（车辆工程专业论文）逆向工程技术及其在车身设计方面应用的研究.pdf

扛苏大学工程硕士学位论文 摘要 逆向工程是当前机械行业的一个热点，是实现产品快速制造的一个 重要手段。结合本次开发实践、国内外逆向工程的研究及发展现状，根 据车型车身换型因开发时间紧又无数模图纸等原因，采用逆向工程设计 并取得良好的效果。 本论文首先用逆向工程方法建立车身覆盖件数模及c a d 图纸的方法、 内容、流程及环境，其次研究车身覆盖件逆向工程中关键技术及其理论 依据、影响因素和发展方向，最后研究逆向工程相关计算机软件。 逆向工程设计方法是针对汽车车身造型设计，在设计阶段，设计师 对物体的表达更为注重的是在美学上的表达，而非数据的精确性，所以 上述的设计方法完全能达到设计时的要求，并且同时在设计过程中也保 留了设计师发挥的余地，可以加快设计的进度。 本论文紧跟现代汽车技术发展的趋势，探索出基于逆向工程技术的 汽车车身造型设计的新方法和新思路，并注重理论联系实际，具有很好 的实用价值和应用价值。 关键词：汽车；车身；逆向工程；数据处理技术 扛苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t r e v e r s ee n g i n e e r i n gi sa l la d v a n c e dd e s i g nt e c h n o l o g yu s e dp o p u l a r l yi n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b yc o m b i n i n gp r a c t i c ea n dd e v e l o p m e n t o f r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，w eh a v e g o o de f f e c to na u t o m o b i l eb o d yd e s i g n ，a c c o r d i n gt ol e s st i m ea n dn o d r a w i n g s t h i sp a p e rf i r s t l yb u i l d sa u t o m o b i l eb o d ye n v e i lm o d e l ，m e t h o d s ，c o n t e n t , f l o wa n ds u r r o u n d i n go fc a dd r a w i n g s ，s e c o n d l ys t u d i e sk e yt e c h n o l o g y a n dt h e o r yo fa u t o m o b i l eb o d ye n v e i lb a s e do nr e v e r s ee n g i n e e r i n g , f i n a l l y r e s e a r c h e so nt h es o f t w a r eo f r e v e r s ee n g i n e e r i n g t h er e v e r s ee n g i n e e r i n gm e t h o d o l o g yp r o v i d e db ya u t h o ri sd e s i g n e df o r a u t o m o b i l eb o d yd e s i g na n dw h a ti sc o n c e r n e dw i t hi nt h ev i e wo fad e s i g n e r i st h ef r e es t y l i n gb u tn o tt h ep r e c i s i o n 鹊i nt h eo t h e re n g i n e e r i n gp r o c e s s s ot h em e t h o d o l o g yi ss u i tf o rt h e s en e e d sa n dg i v e sm o r ef l e x i b i l i t yt ot h e s t y l i n gd e s i g n e r s ，t h ew i l lc e r t a i n l ys h o r t e n t h ec o n v e n t i o n a ls t y l i n gp r o c e s s t h i s p a p e rc l o s e l y f o l l o w st h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fm o d e m a u t o m o b i l et e c h n o l o g y , e x p l o r e ss o m en e wm e t h o d sa n di d e ao fa u t o m o b i l e d e s i g nb a s e do nr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dp