身，前期工作都包括：项目 确立开始战略意向决策总布局及主结构几何定型一项目定型及投资 确立。技术层面的车身开发过程是：内外部造型效果图一内外部c a s 模型m - - m 内外部软模型内外部硬模型主体工程设计c a d 工程分析c a e 零件 图的绘制c a d 样车试制。当然，有些阶段是可以并行的，根据分析和试制的 结果，也会有向上改进的步骤。利用虚拟开发技术，在设计阶段，尽可能在制 造样车前，发现问题，解决问题。在产品设计完成后，后期工作包括：批量投 产准备批量投产产品定型批量投产一最终结果。这其中的工作也不是顺序 的，在整个项目规划中都有详细的阶段。 图1 - 2 现代车身设计方法流程图 现代车身正向设计特点：从上述流程图可以看出，现代车身正向设计比车 身传统设计更加复杂，更加精细，其中最大特点应用计算机辅助技术，在造型 阶段应用c a s ( c o m p u t e ra i d e ds t y l i n g 计算机辅助造型) 技术，在模型制作阶段 应用计算机n c ( n u m e r i c a lc o n t r o l 数字化控制) 技术，在总布置及结构设计阶 段采用三维c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 计算机辅助设计) 技术，在设计验证阶 段采用了c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g 计算机辅助工程) 技术以及rp ( r a p i d p r o t o t y p i n g 快速成型) 技术，以! 制造段采 jc a m ( c o m p e e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g 武汉理工大学硕士学位论文 计算机辅助制造) 技术等等。 由于是数字化设计、计算机技术的应用，因此整车开发过程，可以采用 c e ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g 并行工程) 技术。正是这些技术的应用，使得今天的 汽车车身正向开发变得更加复杂，车身产品更具美感与差异化，同时大幅度降 低车身开发周期和开发费用。 我国大部分厂家在车身开发上多采用传统方式，即在车身设计和工艺装备 的设计及制造中，首先塑造汽车外形的油泥模型，然后根据油泥模型制造主样 板、主图板、主模型，再完成汽车的结构设计车身工艺装备的设计与制造，以 主图板、主样板、主模型三者结合作为确定形状和尺寸的依据。由于上述三者 都是实物，制作成本高，周期长，其形状尺寸在开发过程各环节之间的多次移 形传递会造成严重的累积误差，精度无法保证，严重影响了车身的开发。还有 部分厂家在设计过程中，应用了部分c a d c a m 技术，但在产品仿制或面对以 轻手工进行局部修改( 光顺处理) 后的模型和实物样件( 包括用c a d c a m 系统设 计和加工生产的模型) 时，仍用传统的测量技术采集特征线上离散的坐标点，然 后输入计算机，建立c a d 模型的处理步骤，它有以下多方面的技术和工艺上的 限制：测量速度慢，周期长而且精确度难以保证，特别是针对很复杂的曲面， 离散点不能准确地定义它的形状，工程师简单重复劳动工作量巨大。对测绘人 员的要求高，他必须掌握设计的要求和一般c a d c a m 软件对有效处理坐标点 数量的限制。既不能充分发挥c a d c a m 技术和计算机速度的优势，又不能发 挥最新扫描技术，如激光扫描仪等的优势，最终建立的c a d 模型与实际数值偏 差大，质量难以控制。 国外先进汽车制造企业在成熟应用c a d c a m 技术的基础上，还将逆向工 程、并行工程、虚拟制造等先进的技术应用到车身设计制造上面，并设计了一 系列强有力的逆向工程处理和开发工具，用来缩短开发周期和提高设计质量。 日本将逆向工程作为一种设计方法，成功地引入他们的新产品设计中。日本人 应用逆向工程对竞争对手的产品进行改进，以便避开艰苦的原型设计阶段，进 行所谓的再设计过程，就是通过观察和测试某一种产品，对其进行初始化，然 后，拆开产品，逐一分析单个零件的组成、功能，装配公差和制造过程。