王海波毕业论文.pdf

毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 1 页 装 订 线 第一章 绪论 1 1 汽车制造概述 从 1886 年 德国人卡尔 费利特里奇 本茨发明第一辆以汽油发动机为动力的 三轮车开始 到 1959 年 日本丰田公司在美国建立工厂 世界汽车工业从萌芽期到 高速发展期 汽车已经成为了社会生产 生活中不可或缺的组成部分 从世界上第一 辆汽车问世至今 汽车工业经历了一个多世纪的发展历程 一百多年以来 汽车产品 的研发 设计模式也随着工业设计 工程设计和制造方式的变更不断发展 演变 从 早期的依靠经验类比进行设计到传统的通过制作车身油泥模型进行设计 汽车设计正 朝着缩短开发周期 提高设计质量 降低开发成本及提高汽车产品的市场竞争力的方 向不断发展 特别是近几十年来 世界汽车市场加速一体化 竞争日趋激烈 客户需 求日益多元化 汽车产品的 T 时间 Q 质量 C 成本 和 S 服务 成为了制 胜的关键因素 同时 制造工业领域的数字化产品研发技术发展迅猛 产品的设计和 研发模式迅速从手工模式 部分手工模式向全数字化模式发展 作为制造工业技术的 先行者 汽车业迅速引入大量数字化产品研发技术 并将传统研发和设计模式与三维 数字化技术相结合 逐步建立了现代汽车设计与研发流程 数字化研发技术给汽车工 业注入了新的活力 使汽车产品的研发周期大幅度缩短 对市场需求的响应能力迅速 提高 同时改善了汽车研发的质量 降低了研发成本 反过来 数字化技术在汽车工 业的广泛应用 推动了数字化技术的进一步成熟 发展 仿真分析 逆向工程 数字 化功能样机和虚拟现实等新型数字化技术都有汽车工业的痕迹 如今 汽车工业已经 发展成为一个技术高度密集的成熟产业 是当今许多高新技术的载体 而产品开发是 汽车工业技术的核心 科学的发展 技术的进步诞生了一批用于现代化设计的先进工具 例如计算机 数控机床等 从而使得设计观念和方法得到了彻底的更新 汽车设计方法的改变也正 是随着高新技术的发展而得以实现的 汽车产品的数字化研发离不开高性能的计算机 硬件平台 特别是三维数字化设计技术的应用 更与计算机的图形性能息息相关 早 在 80 年初 三维设计技术已经出现并具备了一定的实用价值 但是 当时个人计算 机的硬件性能还不能满足三维应用的需求 三维设计软件必须在 UNIX 小型机上运行 这使得三维技术的可用性不高 而成本却非常高 90 年代中晚期 个人计算机的兴 起及性能的迅速提升 使三维数字化技术在汽车工业的应用进入了高速发展期 汽车 工业作为最大的民用产业 有技术密集性高 设计要求高等特点 CAD 技术一开始就 在汽车工业中得到了广泛应用 20 世纪 70 年代 正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期 此间飞机及汽车制造过 程中遇到了大量的自由曲面问题 要求更新设计手段的呼声越来越高 法国的达索飞 机制造公司率先推出了三维曲面造型系统 CATIA 它的出现 标志着计算机辅助设计 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 2 页 装 订 线 技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来 首次实现以计算机完整描述产品 零件的主要信息 同时也使得 CAM 技术的开发有了现实的基础 曲面造型系统 CATIA 为人类带来了第一次 CAD 技术革命 改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲 面的落后的工作方式 曲面造型系统的技术革新 使汽车开发手段比旧的模式有了质 的飞跃 新车型开发速度也大幅度提高 许多车型的开发周期由原来的 6 年缩短到只 需要 3 年 CAD 技术给使用者带来了巨大的好处及颇丰的收益 汽车工业开始大量采 用 CAD 技术 20 世纪 80 年代初 CAD CAM 技术开始有了较大发展 实体造型技术的普及应用 标志着 CAD 发展史上的第二次技术革命 因此 CAD 技术在汽车工业中得到了广泛应 用 20 世纪 80 年代中期 出现了以 Pro Engineer 为代表的参数化实体造型方法 进入 90 年代 参数化技术变得比较成熟起来 充分体现出其在许多通用件 零部件 设计上存在的简便易行的优势 PTC 与 CATIA IDEAS CV UG 等大型 CAD 软件在汽 车制造业都有了更广泛的应用 进入 21 世纪 CAD 技术已成为汽车设计的主要方法和手段 CAD 在汽车工业的应 用已基本普及 我国 CAD 技术应用于汽车行业开始于 20 世纪 70 年代 发展于 90 年 代 近年来 随着与国外汽车行业联系越来越紧密 我国的汽车车身 CAD 技术也得到 了快速发展 但总体而言 国内汽车行业起步较晚 汽车车身造型能力和 CAD 技术水 平较低 改革开放以来 汽车尤其是轿车生产工业有了突飞猛进的发展 汽车工业已成为 我国国民经济的支柱产业 经过近十来年的高速发展 我国的汽车工业综合技术开发 水平已经有了很大提高 紧跟国际汽车发展潮流 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 我们必须清楚地看到中国的汽车工业与国 际先进水平的巨大差距 当前的中国汽车工业与国际先进的汽车工业之间的差距可以 所是全方位的 无论在生产规模 价格 档次 还是开发能力方面都相对落后 在我 