a y sa t t e n t i o nt oi n t e g r a t et h e o r y w i t hp r a c t i c e ，a n dr e q u i r e sp r a c t i c a la n da p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e ，a u t o m o b i l eb o d y , r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，d a t a 2 学位论文版权使用授权书 y9 6 2 8 2 2 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保留并向国家有 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。本人授权江苏大学可以将 本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 靴敝储雠移旁z 莎 矿 m a xi n c e r m e n t 就是在块内 的各扫描线之间的距离，如图2 3 所示。 初始向量是用于构造一个平 面，以便建立侧头在扫描过程中 图2 3 各扫描线之间的距离 要走的路径。这个剖面可以从i n i t v e c 和e n d v e e ( 图2 4 ) 获得。 每次线扫描与边界的交点( 终点) 便是边界条件存在的地方。这些边 界条件是用来停止每次线扫描的。p c - - d m i s 可以有4 种几何边界类型； 平面( p l a n e ) 、球面( s p h e r e ) 、圆柱面( c y l i n d e r ) 和圆锥面( c o n e ) 。 从p a t c h 列表点击b o u n d a r y 按 钮便可以改变选择。 p l a l l e 一构造一个与剖面在边界正 交的平面。 s p h e 盼一在终点构造一个有特定半 径的球面。 莓点 图2 4 扫描过程中要走的路径 扛苏大学工程硕士学位论文 c y l i n d e r 一在终点构造一个有特定半径的圆柱面。 c o n e 一在终点构造一个有特 - 定锥角的球面。 这些选择使得扫描过程具备 边界( 平面) 更大的灵活性。在选择边界条 件时，最重要的是要考虑应用 图2 5 覆盖件零件上表述示意图 场合、表面形状及工件工差要求的多样性。 根据块扫描的形状和尺寸，还可能有必要理论边界相交的数目。 p c d m i s 需要这个值来决定测头的中心在停止并移动到另一排之前可 与边界相交的次数。例如，假定这个数是3 ，那么p c - d m i s 就会穿过两 次边界并停在第三个上的特征值，在图2 5 的具备平面型边界条件的覆 盖件零件上进行了示意的表述。块扫描的编码大概如下： s e t 2 _ i ? e a r s c a n ，n 虹h e x e c m o d e = n o r m a l , n o m s m o d e = m a s t e r ，c l e a r p l a n e = n o ，s i n g l e p o i n t = n o ，t h i c h n e s s = 0 ，f i n d n o m s = 0 0 0 9 8 s h o w h i t s = y e s ，s h o w a l l p a r a m s = n o d e r i = l i n e ，i n c e = 0 0 5 d e r 2 = l i n e ，i n c e = 0 0 2 h i t r y p e = v e c t o r m e a s s c a n b a s i c s ca n ii n e ，s h o w h i t s = 吖e s ，s h o r a l l b u u u “s = n o h i t v e c t o r , 一0 0 8 1 2 ，- 1 3 9 9 5 0 1 0 8 8 ，0 0 0 5 6 3 7 5 ，0 0 0 3 0 0 9 9 ，0 9 9 9 7 9 6 ， o 江苏大学工程硕士学位论文 一o 0 81 2 ，- 1 3 9 9 5 ，0 1 0 8 8 ，t = 0 扫描前要对对象零件进行光顺处理，选定参考面并设置扫描区域、 边界、截面等( 图2 6 ) ，扫描后得到数据点云。( 图2 7 ) 图2 6 零件照片 图互7 扫描后得到数据点云 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 2 3 数据处理技术 由于车身覆盖件表面积很大，经扫描得到s t l 文件非常大而且可包 含大量错误信息，所以对点云数据的处理十分关键，它的结果将直接影 响后期曲面重构的质量。数据处理包括以下几方面工作：( 1 ) 数据预处 理，如噪音点处理，多视拼合等，增强数据的合理性及完备性。( 2 ) 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。