近年 来，欧美地区设计了一系列强有力的逆向工程处理和丌发工具，用来缩短开发 周期和提高设计质量。 逆向工程不只是简单地重构s a m p l e ，而是要通过各种方法手段去吃透它， 去改进它，去提高它。故广义上的逆向工秤包括形状( 儿何) 反求、工艺反求和 材料反水等诸多方面，进行这止嗨反求的同的，就足要j 亡令理解产品的制造过程， 武汉理工大学硕士学位论文 以这种理解为基础，那么，无论是在系统级别还是在零件级别的设计生产上， 都会产生一种更好的产品。所以说，逆向工程是一项集技术性、开拓性和综合 性于一体的系统工程。 1 3 本课题研究的内容 本文对逆向工程技术和现有c a d c a m 系统的关系以及逆向工程技术系统 进行了详细的介绍，同时也在扫描车身点云数据到建构、检验、修改数字模型 的这一条线上，寻找出一种高效、简便、优质的逆向工程设计方法，依据国内 外提出的曲面光顺理论算法，结合当前逆向工程软件和主流的正向工程软件的 优缺点，寻求软件模块间合理的搭配组合和较好的数据处理方法，更好地的处 理点云数据建立车身的数字模型。为逆向工程在汽车车身设计过程提供了一个 较好的思路，重点介绍和分析了曲面重构后的检测和评价方法。 本文的前面部分对逆向工程问题的研究现状和关键技术问题进行了回顾与 分析，在此基础上，本文提出了基于逆向工程的汽车造型设计方法，研究工作 主要包括以下内容： ( 1 ) 建立逆向工程系统，分析逆向工程系统各组成部分。通过详细叙述逆向 工程工作流程，分析了各部分的关键技术。由此对本文的研究对象和求解过程 进行描述。 ( 2 ) 利用专业逆向工程软件( 如r a p i df o r m 、i m a g e w a r e 等) 对扫描好的车身 点云进行初期数据处理，然后综合利用主流的正向设计软件( 如c a t i a 、u g 等) 不同模块的长处，构造出车身的数字模型。 ( 3 ) 对逆向工程中的曲面建模理论以及车身表面光顺处理问题进行了分析， 对车身外表面的连续性进行探讨，依据国内外提出的曲面光顺算法，进行分析、 归纳和总结。重点介绍和分析了曲面重构后的检测和评价方法。 ( 4 ) 实例验证：通过将正向的商品化u g 软件与专用逆向工程软件i m a g e w a r e 相结合，进行c a d 模型的重建。介绍了实际工作中所采用的逆向工程设备、相 关软件及应用方法和处理技巧。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章逆向工程技术 传统的产品设计过程是在市场调研的基础上，根据功能和用途来设计产品， 得到图纸或c a d 模型，然后根据图纸和c a d 模型制造模具，最终到产品。这 种开发模式被称为“规范模式( p r e s c r i p t i v em o d e l ) ，此类开发工程亦被称为“正 向工程 ( s e q u e n t i a le n g i n e e r i n g ) 。然而，在实际生产中，产品设计者往往面临 的是零件或实物模型，需要根据该零件或实物模型进行复制或仿制加工，或进 行产品的再设计和改进。在仿真开发研究时，若采用传统的方法，则需要大量 人力、物力、财力及时间。而采用逆向工程技术，则可节约产品开发成本，缩 短产品开发周期。 2 1 逆向工程技术简介 近十几年来，随着测量技术、计算机软、硬件技术的发展，有别于传统正 向工程的一门新技术正在蓬勃兴起，这种技术在东南亚工业界已广泛应用，它 就是l 迮( r e v e r s ee n g i n e e r i n g 逆向工程) 技术。 逆向工程又称反求工程，它与传统的设计开发过程存在质的不同。狭义上， 它是指在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有c a d 模型的情况下，利用 三维数字化测量仪( 3 dd i g i t a ls c a n n e r 俗称抄数机) ，测量出s a m p l e ( 且0 零件原形 或者塑造出的模型) 表面的点云数据，传至c a d c a m 系统，进行数据处理，生 成所需要的c a d 模型和设计图纸，并由c a d c a m 系统计算出加工路径，最后 通过c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l 计算机数字控制) 机械加工设备制作模具 生产成品。