国普遍受关注而且发展最为迅速的轿车工业是建立在外来技术上 靠引进技术支撑的 工业体系 我们在相当长的时期里还不具备创新能力 无论新产品设计 还是新产品 仿制 主要是以实物模型为设计与生产的主要依据 在这个阶段更多的是学习和模仿 积累自己的经验 为今后的创新打下坚实的基础 以最快的速度缩短我国汽车工业与 国际先进水平的巨大差异 是我们亟待解决的重大问题 因此 逆向工程技术以其独 特的优势在产品开发中发挥着越来越大的作用 通过逆向工程 在消化 吸收国外先 进技术的基础上 建立和掌握自己的产品开发设计技术 进行产品的创新设新 这是 提升我国汽车制造业的必由之路 实际上任何产品问世 不管是创新 改进还是仿制 都蕴涵着对己有科学 技术的继承和应用借鉴 逆向工程通过重构产品零件的 CAD 模 型 可对原型进行优化和再设计 这为产品的再设计以及创新设计提供了数字原型 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 3 页 装 订 线 各种先进的计算机辅助技术手段也为此提供了强有力的支持 目前国内各大汽车企业仍处于引进 消化 吸收国外的先进 CAD 技术并进行创新 设计的阶段 普遍应用逆向工程软件和三维 CAD 造型软件 建立车身数学模型 加快 实现产品的创新 简化设计过程 缩短了产品的开发周期 具体操作办法是根据己存 在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型 并在此基础上对己有的产品进 行剖析 理解和改进 是对已有设计的再设计 1 2 逆向工程的概念及应用 1 2 1 逆向工程的概念 产品模型是现代先进制造技术的基础 而几何模型又是产品模型的基础 因此 产品的几何模型在先进制造技术中占有重要的地位 生成产品的几何模型一般有两种 途径 一种是由通常意义的 CAD 造型系统建立产品的几何模型 即通过正向工程建立 产品的几何模型 另一种是由已有的物理模型直接生成产品的 CAD 模型 即通过逆向 工程的途径建立产品的几何模型 传统的工业产品开发均是按照严谨的研究开发流程 从确定功能与规格的预期指 标开始 构思产品的零件 然后进行各个零件的设计 制造以及检验 再经过组装 整机检验 性能测试等程序来完成 每个零件都有原始的设计图纸及 CAD 模型 每个 零件的加工也有自己的工序图表 每个零件的尺寸合格与否用产品检验报告来记录 此类传统的产品开发 通常是从概念设计到图样 再制造检验产品 通常称为正向工 程 Forward Engineering 对每个零件来说 其正向工程的流程如图 1 1 所示 图 1 1 正向工程流程图 传统的产品设计所采用的正向设计方法 即由设计者先进行概念设计 然后进行 CAD 建模 生成工程图 最后根据图纸进行制作或者加工出实物 这一设计过程难度 系数大 周期较长 成本高 不利于产品的研制开发 而且在飞机 汽车 工艺美术 品和模具等行业的设计和制造中 通常是由复杂的自由曲面拼接而成 因此在概念设 计阶段难以用严密 统一的数学语言来描述 往往还会碰到根据模型或实物来构建其 三维数字模型的需求 这就需要用到逆向工程技术 逆向工程 Reverse Engineering 也称为反求工程 反向工程等 它是在只有产 品模型或实物模型 而没有产品的定义和图纸的前提下 利用一定的测量手段对实物 或模型表面进行测量即数字化采样 然后根据测量得到数据通过三维几何建模方法重 产品需求 概念设计 产品 CAD CAE CAM 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 4 页 装 订 线 建实物的CAD数字模型 最后将这些模型和表征用于产品的分析 制造和加工生产中 的过程 其流程图如图1 2所示 逆向工程起源于精密测量和质量检验 它是设计下 游向设计上游反馈信息的回路 产品的逆向工程是根据零件 或原型 生成图样 再 制造产品 它是一种以先进产品设备的实物 样件 模型 软件 包括图样 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 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技术 是针对消化 吸收先进技术采取的一系列分析方法 和应用技术的结合 与传统的正向工程相比 逆向工程具有设计精度高 开发设计周 期短 易于开展后续有限元分析 优化设计以及运动学仿真工作等优点 随着现代计 算机技术及精密测量技术的发展 逆向工程作为以实体为研究对象 利用CAD CAM等 先进技术来进行产品的数字化设计 加工 乃至新产品开发的一种技术手段 缩短了 新产品开发周期 提高了产品设计及制造质量 成为现代设计的一大热点 尤其被广 泛应用于快速发展的汽车领域 图1 2 逆向工程流程图 数据获取 数据处理 曲面重建 实体 CAD 模型 接触式测量 非接触式测量 数据重定位 数据分块 噪声去除 数据精简 数据插补 曲面拼接 曲面裁剪 曲线 曲面重建 曲面光顺检查 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 5 页 装 订 线 1 2 2 逆向工程的应用 逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况 l 在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD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CAD模型 