( 3 ) 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。( 4 ) 数据优化，冗余点的处理，压缩不必要的曲面片内 的数据点，减少后期计算量。( 5 ) 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。本文根据给定阂值的方法来说明数据处理的原理。 1 点云数据的过滤处理 给定最小距离阂值，如果点云中扫描线上的一点p i 到其前一点p ， 的距离小于给定的最小距离阈值，则将点p 。过滤掉，如图2 8 所示。 p , 4 m p 挣i 圈2 8 给定阈值的方法的数据处理 2 点云数据的光滑处理 点云数据的光滑处理与点云数据的过滤处理算法不同，过滤处理是 江苏大学工程硕士学位论文 将不满足要求的点删除掉，光滑处理不是去掉坏点而是优化这些点。根 据角度阂值方式，其基本原理是取点云数据中相邻的三个点，然后根据 相邻两点连线的夹角找出不光滑点( 也称为坏点) 然后对其进行光滑处 理。如图2 1 0 所示，如果直线段p i ip i 和p i p i + l 的夹角俚小于给定的角度 阂值，则认为p i 为坏点，并将p i 修改为弦p i i p i + l 的中点m 。如果m p 。 的距离大于给定的容差，则将其修改为线段m p i 上距离p i 为的点。 3 特征点的识别 特征点的识别对于曲面重构过程中的区域分割具有非常重要的意 义。特征点要从大量的点云数据中识别出来，而且要保证精度，这一过 程正体现了数据处理的重要性。这里说明断层扫描数据第一类特征点的 识别方法：假设有扫描线p o ，p l ，p n ，对于点p i ( i = o ，1 ，n ) ，在其左 端选k 个点p 。k + l ，p i - i ( 砭1 ) 利用最小二乘法，求出逼近p m l ， p i - l ，p i 的直线l l ，并设其单位切矢为e l 。再在其右端选k 个点p i + l ， p i + k ( ( k 1 ) ，利用最小二乘法，求出逼近p i ，p i + l ，p i + k 的直线1 2 ， 设其单位切矢为e 2 。令0 i = a r c c o s ( e 1 c 2 ) 则o l 为扫描线在p i 点切矢方 向的角度改变值。若0 。大于一个给定的角度阈值a ，则p 。为第一类特征 点。通常，我们取c t = 5 0 1 5 0 。若取k = l ，则由于误差的影响，而会使许 多具有一定误差的点被错误地识别为特征点。因此，通常取k = 2 4 ；当 取k l 时，特征点附近的e ，值有时也大于阈值c t ，为此，采用如下方 法对得到的特征点进行自动筛选；若连续几个点的0 。值均大于a ，则取 0 。值最大的点p i 作为第一类特征点。这样，在获得了特征点后，就可以 将特征点连成特征线实现点云的区域分割，最后根据分割后的点云重构 1 2 扛苏大学工程硕士学位论文 曲面。 本文使用s u r f a c e r 软件来实现数据处理，它遵循点一曲线一曲面的 原则。点击f i l e o p e n ，打开点云数据文件并对点云进行散乱点去除等数 据处理过程，图2 7 经处理得到图2 9 所示图形。 图2 9 数据处理后的示意图 2 4 曲面拟合及重构技术 2 4 1 曲线、曲面拟合方法及数学模型的选择 曲面拟合基于曲线拟合，一般步骤是：先光顺曲面的纵向曲线，然 后通过新型值点生成横向样条并光顺，重新生成纵向样条曲线并光顺， 直至所有纵向、横向样条曲线都满足光顺准则，最后利用光顺的纵向、 横向样条曲线构造出光顺曲面。曲面拟合的应用理论基础是插值和逼 江苏大学工程硕士学位论文 近。在逆向工程中主要有四种数学曲面模型的拟合方案：一是以b 样条 和n u r b s 曲面为基础的四边域曲面拟合方案；二是以三角b e z i e r 曲面 为基础的三边域曲面拟合方案；三是以平面片逼近方式来拟合曲面物 体；四是用神经网络进行曲面拟合。 基于b 样条及n u r b s 曲面的四边域参数曲面广泛应用于汽车、飞 机、轮船上的曲面零件的拟合及重构，使用b 样条及n u r b s 曲面的突 出优点是：可以精确表示二次规则曲线曲面，从而可用统一的数学形式 表示规划曲面与自由曲面，而其它非有理方法无法做到这一点；在车身 逆向工程中，特别是车身外覆盖件，其测量型值点数据具有规模大、散 乱等特点，而对于单一矩形域内曲面的散乱数据点的曲面拟合问题采用 b 样条曲面拟合有其自身优点；n u r b s 曲面造型功能强，可以对规则 立体曲面、回转体等统一描述，而且所有现行c a d 软件都对它完全支 持。 2 4 2n u r b s 曲面数学模型、计算方法及实现 2 4 2 1n u r b s 曲面的数学形式 n u r b s 的含义为：n o u n i f o r m 各节点间的距离是非均匀的， r a t i o n a l 允许对控制点加权；b - s p l i n eb 样条作为为基函数；n u r b s 曲 面是非均匀有理b 样条双参数曲面，它唯一地由节点矢量、控制网络点、 权值确定，它把2 d 空间中的一个区域映射到3 d 空问中的一个曲面，如 图示2 1 0 所示。 