硕士论文-逆向工程技术在汽车模具开发及检测中的应用研究.pdf

中圉分类号- ：T P 3 9 1 密 级： 单位代号 学号 上海大学域 工学硕士学位论文 l 题l 逆向工程技术在汽车模具i 目l 开发及检测中的应用研究j 作 者_ 一旦一袒垂 学科专业坦焦剑遣区自塾化 导 师鞫鲁皇一 完成日期2 0 0 5 1 上海大学研究生论文用纸 摘要 伴随着C A D ，C 枷C A E 技术在汽车制造业的应用和推广，世界汽车工业得 以迅速发展。近些年，我国汽车工业经过与国外著名汽车设计和制造公司的合作 与交流，设计和制造能力都得到了较大发展。但其中有些关键技术尚未完全掌握， 与国际先进水平有一定差距。汽车外覆盖件和底盘模具的设计和制造就是其中之 一。如何借鉴国外先进设计制造业技术，如何加快传统设备的改造升级，提高我 国制造业的整体水平，是摆在我们面前的一个重要课题。 逆向工程( 反求工程) 设计作为一种新兴的设计方法和手段，在汽车模具设 计和改型方面正发挥着越来越重要的作用。基于逆向工程产品设计的重点在于如 何准确再现原始物体表面的拓扑结构并在此基础上构造出精确的曲面模型，本文 就曲面反求造型和检测中的几个关键技术点云数据网格化、多视数据对齐定 位、教乱数据点曲面重构方法和复杂曲面的检测技术进行了详细的探讨，并根据 基于逆向工程的汽车外覆盖件和底盘曲面建模特点，提出了一些新的概念和算 法。具体包括： 1 介绍了目前国内外先进的测量技术与方法，并对各种方法进行了系统的 比较，得出各自的优缺点和适用范围。结合汽车覆盖件及其模具的特点，总结了 用德国G O M 公司的A T O S 三维光学测量仪获取数据时遇到的问题，并给出了相应 的解决方案。 2 对原始数据点云的平滑、插补、精简、对齐等预处理方法进行了研究。 提出了一种改进的点云精简算法和多视数据对齐算法。精简算法能根据曲面特征 实现三维数据基于特征的自适应精简；多视数据对齐算法在租对齐的情况下实现 数据点云的精确定位。 3 研究了由空间一组散乱点集重构三角网格模型的闯题。给出了零集法在 散乱点云三角网格化中的改进算法。该算法仅需要每个点的空间坐标，而不需要 其他的附加信息如法矢就可以对具有复杂特征的模型进行网格化处理。还研究了 三角网格模型的简化技术，提出了一种可控制简化精度的三角网格模型简化算 法。该简化算法既保留了初始网格的细节特征，又有较大的压缩比例。最后讨论 了两种三网格模型简化误差评估方法占。和厶。 4 讨论了参数曲线曲面以及N U R B S 曲线陷面的概念，提出了N U R B S 曲线的 拟合算法。该算法通过对目标函数的修正及迭代处理，将点云的有理B 样条曲线 拟合问题转化为一单变量的优化问题。从而容易求得控制点的坐标、权值和各测 点对应的参数值，并通过二分法求得最优控制点的数目，以有效地减少测点数据 和N U R B S 蓝面重建。本文还提出了曲面模型精度和光顺性评价方法。 5 研究了基于逆向工程的复杂曲面检测技术。给出了数据点云与C A D 模型 的重定位的I C P 改进算法，该算法在粗定位的基础上有效地解决了不存在绝对对 应关系的数据点集重定位问题，提高了定位精度。根据曲面检测的要求，提出了 点云到曲面最短距离的快速算法，该算法避免了对非线性方程的求解，以提高计 算的稳定性和计算速度，同时提高了计算精度。 关键词：逆向工程曲面重构数据对齐检测点云网格化 第如 上海大学研究生论文用纸 A B S T R A C T 、i m 也ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h eC A D C A M C A Et e c h n o l o g y , t h ew o r l da u t o m o t i v ei n d u s t r yh a sb e i n gm a d eg r e a tp r o g r e s si nr e c e n ty e a r s T h r o u g ht h ec o r p o r a t i o na n dc o u n n u n i c a t i o nw i t ho v e r s e a sa u t o m o t i v eg i a n t s ，t h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r ea b i l i t yo fo u rc o u n t r y Sa u t o m o t i v ei n d u s t r yh a sb e i n g a c h i e v e dan e wl e v e l B u ts o m ec r u c i a lt e c h n o l o g yi n c l u d i n gh o wt od e s i g na n d m a n u f a c t u r et h ev e h i c l e Sc o v e t i n gp a r ta n dc h a s s i sh a v es t i l ln o tb e e nm a s t e r e d y e t I t Sa ni m p o r t a n tt a s kf o rU St or e s o l v et h eq u