并以此为依据利用快速成型技 术复制出一个相同的零件原型 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 油泥模型来评估设计的美学效果 而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的 方法 此时 如果根据造型师制作出来的模型快速建立三维CAD模型 就必须引入逆 向工程的设计方法 4 修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等 此时不需要对整个零件原型进 行复制 而是借助逆向工程技术抽取零件原形的设计思想 指导新的设计 这是由实 物逆向推理出设计思想的一种渐近过程 5 在模具行业 常需要通过反复修改原始设计的模具型面 以得到符合要求的 模具 然而这些几何外形的改变却往往未曾反应在原始的CAD模型上 借助于逆向工 程的功能和在设计与制造之间扮演的角色 设计者现在可以建立或修改在制造过程中 变更过的设计模型 6 在RPM的应用中 逆向工程的最主要表现为 通过逆向工程 可以方便地对快 速原型制造的原型产品进行快速 准确的测量 找出产品设计的不足 进行重新设计 经过反复多次迭代可使产品完善 7 逆向工程在单件产品快速定制生产中也可以发挥其独到的作用 例如每一个 人体都是不同的 采用先进的扫描设备和先进的模型重建软件 可以快速建立人体的 数字化模型 从而可以设计制造诸如头盔 假发套 服装等产品 并使这些产品完全 适合每一个不同的客户 8 逆向工程的另一重要应用领域是计算机辅助检测 成品的精度检验是企业进 行质量控制的重要手段 然而复杂形状产品的检验往往非常困难 需要大量的时间和 人力 利用自动化测量设备 可以快速采集到零件的大量数字化点 将这些坐标点读 入计算机 就可以通过软件自动分析测量得到的数据点与理论模型间的误差 分析结 果可用报告形式拾出 也可以在理论模型上绘制误差彩色云图 即用不同的颜色标识 不同的误差值 使零件各部位的制造精度一目了然 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 6 页 装 订 线 9 在医学领域 利用层析X射线 Computerized Tomography CT 及核磁共振 Magnetic Resonance Imaging MRI 等设备采集病变部位的外形数据 然后进行三 维数字化模型重建 可以为疾病的确定与诊断提供重要依据 1 随着世界汽车行业竞争的加剧 世界各大汽车公司都在降低公司各方面的成本以 提高公司在全球的竞争力 很多大公司为了降低设计方面的成本 加快产品的开发进 度 都越来越倾向于在了解竞争对手产品各方面性能及设计思想的基础上开发本公司 的汽车产品 这样可以大大缩短产品的开发周期 同时提高产品的开发成功率 该现 状促成逆向工程技术在各国汽车制造业中的发展 我国是汽车生产大国 但大部分产品是合资或引进的 因此 要通过学习 模仿 来积累设计经验 掌握设计技术 为产品创新打下基础 这是提升我国汽车设计水平 的必由之路 从某种程度上说 我国的汽车设计更离不开逆向设计 逆向工程技术为 汽车制造企业消化 吸收先进技术 快捷 高效地开发新产品发挥了重要作用 目前 汽车工业主要是通过设计数据 构造零部件CAD模型和模具CAD模型 再通 过数控加工制造模具 进而再进行零件生产的设计制造流程 但在我国 引进 组装 再引进 的汽车生产方式中 中方往往缺乏零部件的CAD模型 使得国产化开发的进 程受到极大制约 该现状促成逆向工程技术在我国汽车制造业中的发展 目前逆向工程技术在汽车领域主要应用是 l 复杂型面的车身设计开发和制造 对于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 而是更倾向于勃土或泡沫塑料造 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 还是要做成一比一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 丢失图纸的已有产品的还原 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CAD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CAD模型 然后对该CAD模型进行修改 3 车身零件制造质量检测的应用 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 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 7 页 装 订 线 1 3 逆向工程的国内外发展现状 1 3 1 逆向工程的国外发展现状 20 世纪 60 年代 逆向工程 作为一个学术术语被提出 并开始作为一门专门 的学问进行研究 逆向工程技术是 20 世纪 80 年代分别由美国 3M 公司 日本名古屋 工业研究所和美国 UVP 公司提出并研制开发的 由于逆向工程技术在工业界所起的作 用越来越重要 进入 20 世纪 90 年代以来 有关逆向工程技术的研究与应用就一直受 到政府 企业和个人的关注 特别是随着现在计算机技术和测量技术的发展 利用 CAD CAM 技术 先进制造技术来实现产品实物的逆向工程已成为 CAD CAM 领域的一个 研究热点 并成为逆向工程技术应用的主要内容 1998 年 