扛苏大学工程硕士学位论文 区域 控制网点 曲面的方程为： w i 。j p i ，j n ，p ( p ) n j ，q ( o s ( p ，v ) 2 1 1 0 0 - o 甄瓦丽面万 1 这里( ，v ) 眇m i n ，u m a x x v m i n ，v m a x 】 其中p i , j 为控制点；晰j 为权；n i ，p ( p ) 是p 方向p 次b 样条基函数； m ，q ( v ) 是v 方向q 次b 样条基函数。由下面的d eb o o r - c o x 递推公 式定义： 酬炉 ：糍戮_ n i ，p ( 炉己瞄+ p u i n i , p ( t 卜己瞄+ p + 1 一u i + ln i + l ，p - 1 ( d ( 2 ) p 方向的次数p ，节点数k u 和控制点数c u ；v 方向的次数q ，节点数k v rk u = c u + p + l 和控制点数c v 满足： l k v = c v + q + l ( 3 ) 即控制网点构成一个( k i t - p 一1 ) x ( k v - q - 1 ) 的矩形数组。 称为重节点。重节点使曲面靠近相应的控制点，可以给每个控制点赋以 权值，以改变控制点对曲面的影响。如果增加某个控制点的权值，则该 控制点对曲面的影响随之增加，其它相邻控制点对曲面的影响随之减 少，这样也可以通过改变权值来改变曲面的形状。曲面的控制因素为 ( 1 ) 在p v 各方向上的非减的节点矢量 u 三( u o ，u 1 ，u k u )u i 薹u + l v = v o ，v l ，v h ) v i 耋v i 十l( 4 ) ( 2 ) 在各方向上曲面的次数p , q ( 3 ) 矩形的控制点集p i j 控制点可以是3 维的，也可以是4 维的它 们的坐标形式分别为( x ，y z ) 和( w x ，w y w z ，w ) 。 2 4 2 3n u r b s 计算过程分析及实现 n u r b s 曲面仅在有p + 1 个斗方向的的基函数和q + 1 个v 方向的的 函数有意义的地方被定义，从式( 2 ) 不难推导出，在区间 - l l i ，u i + l 】上， 只有p + 1 个基函数n i - p ，p ( p ) ，n i - p + l ，p ( “) ，n i ，p ( p ) 不恒为o ；同 样，在区间【v j ，v j + 1 】上，只有q + 1 个基函数n j q , q ( j t ) , n j - - q + l ，q ( d ，h ，q ( d 不恒为o 。因此，在计算过程中可以将曲面分片进行计算，即在使曲面 有定义的子区域中逐片地计算曲面，而子区域 u p ，u p + li x 【v q ，v q + l 】 是使曲面有定义的第一个子区 1 6 扛苏大学工程硕士学位论文 域，所以计算从该区域开始 s ( u ，v ) ：曼曼墨， ，v ) c s ， i 圭段，觋，心，p ( u ) n z ，g ( v ) 研，= 丝芋铲一 ，j n i ，p 0 奶，g ( v ) i 圭忍，觋，心，p o m ，g ( v ) ：生塑坐三 一 ( 6 ) c n 塞，坼，p o m ，g o ) “。 ，坼，p o m ，9 0 ) 式中( p v ) u i ，u i + l 】【v j ，v j + l 】 从式( 6 ) 知，计算s ( p v ) 的关键在于算出基函数n i ，p ( p ) ， n j ，q ( v ) ( ( p v ) u i ，u i + l 】x 【v j ，v j + l 】) 的值。由于在区域 u i ，u i + l 】 【v j ，v j + l 】中至多只有p + 1 个p 次和q + 1 个q 次b 样条非零，故只需算 出此区间上非零b 样条n i p ，p ( p ) ，n i - p + l ，p ( i t ) ，n i ，p ( p ) 和 n j q ，q ( v ) , y j - q + l ，q ( v ) ，n j ，q ( v ) 即可。 下面以计算肛方向上的的基函数n i ，p ( d 为例说明如何计算基函数。 因为在 u i ，u i + l 】中，n i + l ，p ( 渺= 0 ，所以n i ，p ( j 0 仅取决于n i 1 ，p ( d ，而n i i 。p ( d 取决于n i ，v t ( v ) 和n i - l , v l ( “) 。一般地，n i _ k ，p ( 取决于n i - k + l , v l ( v ) 和 n i - k , p - l ( i t ) 。计算过程可表示成下面的关系： n i ，k 一n i i ，k + l - + n i - 2 ，k + 2 _ n i - p ，p 其中k = 0 ，1 ，2 ，p 一1 n i ，n i _ n i ，m + l _ - n l ，p 其中l = i ，i 一1 i - p ，m = i - 1 江苏大学工程硕士学位论文 同样，依此方法可以计算出v 方向的基函数n j q ，q ( v ) 鼬q + l ，q ( v ) ，n j , q ( v ) 。 对于n u r b s 曲面的计算生成，可以在高档工作站上进行，如a p p l o ， s u n ，h p , s g i 和i b m 等。