e s t i o no fh o wt or e f e rt ot h e d e v e l o p e dc o u n t r y Sa d v a n c e dd e s i g na n dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y , h o wt os p e c d u pt h ea l t e r a t i o na n du p g r a d i n go fo u rt r a d i t i o n a le q u i p m e n t s ，a n dh o w t oi m p r o v e t h el e v e lo fo u rc o u n t r y Sm a n u f a c t u r ea b i l i t ya saw h o l e A so n eo ft h en e w l ya d v a n c e dd e s i g n i n gm e t h o d ，R e v e r s eE n g i n e e r i n g ( R E ) i sp l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to f3 Dm e a s u r i n g t e c h n o l o g y T a k i n gO U rc o u n 缸 y Sc u r r e n tc o v e r i n gp a r td e s i g na n dm a n u f a c t u r e a b i l i t yi n t oa c c o u n t ，i ti sn e c e s s a r yf o rU St oi m p r o v eO U ra b i l i t y , S Ot h a tw ec a r l d e s i g ni tb yo u r s e l v e sa tl a s t n l ek e yp o i n to f t h ec o v e r i n gp a r td e s i g na n dc h a s s i s b a s e do nR Ei se x a c t l yc a p t u r i n gt h eo b j e c t St o p o l o g ya n dp r e c i s e l ym o d e l i n gi t s s u r f a c e I nt h i se s s a y , I dl i k et od i s c u s ss e v e r a ld i f f i c u l ta n dc r u c i a lt e c h n o l o g yi n m o d e l i n gs u r f a c eb a s e do nR Ei nd e t a i l ：r e c o n s t r u c tm a n i f o l dm e s ht oc a p t u r et h e o b j e c t St o p o l o g yf r o mp o 砒c l o u d ，r e p o s i t i o nt h ep o i n tc l o u d ，c o n s t r u c tt h e s u r f a c ef r o mt h es c a r e rp o i n t sa n dt e s tt h ec o m p l i c a t e ds u r f a c e s T h em a i nt a s k s a r ea sf o l l o w s ： 1 、A n a l y z i n gd i f f e r e n tm e a s u r em e t h o d sa n df o c u s i n go nt h ei n t r o d u c t i o no f t h e w o r k i n gt h e o r yo f A T O Sa n dp r o v i d i n gt h ec l o u dp o i n t so f t h ef r o n tb u m p e ro f am i n i - s i z ec a r ( S a n t a n a2 0 0 0 ) m e a s u r e db yi t 2 、S t u d y i n gt h ed a t a - p r o c e s sm e t h o d ss u c ha sr e d u c i n g ，s m o o t h i n g ，f i l l i n ga n d r e p o s i t i o n i n go ft h ep o i n tc l o u dw h i c hi si n t e g r a t e df r o mm u l t i p l ev i e w s P r e s e n t i n gar e d u c t i o na l g o r i t h mo fp o i n t sb y3 - Dn o n - u n i f o r mg r i d A l s o g