全球逆向工程技术系统 加工中心达到 331 个 拥有快速成型机 660 台套 同时有 27 个快速成型设备制造公 司 12 个大的材料供应商 15 个专业软件公司 再加上从事该项目的 51 个教育和研 究机构以及 227 个提供赞助的基金会以及大量的激光设备应用者和真空铸造机制造 者 形成了一个强大的集成体 在经过了初期 50 的高速增长后 世界快速制造业正 步入稳定增长期 年增长率保持在 17 左右 如今 逆向工程技术被放到大幅度缩短 新产品开发周期和增强企业竞争力的重要位置上 国际和国内的一些重要的学术会议 都将逆向工程及相关技术讨论作为一个重要的会议专题 作为进行新产品开发以及消化和吸收先进技术的一种重要手段 逆向工程技术有 利于设计者在快速消化吸收原产品优点的基础上进行创新设计 从而缩短了对先进产 品研发时间 增强了企业的竞争力 因此 各个国家纷纷建立逆向工程技术系统研究 中心 拥有快速成型机 同时成立相应的设备制造公司 发展大规模的材料供应商 建立专业软件公司 此外 加上从事该项目的众多教育 研究机构和提供赞助的基金 会以及大量的激光设备应用者 快速成型机的制造者 形成了一个强大的集体 在经 过初期 50 的高速增长后 世界快速制造业步入稳定增长期 年增长率保持在 17 左 右 日本 美国 德国等工业强国在逆向工程技术方面做了很多深入的研究 并且也 取得了可观的经济效益 迄今 在国外市场上出现了多个与逆向工程相关的软件系统 逆向工程软件的主 要作用是接收来自测量设备的产品数据 通过一系列的编辑操作 得到品质优良的曲 线或曲面模型 并通过标准数据格式将这些曲线曲面数据输送到现有CAD CAM系统中 在这些系统中完成最终的产品造型 由于无法完全满足用户对产品造型的需求 因此 逆向工程CAD软件很难与现有主流CAD CAM系统 如CATIA UG Pro Engineer和 SolidWorks等抗衡 很多逆向工程软件成为这些CAD CAM系统的第三方软件 如UG采 用Imageware作为UG系列产品中完成逆向工程造型的软件 此外还有一些独立的逆向 工程软件 如GeoMagic等 这些软件一般具有多元化的功能 目前世界上主要有五大 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 8 页 装 订 线 逆向工程软件 分别是 Imageware Geomagic Studio CopyCAD RapidForm CATIA 每一种软件都有自己特点 客户可以根据自己的实际需要进行选择 1 3 2 逆向工程的国内发展现状 与国外相比 国内逆向工程领域的研究起步比较晚 经费投入比较少 创新性的 研究也很少 限制了高水平研究的开展 直到 90 年代中后期 逆向工程技术研究与 开发工作才在我国迅速得到发展和推广 如今从事与逆向工程相关的测量设备的研究 与生产的企业很多 取得了一定的经济效益 北京隆源实业股份有限公司引进了国外 最先进的三维快速测试系统与快速制模设备配合 可进行三维实体零件的数字化测 量 实现零件和模具的再生复制 以及艺术品仿造和人体头像的扫描和制作 广州华 泰激光快速成型及模具技术有限公司 引进了世界最先进激光快速成型设备 SLA50O 快速制造各类复杂零件原型及模具 用于汽车 机械 航空航天 家电 通讯 电子 建筑 医疗器械 玩具等行业 目前国内许多高校如浙江大学 华中科技大学 上海 交通大学 清华大学 西安交通大学等也已涉入逆向工程技术研究领域 开始从事逆 向工程技术的研究 并在这方面做了大量的研究工作 取得了一定的科研成果 浙江 大学 CAD 实验室在 CT 复原三维模型方面开展了大量的研究并取得较好成绩 推出了 Re Soft 软件系统 华中科技大学开发了三维激光彩色扫描系统 3DLCS95 1995 年获 得国家专利 上海交通大学的利用 BP 神经网络重构逆向技术中基于数字化点云的曲 面 清华大学激光快速成型中心进行了照片反求 CT 反求研究 照片反求是通过提 取实物照片的几何信息 重构实际物体的 STL 模型 有了 STL 模型 就可以用 RPM 系 统制造出该物体的原型 CT 反求是指利用人体器官或工业零件的 CT 切片扫描文件 通过图像处理 提取物体的平面轮廓线 并通过层片间的插值 得到可以被 CAM 系统 接受的层片文件格式 此外 国内在逆向工程的快速成型方面也取得了惊人的成果 如西安交通大学先进制造技术研究所自主开发了基于S1技术的激光快速成型机 LPS SPS 系列 并建立了一整套 RE RP RT 集成技术 完成了激光扫描法 层除法试验系 统的研制 并开发了逆向工程的核心软件 CAD 重构软件 成为国内唯一的全面完 成技术和设备开发的单位 我国在逆向工程研究领域尚处于摸索阶段 目前还没有真正的形成集开发和生产 于一体的经济实体 因此 如何将逆向工程系统地应用于工业产品创新设计 如何根 据工业设计的需要来开发合适的逆向工程系统仍是我们研究的主要课题 2 1 4 逆向工程的实现 逆向工程一般可分为三个阶段 l 数据获取 通常采用三坐标测量机 CMM 或三维激光扫描仪等测量装置来获取零件原型表面 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 9 页 装 订 线 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 曲面重建 将分割后的三维数据在 CAD 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型表而的 