配备相应的c a d c a m 软件，如i - d e a s 和u g 等，来建立c a d c a m 应用系统，操作系统多为u n i x ，随着计算机软 硬件技术的飞速发展，近几年来在微机环境下，也出现了一些基于三维的 c a d c a m 应用软件，如c i m a t r o n ，c a t i a ，u qu - c l i d 、s d r c s u r f a c e r 等，其操作系统可为nt 4 0 ，w i n 9 5 或w i n 9 8 等。 2 4 3 曲面的拼接 如上所述，在每个单一矩形域内用h i u r b s 曲面重构出光顺的曲面 后，还必须对各曲面片进行拼接。曲面拼接要解决边界连续问题，就是 要使相连曲面在边界上具有一阶或二阶几何连续。在汽车覆盖件造型 中，大多数是参数曲面，因此在汽车覆盖件造型中两曲面的拼接就转化 为两参数曲面的几何连续性问题。曲面拼接要求两参数曲面切平面连 续，也就是要两曲面沿它们的公共连接线处具有公共的切平面或公共的 曲面法线。 2 5 本章小结 本章阐述了逆向工程各项工作的流程、内容、方法及理论依据。从 理论上分析了用n u r b s 曲面进行曲面拟合及重构的计算方法、影响因素 及实现方案。并论述了点云数据的处理方法、步骤及原理。简要介绍了 实现曲面拟合及重构的相关设备及软件。 江苏大学工程硕士学位论文 第三章逆向工程技术应用的软硬件环境和标准 逆向工程技术的应用依赖于相应的对象数字化系统、c 觥a m 应用 系统和一些的逆向工程软件模块。为实施逆向工程技术，还需要将各个 部分有机地集成在一起。以下叙述了应用逆向工程技术要遵循的标准、 软硬件的选择、开发和集成、逆向工程具体的应用开发过程等内容。 3 1 测量设备的种类和d s 标准 目前，产品的对象数字化过程中用于测量实体获得测量数据的设备 包括：接触式三坐标测量机c m m ( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e s ) 、激 光扫描仪l b s ( l a s e rb e a ms c a n n i n g 非接触式的) 、x 射线断层摄影装 置i c t ( i n d u s t r i a lc o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 和层析切片影像装置l l c i ( l a y e r - l a y e r c u t t i n g i m a g e ) 。前两者，主要用于测量原型零件的内部几 何参数。也可测量外部几何参数。目前，x 射线断层摄像装置i c t 还比 较昂贵，而且，测量精度有限。但它是目前所拥有的不损坏零件实体而 获得实体内部几何参数的唯一方法。层析切片影像装置l l c i 也可获得 实体内部的几何参数，而且精度较高，但其有一个致命的缺陷：测量后 零件完全被损坏，其实质是将实体内部的几何参数转化为外部几何参 数。对于前两者，因其价格相对便宜，且能适应大多数情况，故应用较 普遍。对于接触式c m m ，按其结构又划分为悬臂式、桥式和龙门式。 对于悬臂式c m m ，惯性小、速度高，垂直度精度低，便于自动装卸。 而桥式或龙门式具有较高的刚度，在垂直方向上有较高的精度，主测大 件。但一般具有较大的惯性，影响了其加减速性能，测量速度一般较低。 扛苏大学工程硕士学位论文 另外，敞开空间小，限制了自动装卸。比较而言，一般机械式c m m 扫 描速度慢，精度高，适用于精确测量。而光学c m m 扫描速度快，精度 低，适用于加工后检测。 对于c m m ，机械制造业已根据c m m _ i ( c o m p u t e rm e a s u r e m a c h i n ei n t e r n a t i o n a l ) 制定了尺寸测量接口规范d m i s ( d i m e n s i o n a l m e a s u r ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) 作为质检信息和尺寸测量的标准，它为 c a d 系统与坐标测量机c m m 提供了双向数据交换的格式，为不同厂商 c a d 系统与c m m 的连接提供了中性的类似于a p i ( a u t o m a t i o n p r o g r a m m e d t o o l s ) 语言的数据接1 ：3 ，其功能为： 1 、可以在c a d 系统上对三维产品模型编制标准d m i s 格式的检测 程序，实现c m m 的自动测量规划。 2 、可以从c m m 系统获取测量数据，并将其转换成d m i s 格式，以 实现在不同的c a d 平台上重建产品模型。 d m i s 的目标是作为一套计算机系统和测量设备之间检测数据双向 通信的标准。实现不同系统和测量设备之间的信息自由传输和有效集成 的环境。