其另一种批量生产方式则是先用快速成形制造技术( r a p i dp r o t o t y p i n g 快速成形，简称r p ) 将样品模型制作出来，然后再以快速模具( r a p i dt o o l i n g ) 进 行产品量产。“顺向工程和“逆向工程”的基本设计流程如图2 - 1 所示。 逆向工程的理论研究起于2 0 世纪6 0 年代，其广泛应用则是2 0 世纪9 0 年 代随着计算机软、硬件以及计算机图形学等相关技术的成熟而深入开展的。在 东南亚尤其是台湾，在8 0 年代广泛应用逆向工程技术摸拟欧美产品，再给予改 良设计，一度使得台湾的产品在欧美市场上具有很强的竞争力，为台湾经济的 腾飞做出了重要贡献。 传统的逆向工程是利用传统测量技术、采集样件扫描线上离散的坐标点， 输入计算机后手工建立c a d 模i ! ，最后利， j 传统的加工与制造方法进行评估j 6 武汉理工大学硕士学位论文 加工，存在着工作量大、开发设计成本高、开发周期较长而且质量难以保证等 问题。随着计算机技术、快速仿形测量与数据处理技术、曲面重构技术、快速 成型技术等相关理论的发展与兴起，快速逆向工程技术应运而生，并迅速发展 而趋向成熟，逐渐应用到生产实践中。较之于传统的逆向工程技术，它的特点 是速度大大提高，使产品开发周期大为缩短。此技术主要包括以下三方面：快 速仿形测量在满足既定要求( 如功能关系、装配关系、精度要求等) 的条件下， 用三维数字化测量仪器或其他测量系统对模型表面进行三维快速扫描测量，得 到大量的模型表面的离散点云数据；曲面重构技术首先将仿形测量的模型表面 数据进行处理，然后进行曲面拟合，实现模型的曲面重构，并进行修改与优化 设计；快速成型技术利用现代快速成型方法实现c a d 模型的快速加工，并对设 计结果进行评估检验。 图2 - 1 “顺向工程”和“逆向工程”的基本设计流程 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 逆向工程技术在车身设计中的要点 在汽车工业领域的实际应用中，逆向工程技术主要涉及以下几个方面： ( 1 ) 初始概念设计阶段的油泥模型数字化。目前，许多外形设计师还难以直 接用计算机进行设计，而是更倾向于油泥或泡沫塑料造型。另外，尽管计算机 具有越来越逼真的模型上光着色功能，但大型物体，如轿车，还是要做成1 ：1 的实物模型才能鉴定其外观效果。 ( 2 ) 已有零件的复制、新零件的设计、丢失图纸的己有的产品，主要是指产 品的仿型和改型设计。在我国，许多生产制造商收到的是实物，没有原始的数 字模型，而要用于生产就必须去再现原产品的设计意图，这就存在变实物为c a d 模型的问题。另外，由于工艺、材料、美观等方面的原因，人们经常要对相应 的生产模具作局部修改，需要将扫描获取的实物模型数据输入到计算机，利用 逆向工程构造出一个与实物相对应的c a d 模型，然后对该c a d 模型进行修改。 ( 3 ) 逆向工程技术得出数字化模型用于检测，例如检验生产模具、产品的变 形分析以及与初始三维数据的比较。例如覆盖件模具的形状精度验证，通过采 集模具上的数据点，与几何三维数据对比，可对模具质量做出评价。 汽车车身设计是汽车车型设计开发过程中最为基础但也最为关键的一个环 节，车身占整车总成本的1 3 左右，其更新频度高，技术进步快，其外观造型 能够吸引大众的眼球，从而对汽车销售量有极大地影响。在复杂的车身产品开 发程序中，广义的三维造型既是设计工作的起点，又是工程目标的最终体现。 随着新技术的广泛应用，特别是“逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g 简称r e ) 的 迅猛发展，几乎将传统的汽车车身开发周期缩短了三分之一。将该技术应用于 汽车车身造型阶段，它可以快速地提供样品的外形特征，从而能够对其几何外 形进行修改，实现产品的快速改形，加快设计进程，使之满足多样化、个性化、 系列化等方面的需求。 在车身逆向工程开发中，由于首先选择了其它汽车公司的最新产品作为目 标参考样车，将以此车身的基本架构作为不变的对象。