CAD 模型 逆向工程的实现需要软 硬两方面的技术的结合 硬件方面 需要能精密测量 采集坐标点的扫描系统 软件方面 需要能对所得点云数据进行处理及曲面重构的软 件系统 软硬件两方面技术的飞速发展使获得高质量的 CAD 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 3D 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 3 CATIA是法国Dassault systems 公司于1975年起开始发展一套完整的3D CAD CAM CAE一体化软件在世界CAD CAM CAE领域处于领导地位 CATIA被广泛应用于 航空航天 汽车制造 造船 机械制造 电子 电器 消费品行业 其集成解决方案 几乎覆盖所有的产品设计与制造领域 适应了工业领域各类大 中 小型企业的需要 在汽车业 CATIA已成为事实上的工业标准 世界前20名的汽车企业有18家采用CATIA 作为其核心设计软件 世界上已有超过13000个用户选择了CATIA 用户包括波音 克 莱斯勒 宝马 奔驰 本田 丰田等著名企业 CATIA具有功能强大的逆向设计应用功能 CATIA V5用于逆向工程的主要模块有3 个 l 数字化外形编辑器 模块 Digitized Shape Editor 可以快速 方便地对 测量点云进行处理 对点云进行网格化处理 并勾勒出零件原型的轮廓特征线 用于 解决点云数据导入 导出 预处理点云数据 包括点云的过滤 删减 空洞补漏 对 齐 合并 匀化 横截面 特征线 外形框和带实时诊断的质量检查等问题 该模块 用于逆向工程周期的开始阶段 2 快速曲面重建 模块 Quick Surface Reconstruction 可以在云点上建立 并处理特征线 拟合出满足一定要求的基本曲面 3 创成式外形设计 模块可以在已建立的轮廓特征线及基本曲面上进一步进 行处理 生成更高质量的曲面 完成原型的重建 现在与未来 支撑逆向工程发展的关键技术是 l 计算机辅助集成技术 计算机辅助设计和制造技术 在汽车行业中的应用已有 30 多年 但作为计算机 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 10 页 装 订 线 辅助集成技术 CAX 却是近年发展起来的 并得到不断深化和延伸应用 CAX 包括 计算机辅助造型 CAS 计算机辅助设计 CAD 计算机辅助制造 CAM 计算机辅助 工程分析 CAE 计算机辅助试验 CAT 计算机辅助质量检测 CAI 计算机辅助工 艺规程编制 CAPP 产品信息管理 PIM 产品数据管理 PPM 等等 CAX 实际上是把多元化的计算机辅助技术集成起来 复合和协调地进行工作 除 了在产品设计时 设计部门工作外 其他各部门也可以提前介入 并行作业 无需等 待上一道作业完成后 才开始下一道作业 大大缩短了开发时间 同时 在产品设计 早期 能很好地考虑到产品生命周期的各种因素 提前发现设计上的错误和误差 及 时进行修正以及可以在设计过程中 按照市场的需求 不断提出可比较的多种设计方 案 从而获最得优化的设计成果和效益 如 1993 年美国克莱斯勒公司的 彩虹 轿 车的设计 就是全过程实行无纸化设计 仅开发周期就缩短了 31 个月 这是 CAX 首 次进行的大演习 2 虚拟现实技术 虚拟现实技术汇集了现代多媒体 人工智能 人机多维界面技术 传感器技术等 高科技 并通过人的视觉 听觉 触觉 手势或口令 实现人机行为一体化的信息空 间 形成一种逼真的 动态的 多维的虚拟模型 实现汽车产品的设计工作 近年来 虚拟现实技术已较多地应用到汽车设计工作中 在 20 世纪 80 年代末 应用的是桌面虚拟现实系统 一般在工作站上工作 属于初期阶段 20 世纪 90 年代 中期 采用沉浸式虚拟现实系统 应用各种体验器 配合动画 显示出 1 1 的汽车 虚拟形象进行设计操作 一些跨国汽车集团已试行分布式虚拟现实系统 可在网络环 境中 充分利用分布在世界各地的各种资源 协同进行互动性的产品设计 甚至请顾 客在融洽的气氛中 共同探索汽车产品的开发 虚拟现实技术在汽车行业中 已初步 形成一种专业理论 工程设计 科学试验等较为完整的应用体系 发展前景非常好 汽车界人士预测 不久的将来 它可能将计算机图形界面淘汰 就像当年图形界面把 单词字符界面推下计算机屏幕一样 近年 法国雷诺汽车公司应用全息技术的虚拟现实系统 具有很好的可视化水平 将成为虚拟现实技术的另一分支 1 5 课题研究的背景 内容及意义 1 5 1 课题研究的背景及意义 产品数字开发技术是现代产品开发技术中的核心技术之一 逆向工程是近年来发 展起来的一种产品数字开发方法 是现在研究的一个热点方向 它的出现极大地缩短 了产品的开发周期 提高了产品精度 其不仅能根据产品的物理原型对其进行数字化 建模 以实现对该产品的快速设计 而且可应用于形状需要反复试验 修改 实测才 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 11 页 装 订 线 能定型的产品 充分利用 CAX CAD CAM CAE 及 PDM 等先进技术 逆向工程技术 可以快速 有效的解决其产品的最终设计问题 逆向工程的作用主要在于改善产品开 发的技术水平 提高生产率 增强经济竞争力 当今 世界各国在其经济技术发展领 域中 大量应用逆向工程消化吸收先进技术经验 并提出一定的创新思想 据统计 各国 70 以上的技术源于国外先进技术 同时 