其简化的集成环境如图3 1 所示，每个c a d 系统都有一对前、 后处理器，负责将检测规程或监测结果转换为d m i s 格式以及将d m i s 数据格式转化成系统内部的数据格式，从而可以在几个不同的c a d 系 统中的任一个系统上来编写检测规程；检测规程可以在几个不同的d m e ( d i m e n s i o n a lm e a s u r i n ge q u i p m e n t ) 上运行；d m e 可将数据送回到任 一个系统分析，也可将数据送到信息系统中心i s c ( i n f o r m a t i o ns y s t e m c e n t e r ) 进行存储管理。 如 扛苏大学工程硕士学位论文 图3 1d i l l s 标准的应用开发环境 d m i s 有两类基本形式的语言：面向过程的命令语句和面向几何学的 定义语句。过程命令语句由运动语句和机器参数语句以及检测过程本身 所特有的其他语句组成。定义语句则用来描述几何、公差、坐标系统以 及可能包括在c a d 系统数据库中的其他形式的数据。其面向过程的命 令语句包括： f i n p o s o n命令测量设备精确定位机构工作 p r o c o r o n打开测头半径自动补偿功能 m e a s c i r c l e ，f ( f i ) ，n测量以f l 命令的圆，取n 个点上测量值 m e a s g s u r f , f ( s i ) ，n测量曲面，取1 1 个点上的测量值 g o t o 1 0 ，1 7 ，6运动到坐标1 0 ，1 7 ，6 p t m e a s c r a t , 1 0 ，5 0 ，7 0 ，1 ，0 ，0在指定点上取测量值，头三位为坐标值， 后三位为方向向量 m o d e a i r i o自动测量 e n d 征! s命令测量结束 o u t p u t f a ( f 1 ) ，t a ( d 1 )输出圆f 1 和直径d 1 的值 江苏大学工程硕士学位论文 面向几何学的定义语句包括： f ( f i ) = f e a t c i r c l e ，输入一个名为f l 的圆，其圆心在 i n n e r , c a r t i8 ，3 2 ，9 ，1 ，0 ，0 ，3 0( 1 8 ，3 2 ，9 ) ，直径为3 0 。 f a ( fi ) = f e a t c i r c l e ，i n n e r , c a输入一个名为f 1 的圆，其圆心在 r t l 7 9 8 6 ，3 i 9 9 2 ，9 0 1 6 ，1 ，0 ，0 ，2 9 9 8 6( 1 7 9 8 6 ，3 1 9 9 2 ，9 0 1 6 ) ，直径为3 0 。 t ( d 1 ) = t o l d i a m ，- 0 0 1 5 ，0 0 1 0定义一个直径d 1 的上下偏差。 t a ( d i ) = 1 o l d i a m ，0 0 0 7 ，0 0 0 6输出d 1 的实际偏差。 f ( s1 ) = f e a t g s u r f定义一个曲面s 1 。 在本文中，项目实施企业购买的c m m 是德国z e i s s 公司的产品 p r i s m o9 1 2 7h i gv a s t 型三坐标数控测量机，配有灵敏的v a s t 红宝 石探针，其为机械接触式扫描，龙门结构，其特点是刚度高，测量精度 高；其扫描精度可达o 0 0 3 m m ，但扫描速度慢，最高扫描速度为l o o m m 分，扫描点速3 6 0 0 分，三个扫描轴都配备高精度的滚珠丝杆，因而启 动力矩小，响应快，最高运动速度为纵向3 0 0 r a m 分，横向4 0 0 m m 分， 控制主机为h p 7 1 5 6 4 ，测量软件包括测量规则元素的u m e s s 和测量非 规则元素的k u m ，只带厂家早期自定义的格式标准。 3 2 逆向工程技术应用的硬件软件环境 如前所述，逆向工程技术的应用系统依赖于c a d c a m 应用系统和 对象检测系统，但不是将c a d c a m 应用系统和对象检测系统简单的叠 加，而是有机的组合成一个集成应用系统，如图3 2 所示，c m m 自动测 量系统、对象模型重构分析系统和对象加工系统有机的集成在一起，形 扛苏大学工程硕士学位论文 成了一个完整的逆向工程技术集成应用系统。通过网络和企业主服务器 上的数据库管理系统，该应用系统又与c i m s 大环境集成在一起。 根据对象模型重构和分析系统的软硬件环境要求，以及企业软硬件 环境，本论文是在现有的c a d c a e c a m 集成应用系统的硬件组成包括 多台微机、一台服务器、一台工作站和网络设备等，这些设备组成了一 个与企业主干网相连的局域网。在软件配置上，有u n i x 操作系统支持 下的c a d ，c a e c m 集成应用软件u g i i ( 工作站体系) ；和w i n d o w s n t 操作系统支持下的u g i i ( p c 机体系) ，u g i i 是美国e d s 公司开发 的c a d c a m 集成应用软件，在飞机和汽车制造领域的开发应用中积累 了丰富的经验，具有强大的造型、分析和加工模块，是目前较成熟的c a d c a m 系统软件之一。网络软件为w i n d o w sn ts e r v e r4 ，这样就便于构 成一个开发性的集成网络环境。 