i v i n gar e p o s i t i o na l g o r i t h mh o wt oa c c u r a t e l yr e p o s i t i o na c l o u db a s e do n t h ec r u d er e p o s i t i o n 3 、D i s c u s s i n gh o wt or e c o n s t r u c tm a n i f o l dm e s hf r o mp o i n tc l o u d P r e s e n t i n ga i m p r o v i n ga l g o r i t h mh o w t om e s hap o i n tc l o u d O n l yt h ec o o r d i n a t ev a l u eo f e v e r yp o i n ta n dn oo t h e ri n f o r m a t i o ns u c ha sv e c t o ri sg i v e n , t h ea l g o r i t h m c o u l dm e s ht h eP O h a tc l o u dw h i c hh a sm a n yc o m p l i c a t e dc h a r a c t e r s M e s h s i m p l i f i c a t i o nt e c h n o l o g y i ss t u d i e di nd e t a i l A na l g o r i t h mf o rm e s h s i m p l i f i c a t i o nw i t hb o u n d e de r r o ri sp u tf o r w a r d 1 1 埔a l g o r i t h n lc o u l dm a k e t h es i m p l i f i e dm e s hk e e pt h em o s tc h a r a c t e ro fo r i g i n a lm e s hw i t hg r e a t c o m p r e s sr a t i o I nt h ee n d ，t h et w ow a y st o e v a l u a t ee r r o r sb e t w e e nt w o m e s h e si Ss t u d l e d 4 、D i s c u s s i n gt h ec o n c e p t so f p a r a m e t e rc u r v e s u r f a c ea n d 州球B Sc u r v e s u r f a c e ， p r e s e n t i n ga na l g o r i t h mh o w t oa p p r o x i m a maN U R B Sc u r v ef r o mp o i n tc l o u d 第H 页 上海大学研究生论文用纸 T h ep m b l e mw h i c hm e a s u r e m e n td a t aw e r ef i t t e dw i t hB s p l i n ec u r v ec o n v e r t i n t oao p t i m i z e do n ew i t l las i n g l e p a r a m e t e ra f t e rm o d i f y i n go b j e c t i v e f u n c t i o na n di t e m t i v em e t h o d T h u st h ec o o r d i n a t ev a l u ea n dr i g h tv a l u eo f c o n t r o lp o i n t ，c o r r e s p o n d i n gv a l u eo fe v e r ym e 勰w e m e n tp O i ma n dt h e o p t i m i z e dn u m b e ro fc o n t r o lp o i n t sa r ea l lc o m p u t e d ，a n dt h en u m b e ro f m e a s u r e m e mp o i n t sa r er e d u c e de f f e c t i v e l y A l s op r e s e n t i n gt h ew a y st o e v a l u a t eC r r O r sa n ds m o o t h n e s so fs u r f a c e s 5 、S m d y i n gt h et e s tt e c h n o l o g Y o fc o m p l i c a t e ds u r f a c e sb a s e do nr e v e r s e e n g i n e e r i n g P r e s e m i n ga ni m p r o v i n gI C Pa l g o r i t h m h o wt