逆向工程作为一种快速的掌握技术的 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 程技术是快速消化 吸收先进技术进而创造和开发各种新产品的重要手段 是制造企 业面向 21 世纪全球市场激烈竞争的形式下 缩短产品开发周期 降低成本 提高竞 争能力的必由之路 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 总之 逆向工程是引进国外先进产品的成果 缩短我国新产品开发周期的途径之 一 特别是对于形状复杂的物体或由自由曲面组成的物体效果尤其明显 目前 逆向 工程的思想 理论与方法广泛应用与航空航天 汽车 轮船 工艺品 玩具等行业 对于这些行业的产品设计与制造具有重大的理论与实际意义 4 1 5 2 课题研究的内容 本文的研究工作主要集中在以下三个方面 l 数据采集 用三维激光扫描仪对汽车钣金件表面进行扫描 获取钣金件的三 维数字化信息 即 点云 2 数据处理 对扫描获得的点云数据进行处理 如过滤 网格化等 为下一步曲 面重构做准备 3 曲面重构 在CATIA平台上根据点云数据采用逆向工程技术重建钣金件的 CAD 模型 完成曲面模型的精确描述 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 12 页 装 订 线 第二章 汽车钣金件点云数据的获取 2 1 点云的概念及分类 2 1 1 点云的概念 点云是一种特殊的测量数据点 它是一系列的三维空间坐标点的集合 最小的 点 云 只包括一个点 称孤点或奇点 Singular 而高密度的 点云 则可达到几百万 数据点 在自动获取自由曲面点云数据时 为保证后续处理的精度 常常采用十分密 集的数据 其测量点数一般从几万到几百万点不等 就形成了 点云 2 1 2 点云的分类 根据 点云 中点的分布特征 如排列方式 密度等 将点云分为 散乱点云 扫 描线点云 网格化点云 多三角化点云 5 l 散乱 Arbitrary 点云 点云没有明显的几何分布特征 呈散乱无序状态 随 机扫描方式下的 CMM 激光点测量等系统的 点云 多呈现散乱状态 如图 2 1 所示 图 2 1 散乱点云 2 扫描线点云 点云由一组扫描线组成 扫描线上的所有点位于扫描平面内 如图 2 2 所示 CMM 激光测量系统沿直线扫描的测量数据和线结构光扫描测量数据 多呈现扫描线特征 图 2 2 扫描线点云 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 13 页 装 订 线 3 网格化点云 点云中所有点都与参数域中一个均匀网格的顶点对应 如图 2 3 所示 CMM 激光点三角扫描系统 投影光栅测量系统及立体视差法获得的数据经过 网格化插值后得到的点云即为网格化点云 图 2 3 网格化点云 4 三角化点云 三角化点云的测得点皆为某些三角形的顶点 通常是激光扫描 系统测量后经过三角化后所得的数据 如图 2 4 所示 图 2 4 三角化点云 2 2 点云数据采集方法简介 在逆向工程技术中 模型表面点云数据的采集是一个非常重要的问题 只有获得 了高质量的三维坐标数据 才能生成精确的几何模型 点云数据采集方法的选用同样 是一个非常重要的问题 不同的采集方法 决定了测量本身的精度 测量速度和经济 性 导致不同测量数据类型和不同的后续处理方式 近几年来 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 出现了各种各样的模型表面三维数据获取方法 其方法分类如图 2 5 所示 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 14 页 装 订 线 图 2 5 逆向工程中常用的数据采集方法 就整体来说 实物模型三维坐标的获取方法基本上可分为两大类 即接触式和非 接触式 接触式数据采集方法 接触式测量仪的原理 将被测物体置于三坐标机的测量空间内 可获得被测物体 上各测点的坐标位置 根据这些点的空间坐标值 经过计算得出被测对象得几何尺寸 形状和位置 接触式测量仪的优点 l 技术成熟 有较高得准确性和可靠性 2 其测量探头直接接触在被测物体表面 与工件表面的反射特性 颜色及曲率 关系不大 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 接触式测量仪的缺点 l 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损 为保证精度需要校正探头的直径 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 3 由于是逐点测量 所以测量速度较慢 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 接触式数据采集方法通常是用机械探头接触表面 机械臂关节处的传感器确定相 对坐标位置 用于接触式数据采集的机器人装置有很多种 最常见的接触式数据采集 方法是坐标测量机 CMM 它具有噪声低 精度高 重复性好等优点 非常适合于检 测系统 过去在其他设备尚未实用化时是逆向工程的研究重点 坐标测量机使其接触 数据采集方法 接触式 非接触式 ICT 声 电磁 光学 CMM 手工法 立体视觉 激光三角 结构光 激光干涉 激光衍射 图像法 距离法 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 15 页 装 订 