图3 2 逆向工程集成应用系统网络布置图 江苏大学工程硕士学位论文 为保证c a d 应用程序在不同的软、硬件应用系统之间的可移植性， 并实现不同系统之间的数据交换。c a d c a e c a m 集成应用系统应遵循 一些公共技术标准。 3 3 逆向工程模块的开发 逆向工程技术是建立c a d c a e c 伽垤应用系统基础上的，故逆向工 程模块的开发也应在现有的c 胱a e c m 集成应用软件的基础上。这 样做的优点是： 1 、有利于整个系统的集成。 2 、可以利用c a d c a m 集成软件中成熟的造型、绘图、真实感图形 显示、数控代码生成及有限元前后处理模块等。 本论文根据逆向工程设计应用中数据压缩、自动检测路径规划以及 数据文件转换等需要，编制相应的逆向工程模块。 3 4 逆向工程的具体应用开发过程 根据逆向工程技术应用可以分为四个组成部分( 对象数字化、对象 模型重构、对象分析和对象加工) 来分别阐述各自应用阶段的特点和内 容。 3 4 1 对象数字化 对象数字化的目的就是通过测量设备对原型对象进行测量，获得能 充分表示原型对象几何信息的有效数据点，并对测量所获得的数据进行 分析，使之便于后续的造型和分析工作。因此它包括两部分的工作：原 m 江苏大学工程硕士学位论文 型对象的测量和数据点的分析处理，而分析处理又包括数据的分段和数 据的转换。 对于接触式c m m ，扫描方式一般分为点模式、线模式和区域模式扫 描。点模式即通过人工操作来对特征点进行检测操作，获得特征参数值。 多用于规则参数的测量，如圆心、线长等、线模式即扫描数据的分布是 以线为单位来组织。区域式扫描模式式以区域网格或矩阵来组织数据。 后两者多用于非规则参数的测量，如自由曲线、曲面等。对于这类特征 实体，传统上是按照产品的形状特征，将一个复杂的自由曲面划分若干 个具有拓扑矩形边界的区域，在每个区域内按截面进行测量，然后对获 得的数据进行处理，完成模型重构。 3 4 2 对象模型重构 对象模型重构一般包括四个部分：曲线拟合、曲面重构、曲面延拓、 缝合和曲面修改。在对象模型重构过程中，首先要将获得的采样数据点 进行衄线拟合；其次依据拟合曲线进行蒙面，获得曲面；然后将所有的 曲面缝合剪切后获得重构模型；最后根据分析结果对模型进行修改。 当得到接触点的数据值后，需要对数据点进行光滑和压缩处理。因 为从c m m 测量获得的数据为原始对象几何外型的具体描述，它包括了 零件表面的刀具加工的表面误差、测量面与基准面的相对误差、探头的 测量误差以及零件铸造时的纹理误差等误差。通过c m m 获得的接触点 法矢值，可能由于微观结构的不光滑性，而与该点的拟和曲线上法矢值 比较大的偏差。因而在拟和曲线去除随机误差时只能则对坐标值而不是 2 s 扛苏大学工程硕士学位论文 法矢值。目前对曲线的拟合多采用n u r b s 方法。 3 4 3 对象分析 对象分析一般包括c m m 的数据采样分析、面分析、有限元分析合性 能试验仿真分析。 采样分析指依据采用样本拟合曲面后，分析样本的最大拟合误差。 它是驱动c m m 进行n c 自动测量的判断依据。当最大拟合误差超过允 许的误差限时，则调用曲面分析模块，计算盐面上的补充插值检测值。 查询得到补充插值检测，直到最大拟合误差在规定的允许误差范围内。 这是可以进行后续的模型修改、有限元分析和性能仿真分析等工作。在 对零件进行有限元分析和仿真分析的过程，还要根据分析的结果选择是 否对零件模型重新进行修改，具体的分析流程简图如图3 3 所示： 图3 3 对象分析数据流程简图 从纯几何学角度出发，三坐标测量机探测头的运动轨迹包络面与n c 机床刀具运动轨迹包络面是同一个面，即实际曲面的设计原型。因而， 曲面分析对制定c m m 的n c 布点搜索路径文件和进行n c 补加工都有 很重要的指导意义。 江苏大学工程硕士学位论文 3 4 4 对象加工 曲面的加工是依托在c i m s 大环境中的c a d c a m 子系统下进行的。 计算机辅助制造c a m ( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g ) ，广义上是指利 用计算机辅助完成从原材料到产品的全部制造过程，包括直接制造过程 和间接制造过程。而狭义的c a m 通常是指计算机辅助机械加工，更加 明确的说是指数控) j 口- r 。c a m 的输入是零件的工艺路线和工艺内容， 其输出信息是刀具加工时的运动轨迹( 刀位文件) 和数控程序，从这个 角度来说，c a m 的主要工作包括： 1 、工艺分析和加工参数的设置：根据零件工艺过程编制的工艺文 件，设定工艺的刀具补偿和刀具起点等。 2 、 几何分析得到图形的一些特征参数：分析零件模型，得到模型 的一些特征参数，并将这些参数传递给需要的加工子程序，用 以协助加工的自动完成。 3 、刀位的轨迹生成。 4 、加工仿真：通过加工仿真，可以检验刀位的轨迹，避免刀具和 夹具的干涉，优化刀具行程路径等。 5 、后置处理：产生数控机床的数控程序。 c a m 的工作流程简图如图3 4 所示。 扛苏大学工程硕士学位论文 3 5 本章小结 图3 4c a b 工作流程简图 本章阐述了逆向工程技术的应用依赖于相应的对象数字化系统、 c a d c a m 应用系统和一些的逆向工程软件模块。