O r e p o s i t i o n b e t w e e nt h ep o i n tc l o u da n dC A Dm o d d B a s e do nc r u d er e p o s i t i o n ，t h e a l g o r i t h mc o u l dr e p o s i t i o na c c u r a t e l yt h ep o i n tc l o u d s w h i c hh a v en o t a b s o l u t e l yc o r r e s P o n d i n gc o n n e c t i o n ，a n di tc o u l di m p r o v et h er e p o s i t i o n p r e c i s i o n I no r d e rt Oa v o i dc o m p u t en o n l i n e a r i t ye q u a t i o n s ，p r e s e n t i n ga q u i c ka l g o r i t h mh o wt oc o m p m eas h o r t e s td i s t a n c eb e t w e e nt h ep o i n tc l o u d a n ds u r f a c e s ，w h i c hc o u l di n c r e a s et h ec o m p u t i n gs t a b i l i t ya n ds p e e d ，a n d i m p r o v et h ec o m p u t i n gp r e c i s i o n K e yW o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n , r e p o s m o n , t e s t i n g ，p o i n t c l o u dm e s h 第m 页 上海大学研究生论文用纸 原创性声明 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。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名： 本论文使用授权说明 日期尘堡：! ：! 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送 交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全都或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：邋导师签名：狴鎏隰 上海大学研究生论文用纸 I I 逆向工程及其应用 第一章绪论 在诸如航空、汽车、模具等工业生产中，如何获得包含先进技术的高质量产 品，一直是工程师追求的目标。这些产品，特别是其外覆盖件大多美学和精度要 求较高，且具有复杂的几何特征。如果用传统的C A D 方法直接在计算机中完成对 产品的几何特征的构造难以实现。因此，在实际生产中，往往是以制件模型( 如 油泥或黏土模型) 或经手工修改后的其它样件为设计原型，然后通过一定途径将 实物样件转化为C A D 模型，以期利用计算机辅助制造、快速原型制造工具、产品 数据管理( P D M ) 、及计算机集成制造系统( C l M S ) 等先进技术对其进行处理或管 理。目前，这种与从实物样件获取产品数学模型相关的技术，已发展为c A D c A M 系统中一个相对独立的范畴，即“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 ) ， 或称反向工程、反求工程等。 逆向工程设计与传统的产品设计方式的最大不同是：传统的产品实现通常是 从概念设计到设计C A D 模型或图纸，再制造出产品，而产品的逆向工程是根据零 件( 或原型) 生成C A D 模型，再制造产品。逆向工程起源于精密测量和质量检验。 在其产生和发展过程中，由于出发点、侧重点以及应用场合等方面的不同，在不 同的文献中有不同的定义。参见文献”“。1 。一般地说，逆向工程是以先进产品 设备的实物、软件( 包括图纸、程序、技术文件等) 或影像( 图像、照片等) 作 为研究对象，应用现代设计方法学原理、生产工程学、材料学和有关专业知识进 行系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品的 一种工程设计方法“1 。广义的逆向工程包括形状( 几何) 反求、工艺反求和材料 反求等诸多方面。目前，大多数有关“逆向工程”问题的研究都集中在几何形状， 即重建产品实物的C A D 模型方面。在这一意义下，“逆向工程”可定义为：“逆向 工程”是从实物提取相关信息来建构C A D 模型的数字化技术和几何模型重建技术 的总称。因此，或许计算机辅助反求几何建模是这一概念更为准确的表述，本文 所指的逆向工程即指这一概念。 逆向工程技术是消化、吸收先进技术，进行新产品开发、设计、创新的重要 技术手段。对于具有复杂曲面外形的零部件，逆向工程更成为主要的设计方式。 