线 探头沿被测表面经过编程的路径逐点捕捉表面数据 测量时 可根据实物的特征选择 测量位置及方向 从而测得特征点数据 五坐标测量仪还可测得所测点的法矢 使曲 面的精确重构更容易实现 采用坐标测量机的缺点是探头与被测表面间的摩擦力和压力易引起被测物变形 从而产生测量误差 对微细部分的测量受到限制 不适于对软质材料或薄形物件的测 量等 另外 探头有一定的直径 不能直接测出实物表面的坐标值 而且测量速度慢 效率低 非接触式数据采集方法 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 应用光学原理发展起来 的现代三维形状测量方法应用最为广泛 如三角形法 结构光法 计算机视觉法 激 光干涉法 激光衍射法等 与接触式测量相比 非接触式测量仪的优点如下 l 测量速度快 不必像接触式触发式探头那样逐点进行测量 2 由于是非接触式的 可测量柔软物体 3 与被测物体无接触 因此不会损坏工件表面 4 由于测取点云数据较多 且速度快 获得数据全 非常适合于扫描车身自由 曲面的立体造型 当然 非接触式测量仪也存在着一些缺点 l 因为非接触式探头大多使用光敏位置探测器 PSD Position Sensitive Detector 来探测光点位置 目前 PSD 的精度一般 可能是速度和精度难以兼得吧 2 由于其探头大多是接收工件表面的反射光或者散射光 易受工件表面的反射 特性 Reflectivity 影响 如反射光强度 被测物光顺程度 被测物颜色 3 PSD 易受环境光线及杂散光影响 故噪声信号的比较多 需要进行后续处理 4 只能够对工件轮廓坐标点大量取样 对边线处理 凹孔处理及不连续形状的 处理较困难 5 使用 CCD Charge Coupled Device 作探测器时 成像镜头的焦距会影响测量 精度 在工件几何外形变形大时成像会失焦 成像模糊 6 由于它采取的测量方法多是扫描式大规模取样 所以造成了数据量很大这个 问题 使得后续处理较为繁复 目前 非接触式扫描设备有了一定的发展 德国 GOM 公司的 ATOS 扫描仪 英国 雷尼绍公司的 CYCLONZ 高速扫描仪 日本罗兰公司的 PIX30 网点接触式扫描仪 英国 泰勒 霍普森公司的 1 人 LYSCAN150 多传感扫描仪等 它们集中体现了测量设备的高 速化 廉价化和功能复合化等特点 非接触式数据采集速度快 精度高 排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 16 页 装 订 线 误差 避免了接触式探头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题 获得的密集点 云信息量大 精度高 能最大限度地反映被测表面的真实形状 由于具有测量过程非 接触和测量迅速等优点 这些方法己经越来越受到人们的重视 在非接触式数据采集 方法中 因为光学法应用得最为普遍 故以下简述几种常用的光学数据采集方法 l 干涉法 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 2 激光三角法 采用的原理是采用激光作为光源 照射到被测物体上 利用 CDC 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 此方法已经成熟 目前已走向实用 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 3 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 如栅状光条投射到物体表面 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素的三维坐标 这种方法具有速度快 无需运动平台的优点 4 基于工业 CT 断层扫描图像逆向工程法 这种测量方法对被测物体进行断层截 面扫描 以 X 射线的衰减系数为依据 经处理重建断层截面图像 根据不同位置的断 层图像可建立物体的三维信息 该方法可以对被测物体内部的结构和形状进行无损测 量 该方法造价高 测量系统的空间分辨率低 获取数据时间长 设备体积大 美国 LLNL 实验室研制的高分辨率 ICT 系统测量精度为 0 01mm 5 距离法 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 但它可以测量很大的物体 6 立体视觉法 立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个 多个 摄像机拍摄的图像中的视差 以及摄像机之间位置的空间几何关系来获取该 点的三维坐标值 立体视觉测量方法可以对处于两个 多个 摄像机共同视野内的目 标特征点进行测量 而无须伺服机构等扫描装置 立体视觉测量面临的最大困难是空 间特征点在多幅数字图象中提取与匹配的精度与准确性等问题 近来出现了以将具有 空间编码的特征的结构光投射到被测物体表面制造测量特征的方法有效解决了测量 特征提取和匹配的问题 但在测量精度与测量点的数量上仍需改进 这种方法在机器 人视觉和工业检测中常采用 其测量速度快 但精度很低 7 图像法 类似于结构光法以图像帧来确定被测物体的空间形态 但它采用的 分析方法井不仅限于投影图案 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 6 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 