但根据特定目标市场及 人群的消费习惯，有必要对参考样车做局部的造型调整与修改，这些工作与全 新车身开发相比存在工作量小、设计难度降低，设计风险小的优点。 参考车身局部改型：在对参考样车与车身做局部选型修改时，必须考虑不 能影响原乍身结构的叮靠性、结构工艺性。尽可能延用原车身的结构分块思想 与联接方式，对于运动部件进行延用，并做出必要分析，这样可以继承原车身 8 武汉理工大学硕士学位论文 的经过市场验证的可靠性与工艺性。 模型样车的测量、扫描：在参考样车定位找正后，并按己确定的造型方案 在局部用油泥做1 ：l 修改、评审通过后，用三坐标测量仪以及激光扫描系统对 改型后的参考样车进行内外表面测量、扫描，获得车身内外表面三维点数据。 参考样车车身拆解及测量扫描：由于参考样车车身是一个装配总成，要获 得所有零部件全面三维信息，必须对样车“进行拆解 ，一方面获得每一个零件 的全面数据，另一方面取得装配( 焊) 工艺过程。测量、扫描数据的处理：由于 车身有些零部件很大，如侧围外板，激光扫描仪不能通过一次定位就可以取得 全部数据，必须多次移位扫描，得到多个文件，把同一零件分多次扫描得到的 文件合成。并将多余的数据除去，这是数据处理工作之一；此外，每个零件的 边缘及孔位信息，用扫描仪无法准确获得，必须靠接触测量获得点文件，将点 文件与扫描得到的“点云式数据合成，这是数据处理工作之- -由于测量点 文件与下一步表面曲面光顺处理软件格式的不一致，为了保证二者有正确对接， 必须对文件格式转换。 车身表面曲面光顺处理及表面制作：经过扫描测量并处理后的文件是每一 个零件的三维点文件，尚不能作为零件的全面数字化信息，尚存在很多缺陷， 必须对其曲面进行光顺处理，使得车身表面达到光滑、顺畅。 车身零部件曲线、曲面重建：在表面光顺及测量点的基础上，根据原有零 件特征，利用基于b e z i e r , b 样条、n u r b s 曲线、曲面理论设计而编制成的三维 曲面建模软件，对零件进行三维设计计算机建模，从获得每一个零件全面的数 字化信息，它可以作为加工的依据。 三维数学模型虚拟装配与检查：不同于正向工程，车身逆向工程中，很多 零件可能由很多工程师同时进行曲面三维重新建模，为了保证这些零部件准确 无误地表达原参考样车的装配( 焊) 关系，必须在计算机对各零部件数学模型进 行虚拟装配，以检查协调各部件、零件之间的关系。 车身逆向工程在设计过程中的关键技术在于两个方面：一方面是实物模型 表面数据获取技术，即三坐标测量技术；另一方面是车身表面光顺处理技术以 及零件的曲面重建技术( 曲面构造技术) 。 2 3 逆向工程的设计方法 逆向工程的实现需要软、硬眄办面的技术的结合。硬件方面，需要能精密 测量、采集半标点的扫描系统。软什方面，需要能对所得点云数据进行处理及 9 武汉理工大学硕士学位论文 曲面重构的软件系统。软硬件两方面技术的飞速发展使获得高质量的c a d 模型 成为可能。在硬件方面，出现了种类繁多的自动测量大面积数据的数字化3 d 测 量仪。在软件方面，也产生了许多各式各样软件，它们可以对大量数字化点进 行处理并生成高质量的曲面。 逆向工程一般可分为四个阶段： ( 1 ) 数据获取 通常采用三坐标测量机( c m m ) 或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面 点的三维坐标值。 ( 2 ) 数据处理 对获取的数据进行一系列数据处理( 如数据拓扑的建立、数据滤波、数据精 简、特征提取与数据分块等) 。对于形状复杂的点云，经过数据处理，将被分割 特征相对单一的的块状点云。按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何 特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。 ( 3 ) 原形c a d 模型的重建 将分割后的三维数据在c a d 系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面 片的求交与拼接等逻辑运算获取零件原形表而的c a d 模型。 ( 4 ) 重建c a d 模型的检验与修正 根据获得的c a d 模型重新测量和加工出样品，来检验重建的c a d 模型是 否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至 达到零件的设计要求。 2 4 逆向工程的硬件需求一数据测量仪 三坐标测量机是近几十年来，随着计算机、机床业的飞速发展而产生的一 种高效高精度的测量仪器。它采用坐标测量的原理，在计算机软件的控制和驱 动下，完成对工件几何尺寸和形位公差的三坐标数据采集。它有机地结合了数 字控制技术，利用了计算机软件技术，采用了先进的位置传感技术和精密机构 技术，并使之完美结合。它顺应了硬件软件化的技术发展方向，使诸如齿轮、 凸轮、涡轮涡杆等以前需要专用检测设备才能完成工件，现在可用通用的三坐 标测量机进行数据采集，结合相应测量、评价软件来实现专业的检测、评价功 能。三坐标测量机是逆向工程理想的数据采集器。 近年来，随着传感技术、控制技术、图像处理和计算机视觉等相关技术的 发展，出现了各种各样的样件表面ji 维数据的获以方法，也即出现各种各样的 0 武汉理工大学硕十学位论文 三坐标测量系统，这些技术及系统对车身逆向工程起到具大推动作用。 数据测量是逆向工程的基础，测得数据的质量事关最终模型质量，测量仪 器的选择将直接影响到整个工程的效率和质量。根据测量探头是否和零件表面 接触，即物体表面三维数据的获取方式，可将测量仪器分为：接触式测量仪和 非接触式测量仪两大类。再根据三维数据测量方法原理的不同，可以将测量仪 进一步细分为以下几种，如图2 2 所示。 2 4 1 接触式测量仪 图2 - 2 测量仪的分类 在非接触式测量系统问世前，硬接触式三坐标测量机( 即c m m c o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e ) 是逆向工程早期必备工具，它是一种机械式的系统，通过探 针直接与被测物体接触，得到三坐标信息。 1 接触式测量仪的原理 接触式测鞋仪的原理：将被测物体置于三坐标机的测量窄间内，可获得被 测物体上各测j _ 的坐标位置，根据这些点的空问坐标值，绛过计算得出被测对 象得几何尺寸、形状和位置。 武汉理t 大学硕士学位论文 2 接触式测量仪的优点 ( 1 ) 准确性及可靠性高。因接触式探头发展已有几十年，其机械结构及电 子信号已相当成熟。 ( 2 ) 与工件的反射性无关。接触式为探头直接接触工件表面，故与工件表 面颜色与曲率关系不大。适合做一般基本几何形状测量，接触式测量头( 或划针) 固定在测量仪上，可用于车身逆向工程中基准的制作，车身坐标系的找正。 ( 3 ) 被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确地测 量出物体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。 3 接触式测量仪的缺点 ( 1 ) 为测量基准点而使用特殊的夹具，会导致较高的测量费用。不同形状 的产品需要不同的夹具，而使成本大幅度增加。 ( 2 ) 探头会因为接触力而磨耗，为保证精度需要经常校正探头的直径。不 当的操作会使探头变形或损坏，也会影响被测物体的表面精度。同时也可能损 伤被测件表面。 ( 3 ) 由于是逐点测量，所以测量速度较慢，效率低。 ( 4 ) 由于其内部元件和测量方式的先天限制，存在着难以克服的静态和动 态误差。 ( 5 ) 一些工件内圆角较小，可能用探头无法测量；对于复杂的三维曲面， 用球头测量曲面修正较困难。 2 4 2 非接触式测量仪 目前在车身逆向工程中所用的非接触式测量头种类一般分为两种，一种为 激光扫描式，一种为c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 取像式加上激光或平行光做标 线。 1 非接触式测量仪的原理 非接触式测量仪的原理：它是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现 象，如声、光、电磁波等，来获取物体表面的三维坐标信息。其中利用光学原 理发展起来的测量方法应用最为广泛，如激光三角形法、投影光栅法、图象分 析法等。它们均采用三角法测量原理。可分为点测量、线测量、面测量三种。 