如汽车、摩托车的外形覆盖件，通常由造型师制作l ：l 的木或陶土模型，然后 将测量表面数据输入计算机进行造型、修改、完善，最后经C A M 完成模具图l 一1 是逆向工程的工作流程图。 逆向工程技术从已有产品或实物样件出发，通过扫描、重构建立其C A D 模型， 然后在此基础上进行产品再造型和再设计，可以有效地节省开发时间，借鉴别国 或他人成功的经验和设计。这对于一些发展中国家来说有其重要意义，不仅可以 学习借鉴发达国家的成功设计经验，更能有效地将自己的设计思想融入产品再设 计中，提高自己的设计开发能力。 逆向工程技术在生产实践中具有广泛的需求。概括起来，可以有以下方面“1 ： ( 1 ) 目前，许多外形设计师还难以直接用计算机进行某些物体( 如复杂的艺术造 型、人体和其他动植物外形等) 的三维几何设计。在进行这些产品设计时，更倾 第l 页 上海大学研究生论文用纸 向于用黏土、木材或泡沫塑料进行初始外形设计，然后通过逆向工程将实物模型 转化为三维C A D 模型。 ( 2 ) 由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，人们经常要对已有的构件做局 部修改。在原始设计没有三维C A D 模型的情况下，若能将实物构件通过数据测量 与处理，产生与实际相符的C A D 模型，对C A D 模型进行修改以后再进行加工，将 显著提高生产效率。因此，逆向工程在改型设计方面可以发挥不可替代的作用。 ( 3 ) 以已有产品为基准点进行设计( b e n c h m a r k i n g ) 已经成为当今的一条设计 理念。目前，我国在设计制造方面距发达国家还有一定的差距，利用逆向工程技 术可以充分吸收国外先进的设计制造成果，使我国的产品设计立于更高的起点， 同时加速某些产品的国产化速度。 ( 4 ) 某些关键大型设备，如航空发动机、汽轮机组等，常会因为某一零部件的 损坏而停止运行，通过逆向工程手段，可以快速生产这些零部件的替代件，从而 提高设备的利用率和使用寿命。 ( 5 ) 借助于层析x 射线摄影法( c T 技术) ，逆向工程不仅可以产生物体的外部形 态，而且可以快速发现、度量、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探 伤的重要手段。 ( 6 ) 利用逆向工程手段，可以方便她产生基于模型的计算机视觉。 ( 7 ) 通过实物模型产生其C A D 模型，可以使产品设计充分利用C A D 技术的优势， 并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。 图1 1 典型逆向工程流程图 第2 页 上海大学研究生论文用纸 1 2 逆向工程相关技术 逆向工程( R e v e r s eE n g i n e e r i n g ) 是与传统的设计过程完全不同的设计方式。 通常的做法是用特定的测量设备从待建曲面上测取一系列的离散数据点并将其 输入计算机，再从这些样点出发，经过相应处理，完成实物表面的重构。这样一 个曲面重建的问题，用数学术语描述为： 给定一张( 或多张分离的) 光滑且不交的曲面x 上的一个采样点集p _ - - x ， x ：，x 。) c R 3 ，求做一张( 或多张分离的) 曲面S ，以近似地再现X 。 实现这一过程涉及很多相关技术，主要包括：数据测量技术，三角剖分与拓 扑重建技术、网络优化与简化技术、曲面造型与几何重建技术。拓扑重建与几何 重建技术是其中两大关键技术“。 实物表面数据测量是指：采用某种测量方法和测量设备测出实物各表面的若 干组点的几何坐标。根据测量设备的测量头不同，通常将测量方法分为：接触式 测量法和非接触式测量法。激光三角法和投影光栅法是两种典型的非接触测量 法。三坐标测量机( C 删) 是典型的接触式测量法。非接触式测量响应时间短， 测量范围大。接触式测量速度慢，但测量精度高。可测性( a c c e s s i b i l i t y ) 和 阻碍( o c c l u s i o n ) 是非接触测量法遇到的主要问题。由于零件的几何结构及拓扑 干扰的原因，部分区域的扫描数据不容易测到，即发生测量干涉现象。通常采取 多次扫描来解决，但在某种测量方法下，可测性是有限的，一些数据仍然不能完 全获取，如通孔的数据。因为后面更高层次的几何处理，如特征边界的提取，特 征拓扑重建，特征的定位和定向等都可能要从错失数据处提取信息。所以有时， 我们需要对错失的这些数据进行修补。 为了获得原样件的形状，通过多次扫描处理的数字化点需要被拼合在一起。 这些数字化点拼合的结果一般为散乱数据点云。根据测头和扫描过程的不同拼合 方法也不同。也可对每次测量结果先进行三角网络化再拼合。为了能快速高效获 得高精度的测量点，测量前还需要进行测量规划，使测量路径更合理。 三角剖分与拓扑重建是一对密切相关的概念。一方面，拓扑重建技术往往要 用到三角剖分技术；另一方面，当采用三角形网络时，拓扑重建的结果表现为曲 面三角剖分。拓扑重建作为曲面重建的第一步，其任务是重建各样点之间的拓扑 关系，重建结果为一张( 或多张分离的) 与原曲面拓扑等价的多边形分段线性曲 面( 有称多边形网络) 。由于三角形是最简单的多边形，它比其它形式更稳定， 更能灵活反映实际曲面复杂的形貌，对复杂边界也能很好地表达，适用于任意分 布的散乱数据点集，同时任意多边形均可分解为若干三角形，所以曲面重建中最 常采用的网络就是三角形网络。