17 页 装 订 线 2 3 汽车钣金件点云数据的采集 点云数据是逆向工程的基础 对数据的采集是逆向工程的关键环节 结果的好坏 将直接关系到后期模型的质量 目前 为了高效率高精度的采集汽车车身表面的数据 多使用非接触式测量仪 非接触式测量技术所采集到的数据点十分密集 因此常形象 地将其称为点云 本文采用的是三维激光扫描仪对图 2 6 所示汽车钣金件进行实际的表面数据采 集 点云扫描 在测量时 设置扫描电云的最小间距为 0 01mm 最终数据信息采集 结果 原始点云 94067 点 测量数据点以绝对坐标的形式输出并存储在 asc 格式的文件中 实践证明 采用该三维激光扫描仪 可以方便地测得大量的数据点 获得充足的实物表面数字化信息 为后续的曲面重构和三维建模做好准备 图 2 6 汽车钣金件实物原型 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 18 页 装 订 线 第三章 汽车钣金件点云数据的处理 3 1 导入点云 启动并进入 CATIA V5 软件环境 进入 数字化外形编辑器 DSE 模块 如图 3 1 用点云导入功能将扫描测得的点云数据 banjin asc 导入到 CATIA 中 如图 3 2 点云信息 94067 points 采样百分比 Sampling 100 即选中的所有点云都 被导入 点云缩放比例 Scale factor 1 图 3 1 进入 数字化外形编辑器 DSE 模块 图 3 2 导入点云 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 19 页 装 订 线 3 2 过滤点云 产品外形数据一般是通过坐标测量机得到的 无论是接触式的数控测量机还是非 接触式的激光扫描仪 不可避免地会引入数据误差 特别是尖锐边和产品边界附近的 测量数据 测量数据点的坏点 可能使该点及周围的曲面片偏离原曲面 同时由于实 物几何和测量手段的制约 在数据测量时 会存在部分测量盲区和缺口 给后续的造 型在带来影响 另外 由于激光扫描的应用 曲面测量时会产生海量的数据点 而且 还存在有重复的测量数据 系统测量误差及测量仪器本身的误差等 这样在造型之前 应对数据点进行精简 以达到精简数据点和提高处理速度的目的 图 3 2 中点云点数 为 94067 个 数目非常庞大 会拖慢处理速度 需要进行过滤来减少数据点的数量 CATIA 本身自带两种去处冗余点的过滤功能 分别为公差球法 Homogeneous 或弦高 差法 Adaptative 公差球法 Homogeneous 过滤点云是一种平均算法 是以某个半 径的球体为参照物 所有被球体包含的点都被过滤 只留下球体的起始点 以此类推 之整个点云 以这种方式虽然能大量减少冗余点 但是原始模型中曲率变化较大的地 方会因为去除了过多的点而不能清楚地表达特征 弦高差法 Adaptative 过滤点云是 根据点与点之间的弦偏差量 把某偏差量以内的点都过滤 利用这种过滤方法 可以 使得曲面变化小的部位过滤较多的点 而变换大的部位过滤的点比较少 从而使得特 征更加明显 从图 3 2 不难看出 钣金件的原始点云密度较大 曲率变化较小且点云 较为均匀 因此选择公差球过滤方式对原始点云进行过滤 如图 3 3 所示 公差球半 径 Homogeneous Radius 0 5mm 过滤后点云信息 Remaining points 61973 65 88 图 3 3 过滤点云 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 20 页 装 订 线 3 3 点云网格化 前述工作的目的就是对点云进行坏点剔除 过滤多余点 为点云网格化打基础 点云网格化也称 铺面 就是将点云铺成曲面 重建模型 使用 建立网格面 Mesh Creation 功能对图 3 3 中过滤后的点云建立三维的网格 弹出对话框中的选项 Neighborhood 可调节 其数值为一个圆球半径 在点云中只要某三个点所构成的 面被此球包住 CATIA 就会以此三点为顶点建立一个三角网格 因此铺面又称为三角 网格化 如图 3 4 所示 选择圆球半径数值 Neighborhood 2 25mm 网格面如图 3 5 所示 铺面 Mesh 虽然把点云铺成了 曲面 但这种多边形面片不能为其他模块 所直接编辑 还需要在 Mesh 上做曲面拟合才能做出最终符合要求的曲面 图 3 4 建立网格 图 3 5 网格面 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 21 页 装 订 线 第四章 汽车钣金件 CAD 模型的重建 4 1 拟合基本曲面 从图 3 5 中的网格面可以看出 该钣金件由三个大的基本平面构成 首先拟合出 三个大面 即三个基本平面 进入 快速曲面重建 模块 使用局部提取功能将 基本平面上凹槽 凸面 孔等特征部分的点云隐藏 如图 4 1 和图 4 2 所示 图 4 1 局部提取点云 图 4 2 局部提取后的点云 基本曲面重建功能 Basic Surface Recognition 可以在点云上自动识别生成 毕业设计 论文 报告纸 共 43 页 第 22 页 装 订 线 平面 球面 圆柱面和锥面等基本曲面 利用基本曲面重建功能在图 4 2 所示的 点云上拟合出基本平面 如图 4 3 所示 拖动平面上的 4 个箭头 可以改变平面的范 围 拖动圆圈 可以改变平面的角度 单击 确定 按钮完成基本平面重建 激活所 有点云 如图 4 4 所示 图