三角法基本测量原理是利用激光投射一亮点或直线条纹于被测物表面，由 于表面起伏及曲度变化，投影条纹依此轮廓位置起伏而扭曲变形，由c c d 相机 拾取激光影像，即可由c c d 内成像付胃及激光光束的角度，以三角几何关系读 武汉理工大学硕七学位论文 出待测点的距离或位置坐标等资料，原理如下图2 - 3 所示，其中p 点为待测物 体上某一点p ( x ，y ，z ) ，p 为在c c d 相机中的成像点以镜头为中心的坐标为 ( 材， ，) ，为相机之焦距，b 是光源中心与相机中心的距离，而秒角则为待测点 与光源中心形成的直线和x 轴所夹的夹角。 三角测量洼 图2 3 三角测量法 一般而言b ，f 与9 为系统的参数值，必须经过详细校正的程序得到，1 4 与1 ， 则为透过c c d 相机取得成像点的像素坐标值，如此即可计算x ，y ，z 坐标值，公 式如下： 在a z 平面上： f l u = x z ( 2 - 1 ) ( 6 4 - x ) z = c o t 0 ( 2 - 2 ) 导出x=bui(fcot0一”)(2-3) 在y z 平面上： f v = z y ( 2 4 ) x y = 甜，( 2 - 5 ) 导出y = b v ( f c o t o 一“)( 2 6 ) z = b f ( f c o t 0 - u ) ( 2 - 7 ) 如此即可获得p 坐标( x ，y ，z ) 分别为 x = b u ( f c o t o - u ) ( 2 8 ) y = b v ( f c o t 0 “) ( 2 - 9 ) z = b f ( f o o t 秒一甜)( 2 1 0 ) 2 非接触测量的几种方法： 武汉理工大学硕+ 学位论文 激光干涉法是通过测量两束相干光的光程差来计算物体的高度分布，测量 精度相当高，但测量范围小，抗干扰能力弱，不适合测量凹凸变化大的复杂曲 面。激光衍射法的情况与干涉法基本相同，激光三角法原理是采用激光作为光 源，照射到被测物体上，利用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 接受漫射光成像点， 根据光源物体表面反射点、成像点之间的三角关系计算出表面反射点的三维坐 标。此方法己经相当成熟，目前已广泛使用。如果采用线光源，激光扫描测量 方法可以达到很高的测量速度。英国3 ds c a n n e r 公司生产的r e v e r s a 激光 扫描头扫描速度达1 5 0 0 0 点秒，精度达到0 0 2 5 m m 。 结构光投影测量法被认为是目前三维形状测量中最好的方法，它的原理是 将具有一定模式的光源，如栅状条投射到物体表面，然后用两个镜头获取不同 角度的图像，通过图像处理的方法得到整幅图像上像数的三维坐标，这种方法 具有速度快、无需运动平台的优点。德国g o m 公司a t o s 光学扫描测量系统可 以在l m i n 内完成一幅包括4 3 0 0 0 0 点的图像测量，精度可达0 0 3 m m 。但存在图 像获取和处理时间长、测量量程短等问题。 莫尔等高线是一种非接触的三维物体形状测量方法，通常采用影像云纹和 扫描云纹获取物体表面等高线，初步解决了三维物体的形状识别问题，但它不 能直接确定物体表面的凹凸变化，且需抽取条纹中心线，进一步处理需插值和 拟合，而使精度降低。 等距离法是利用光线飞行的时间来计算距离，常采用激光和脉冲光束。比 较典型的应用就是电子经纬仪交绘测量法，这种方法测速慢、工作量大，测量 相当困难，但可以测很大的物体。 立体视觉法是采用计算机视觉的原理，采用一个或多个摄像机摄下不同角 度的图像，再确定各点的空间坐标，这种方法在机器人视觉和工业检测中常采 用，测量速度快，但精度很低。 图像法类似于结构光法以图像中点来确定被测物体的空间形态，但它采用 的分析方法并不仅限于投影图案。两幅图像上的标记点或图案的相关分析常用 来确定被测空间点的三维坐标。 层切法：前面介绍的方法均存在“遮挡 问题，而层切法是一种获取物体 内部数据的方法，其思路和层叠生长恰好相反，它是采用铣削的方法将目标物 体一层一层铣丌，在每层上用c c d 像机摄取断层图像，不同高度的图像集合就 组成了物体的三维整体轮廓。该方法的主要问题是速度慢，而且