从剖分对象的维数来看，三角剖分问题可分为平 面三角剖分，空间三角剖分以及高维三角剖分。如果剖分对象为分布在曲面上的 点集，并且剖分的结果为贴近曲面的与原曲面拓扑等价的三角形分段线性曲面， 则称为曲面点集的三角剖分。现在比较流行的方法是D e l a u n a y 三角剖分和基于 网格前沿法的空间曲面直接划分。后者需要解决孔域问题。 网络优化。不同的点云网络化方法产生不同的形状表达结果。三角网络优化 是指通过对从拓扑重建生成原始网络硪进行调整，在保持拓扑不变和几何精度许 可的前提下，使得到的网络M 中出现尽量少的尖锐三角形，即在整个网络中所有 三角形最小内角之和最大，并使网络的整体形状最优，为后续处理提供便利。面 第3 页 上海大学研究生论文用纸 对日益提高的样点采集技术，以及随之而来的样点规模的日益增大，网络优化也 已成为一个研究热点。除了D e l a u n a y 三角划分能保证划分得到的三角网格局部 几何形状最优外，通过其它划分方法得到的网络都需要根据优化准则进行优化。 目前三角网络优化的准则有：T h i e s s e n 区域准则、圆准则、最小内角最大化准 则、球面准则、A B N 准则、P L C 准则等。 曲面造型与几何重建。通过线性插值数据点形成一个三角网络来粗略表达原 样件的形状，可以用于进行碰撞检测，计算机图形学，和三维动画显示。但仅仅 用它来表示逆向工程中的光滑曲面是不够的。因为它是用一些法矢不连续三角平 面来表示曲面，只是一种近似粗略的表示。对逆向工程来讲还需要采用合理的几 何重建方法建立实物曲面的精确表示。几何重建可以看成是一种特别的曲面造型 技术，口从多边形网络出发构造插值或逼近的光滑曲面的造型技术。为了获得精 确紧密的光滑曲面模型，可以用分片光滑的B 样条曲面( 其内部通常是2 阶连续) 来表示。因为B 样条曲面的内部的光滑连续性，很难表示曲率不连续的几何形状。 因此通常需要将数据点进行分片划分，每片内部保持曲率连续。因此根据待求 曲面功能特征来进行数据点的划分，对构造整体连续的精确曲面模型具有重要意 义。目前，对复杂曲面重建的研究主要可归结为三种方法”1 ：一类是建立有众多 小三角面片构成的网络曲面模型；第二类是以多面体方式来描述曲面模型：第三 类基于四边域参数曲面的重构方案。对曲面进行分片拟合后，还要采用相应的技 术对曲面进行拼接，调整，获得整体连续的曲面形状。图1 2 表示了运用逆向 工程相关技术建立实物C A D 模型的各阶段示意图。图( a ) 是通过测量设备测得的 三维数据点云。图( b ) 是点云三角网络化的结果。图( c ) 是根据特征进行数据划分 得到的结果。图( d ) 表示模型重建的结果。 图1 2逆向工程模型建构阶段示意图 目前在理论研究方面，“智能化”是当前逆向工程建模方法的重点。这里的 智能化主要体现在这样一些方面：对散乱测量数据点、多视和补测数据点的几何、 拓扑关系的自动确定；结合视觉理解方法，用高层次的几何模型和认识推理机制 来指导对测量数据云中包含的几何特征的智能提取，从而达到按设计意图对区域 进行合理分割效果：自适应的数据采样、网络划分方法，具有更合理的曲面延展、 相交、过渡能力；重建模型实现参数化、变量化表达，方便设计的编辑、修改， 第4 页 上海大学研究生论文用纸 达到改进及创新设计。本文在进行系统设计时，在前人的基础上对茁面反i 西话 能化进行了有意的探索，并在相应的功能模块给出了部分实现。 1 3 论文研究的目的及其意义 汽车底盘模具和外覆盖件作为汽车模具中重要模具之一，因其开发难度大、 生产周期长，且经常需换型、改型，所以是制约汽车工业发展的瓶颈。汽车覆盖 件的外形特点是形状复杂，且多为自由曲面，很难用一解析式来表达，不适于借 助C A D 造型系统直接构型。传统的做法是要造型设计师、工程技术人员及技术工 人通力合作，首先建立产品立体模型，然后经过无数次试模和修模，甚至重新开 模来达到设计要求，最后采用传统的生产方式制作生产模具来完成产品的生产。 这种生产方式设计精度低，消耗大量的劳动和时间，特别是在制作的过程中没有 获得产品的数字化模型，如需对产品进行局部修改，可能要重新制作实物立体模 型，这样严重地妨碍产品的更新换代能力，增加了产品设计和开发费用，影响产 品的市场竞争力。传统的车身设计和开发的流程可用图1 3 来表示。 而采用计算机辅助的逆向方法来完成汽车外覆盖件设计可充分克服以上缺 点，其进行设计和开发的流程图如图l 一4 所示。 制定设计任务书 上 绘制缩小的车身总 上 l 绘制缩小的油泥模型 上 l 制作l ：1 油泥模型 上 l 绘制车身主板图 上 l 绘制车身工作图 上 制作主模型 0 模具设计和制造 生产准备 图1 - 3 传统的车身设计和开发的流程 I 缩小比倒的油泥模型 0 I 制作I ：l 油泥摸型 上 I 三维扫描 工 l 数据处理与曲面拟台 上 1 曲面分析与整体评价 I 上 I 整体产品组设计分析与评价 上 I 最终c A D 模型 I 模具设计和制造 图1 - 4 逆向方法进行汽车外覆 盖件设计的流程图 第5 页 上海大学研究生论文用纸 采用C A D C A M 技术来完成汽车底盘模具和外覆盖件模具的开发有传统设计 方法无法比拟的优点，主要表现在： ( 1 ) 提高了设计精度：造型一旦完成，建立了车身外表面的数学模型和底盘模 型并存入数据库，经计算机管理便可以多方共享，为生产准备、工装设计 制造提供方便、详细、准确的原始依据，消除了中间数据的转换，使模具 加工的精度大大提高，并可消除凹凸模之间的研配，使调试、修改的工作 量大为减少。 ( 2 ) 提高了设计和a n t 效率，缩短了设计和制造周期：一方面表面数学模型可 直接用来进行冲模设计，提高冲模设计的成功率，另一方面模具的制造可 以通过直接引用C A D 模型进行数控加工，从而大大提高了模具制造的速 度。 ( 3 ) 可以方便地将造型结果的C A D 数学模型用于车身设计中的各种分析：建立 了车身的C A D 数学模型后，即可用于车身的强度、刚度有限元分析、车身 覆盖件成形模拟和空气动力特性模拟，获得对整个车身设计的刚度，车身 安全性，整车空气动力特性的初始评定，使设计的可信度大为提高。有了 这样一个基础。一般只需要试制一轮样车作为验证，产品即可定型。 ( 4 ) 在原设计基础上改型和换型比较容易。 逆向工程( R E ) 技术的逐步发展和完善，带动汽车覆盖件造型技术上升到新 的高度，在充分考虑空气动力学和美学要求后，赋予汽车外观浓郁的时代感，表 面更加光滑、美观。可以说逆向工程技术的出现对现代汽车工业的腾飞起了巨大 的推动作用。 国际上，以汽车工业作为支柱产业的美国、日本、德国、意大利等在上世纪 8 0 年代初就普遍采用了c A D c A E c A M 技术进行车身覆盖件模具设计和制造。并 取得了明显的经济效益。在德国，新型R I V A G E 的开发，由于采用逆向工程技术， 从开发到真车上路只用了7 个月时间。国内的主要汽车生产商和模具制造商也 正在其产品设计和开发中尝试采用逆向工程技术。 无论是国外还是国内，汽车覆盖件设计是整车设计的关键所在。对国内的汽 车制造商来说，更是一道难以解决的瓶颈问题。现关键设备和技术基本全靠从国 外进口。因此，如何尽快消化吸收国外先进技术，并提升我国汽车工业的整体制 造水平是摆在我们面前的一个重要课题。另外，国内外现有的逆向工程应用软件， 多为通用软件，还没有针对汽车外覆盖件特点开发的设计平台。这些通用软件采 用的算法缺乏针对性，在进行汽车模具开发时难以达到理想的效果。例如，覆盖 件多为自由曲面之间的过渡，用交互的方法就很难把握其特征。且这些通用软件 价格也都比较昂贵。因此，有必要研究汽车覆盖件模具特有的造型理论和方法， 开发专门针对覆盖件的反求系统。 1 4 课题来源与论文结构 本课题来源于上海汇众汽车有限公司轿车模具数字化开发项目和上海大 众汽车有限公司( S A N 2 0 0 0 轿车模具数据化开发项目。我们在与上海汇众汽车 有限公司和上海大众汽车有限公司合作进行汽车模具数字化改造和开发的过程 中，对如何从原模具样件获得高质量散乱数据点云、反映原样件拓扑结构的流形 网络重建、网络优化、喵面重建和曲面的检测以及坐标整合进行了较深入的研究， 第6 页 上海大学研究生论文用纸 采用C A D C A M 技术来完成汽车底盘模具和外覆盖件横具的开发有传统设计 方法无法比拟的优点，主要表现在： ( 1 ) 提高了设计精度：造型一旦完成，建立了车身外表面的数学模型和底盘模 型并存入数据库。经计算机管理便可以多方共享，为生产准备、工装设计 制造提供方便、详细、准确的原始依据，消除了中间数据的转换，使模具 加工的精度大大提高，并可消除凹凸模之间的研配，使调试、修改的工作 量大为减少。 ( 2 ) 提高了设计和加工效率，缩短了设计和制造周期：方面表面数学模型可 直接用来进行冲模设计，提高冲模设计的成功率，另一方面模具的制造可 以通过直接引用C A D 模型进行数控加工，从而大大提高了模具制造的速 度。 ( 3 ) 可以方便地将造型结果的C A D 数学模型用于车身设计中的各种分析；建立 了车身的C A D 数学模型后，即可用于车身的强度、刚度有限元分析、车身 覆盖件成形模拟和空气动力特性模拟，获得对整个车身设计的刚度，车身 安全性，整车空气动力特性的初始评定，使设计的可信度大为提高。有了 这样一个基础一般只需要试制一轮样车作为验证，产品即可定型。 ( 4 ) 在原设计基础上改型和换型比较容易。 逆向工程( R E ) 技术的逐步发展和完善，带动汽车覆盖件造型技术上升到新 的高度，在充分考虑空气动力学和美学要求后，赋予汽车外观浓郁的时代感，表 面更加光滑、美观。可以说逆向工程技术的出现对现代汽车工业的腾飞起了巨大 的推动作用。 国际上，以汽车工业作为支柱产业的美国、日本、德国、意大利等在上世纪 8 0 年代初就普遍采用了c A D c A E c 心技术进行车身覆盖件模具设计和制造。并 取得了明显的经济效益。在德国，新型R I V A G E 的开发，由于采用逆向工程技术， 从开发到真车上路只用了7 个月时间“1 。国内的主要汽车生产商和模具制造商也 正在其产品设计和开发中尝试采用逆向工程技术。 无论是国外还是国内，汽车覆盖件设计是整车设计的关键所在。对国内的汽 车制造商来说，更是一道难以解决的瓶颈问题。现关键设备和技术基本全靠从国 外进口。因此，如何尽快消化吸收国外先进技米，并提升我国汽车工业的整体制 造水平是摆在我们面前的一个重要课题。另外，国内外现有的逆向工程应用软件。 多为通用软件，还没有针对汽车外覆盖件特点开发的设计平台。