简述了应用逆向工程 技术要遵循的标准、软硬件的选择、开发和集成等内容和逆向工程具体 的应用开发过程。 江苏大学工程硕士学位论文 第四章车身零件逆向设计的方案及实现 4 1 零件结构的完善及结构数模的建立 一个零件经第2 章所述的逆向设计后已初步建立基本数模，但还需 对该数模进行进一步完善，如增加工艺缺口、工艺孔、加强筋、设置尺 寸基准、圆角等完善工作，方可形成该零件完整的最终数模，才可以用 作模、夹具加工等生产准备工作。图4 1 为本项目中发动机罩外板零件 最后通过u g 补充、完善所得到的最终三维数模。 图4 1 发动机单外板零件 4 2 本课题逆向工程设计方案及评价 4 2 1 逆向工程设计方案及效果 本课题主要是解决本企业某一改进车型的车身及附件的设计。该车 型的效果图见图4 2 。由于车身外形及结构与现车型相差较大，特别是 2 9 江苏大学工程硕士学位论文 前发动机罩、前大灯、前保险杠、后行李箱门等部位共计6 0 种专用零 件( 其中车身外覆盖件1 4 种) 需要重新设计。由于受投产时间限制( 从 设计、工艺、生产准备到投产仅6 个月) ，所以采用逆向工程设计方法。 图4 2 改进车型的效果图 其设计开发过流程如下： l ：相关专用件的样件的制作： 一般整车逆向工程开发是根据项目开发报告或意向中的某一目标 车型，购买5 台样车( 2 台整车，3 台车身总成) ，其中一台整车总成用 油泥进行修正，光顺后达到设计效果图要求，相当于1 ：1 整车模型； 另1 台作为以后设计、工艺和检查分析的参考；3 台车身总成也保留1 台作为参照物，其余2 台分解拆开到零件状态，用于进行数据扫描和制 造模具、夹具等工艺分析用。 本课题所设计车型由于是本企业基本车型的改型版，所以直接选 用本企业某一车型车身本体总成先进行手工改制，然后用油泥进行修正 3 0 江苏大学工程硕士学位论文 达到效果图要求，逆向扫描所需的相关专用零件直接用相似通用件改 制。 2 样车的定位与调整 车身在扫描测量之前，必须把车身总成用经时效处理的桁架固定在 一平台上，( 如图4 3 所示) 找一些特征点( 如地板前支撑孔，前围、后 围、侧围腰线等) 使用三坐标测量机对车身三个方向进行校准，使车身 处在统一基准的坐标系中。一般来说，车身坐标系按以下方式定义：以 车身地板与大梁连接的下平直表面为x 方向的坐标线，汽车前进的方向 为x 负方向，以前轮中心线为坐标x = o 处；过前轮中心线垂直于车身 对称中心面所划的直线为y 方向的坐标线，左侧为负，以通过前轮中心 线并垂直于x y 平面所划的直线为z 方向的坐标线，向上为正方向。经 校准后的车身样车再用油泥进行修正，以进一步达到设计者要求( 还可避 免与原购参考样车在知识产权上的纠纷) 。 图4 3 车身总成的校准 3 车身总成及零件的扫描 车身总成经校准和固定后可进入数据扫描状态，用三座标测量机 3 l 江苏大学工程硕士学位论文 ( 或激光扫描仪) 对全车身进行扫描测量，扫描顺序是：首先从外表面 开始，扫描所有表面，外表面扫描完成后，拆除外表面所有零件，补充 扫描因外表零件挡住无法扫描的区域。外表面扫描时应确认各处具有相 对运动的零件是否在正确的位置上，如车门、发动机罩等，都要确保它 们在正确的安装位置上。 车身总成外表面扫描完成后，对车身总成进行分解扫描：使用钻枪 打掉车身上所有焊点，把车身上的钣金件逐件拆下来。对拆下来的每个 零件编号，清除表面灰尘、杂质后制作专用定位夹具( 如图4 4 所示) ， 该定位夹具固定在测量平台上要保证零件处在原设计位置，然后把零件 放在定位夹具上夹紧，校准后即可进行数据扫描。 图4 4 零件扫描前的定位及夹紧 因为有一材料厚度的问题，所以每个零件扫描前必须指明扫描表 面，以免以后数据处理出错，一般来说，对外覆盖件，扫描外表面： 内覆盖件或加强件，扫描内表面。 车身总成及所有零件完成扫描后，得到扫描数据( 该数据为s t l 文 3 2 江苏大学工程硕士学位论文 件) ，即可进入数据处理阶段。 4 零件最终数模的建立和产品实现 对扫描获得的每种零件点云数据用s u r f a c e r 软件进行光顺处理，得 到曲线和曲面，再用u g 软件进行曲面重构并补充、完善结构，完成三 维最终结构数模设计。 用三维最终数模直接进行工艺编制、模具夹具设计、n c 机加工编 程等，开展同步工程等后续工作。采用上述设计方法，仅用了不到3 个 月的时间就完成了车身本体总成所有专用件三维数模及结构设计。由于 用三维数模能直接进行工艺设计及模具、夹具等工装设计和制造，所以 基本按计划6 个月完成生产准备工作并进行试生产，用新设计零件生产 的车身本体总成从视觉效果、尺寸测量( 数据略) 和整车试验结果来评 价都比较满意地达到当初设计思想。 4 2 2 产品设计数模的最后检查 评价设计数模的精确度可通过零件检测，整车装配正确性等方法 来评价，但就设计数模本身来说还需进一步作以下检查： ( 1 ) 数据文件的内容有无冗余数据； ( 2 ) 总成中的各零件装配是否合理，各安装面是否正确； ( 3 ) 数模的特征与设计思想是否一致； ( 4 ) 原扫描点云与设计数模是否有较大误差； ( 5 ) 孔位及孔径是否正确，基准设置是否完整、准确； ( 6 ) 有无遗漏特征。 3 3 扛苏大学工程硕士学位论文 4