这些通用软件采 用的算法缺乏针对性，在进行汽车模具开发时难以达到理想的效果。例如t 覆盖 件多为自由曲面之间的过渡，用交互的方法就很难把握其特征。且这些遥用软件 价格也都比较昂贵。因此，有必要研究汽车覆盖件模具特有的造型理论和方法， 开发专门针对覆盖件的反求系统。 1 4 课题来源与论文结构 本课题来源于上海汇众汽车有限公司轿车模具数字化开发项目和上海大 众汽车有限公司 S A N 2 0 0 0 轿车模具数据化开发项目。我们在与上海汇众汽车 有限公司和上海大众汽车有限公司合作进行汽车模具数字化改造和开发的过程 中，对如何从原模具样件获得高质量散乱数据点云、反映原样件拓扑结构的流形 网络重建、网络优化、曲面重建和曲面的检测以及坐标整合进行了较深入的研究， 网络重建、网络优化、曲面重建和曲面的检测以及坐标整合进行了较深入的研究， 第5 黄 上海大学研究生论文用纸 针对轿车底盘模具的形状特点，提出了一些新的概念和算法。 主要工作有： 1 、对当前曲面数据采集方法的特点进行了分析；重点阐述了A T O S 三维非接触式 扫描仪的工作原理，以及用其准确采集大范围数据点时的应注意的问题以及 处理对策。给出了由其测得的底盘模具的部分数据点云图。 2 、对原始数据点云的平滑、插补、精简、对齐等预处理方法进行了研究。提出 了一种改进的点云精简算法和多视数据对齐算法。精简算法能根据曲面特征 实现三维数据基于特征的自适应精简；多视数据对齐算法在粗对齐的情况下 实现数据点云的精确定位。 3 、研究了由空间一组散乱数据点集重构三角网格模型的问题。给出了一种由 组散乱数据点集重构三角网格模型的算法。该算法首先在每一个散乱点处生 成以切平面，然后定义了空间一点到该模型的有向距离，最后用M a r c h i n g C u b e s 法求得三角网格模型。还对三角网格模型的简化提出了研究，在算法 上进行了改进，最后对简化模型进行了评估。 4 、叙述了参数曲线曲面的概念，并对参数曲线拟合的算法进行了研究，提出了 重建的N U R B S 曲面蒙面改进算法。讨论了曲面糖度评价的方法，提出了控 制误差提高精度的策略。 5 、研究了基于逆向工程的复杂曲面检测技术。给出了数据点云与C A D 模型的重 定位的I C P 改进算法，该算法在粗定位的基础上有效地解决了不存在绝对对 应关系的数据点集重定位问题，提高了定位精度。根据曲面检测的要求，提 出了点云到曲面最短距离的快速算法，该算法避免了对非线性方程的求解， 以提高计算的稳定性和计算速度，同时提高了计算精度。 第7 页 上海大学研究生论文用纸 第二章逆向工程测量技术 零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几 何坐标数据，在这基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因而，高效、 高精度地实现零件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一。汽 车底盘模具外表面主要特点是形状复杂，结构尺寸大，多为空间曲面，表面质量 性能要求比较高。因此在选择测量方法及设备时应充分考虑其表面特点，以期达 到高效率、全方位、高精度的数据采集。 2 1 常用的测量技术 获取产品表面数据的方法有许多种，根据探头是否与零件表面接触零件表 面数据采集方法可分为接触式和非接触式两大类【9 I 。传统的测量方法是以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 ) 为代表的接触式方法。近年来，随着计算机、 传感、控制技术的更新，出现了利用激光和结构光的光学法以及声波法等非接触 式测量方法。另外，随着工业C T 技术的发展，断层扫描技术也在逆向工程中取 得了应用。测量方法如图2 1 所示。 图2 - 1 三维测量方法 2 1 1 接触式测量方法 接触式测量方法精度较高，操作容易，抗干扰性好，成本低，但它也有其本 身固有的局限性，如速度慢、不易实现在线检测，由于测量时接触压力的存在， 对于某些质地柔软的零件必然产生较大测量误差，以及测头半径三维补偿问题 等。 它包括三坐标测量机法和电磁数字化法。 1 三坐标测量机( C M M ) 方法三坐标测量机是目前实现自由益面逆向工 程的最常用工具，测头是其关键部件之一。接触式测头包括硬测头和软测头，而 软测头又可分为开关发讯测头和扫描式测微测头。扫描测头无论从精度上还是速 度上都优于发讯测头，使C M M 技术提高到一个新的水平。 2 。电磁数字化法该方法是将被测物体置于由磁场包围的工作台上，手持 触针在物体表面运动，通过触针上的传感器检测触针位置，属复杂曲面接触式数 字化方法。其优点是比C M M 造价低，但仅能测量非金属物体a 第8 砸 上海大学研究生论文用纸 接触式测量有以下优点： ( 1 ) 因接触式探头发展已有几十年，其机械结构及电子系统已相当成熟，故 有较高的准确性和可靠性。 ( 2 ) 接触式测量为探头直接接触工件表面，敌与工件表面的反射特征，颜色 及曲率关系不大。 ( 3 ) 被测物体固定在三坐标测量枫上，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。 接触式测量有以下缺点： ( 1 )