CRV前保险杠逆向设计.doc

2009届车辆工程毕业设计（论文）第1章 绪 论在产品的开发和制造过程中，有许多产品不是由计算机辅助设计（CAD）模型描述的，设计和制造者面对的是实物样件。为了利用先进制造技术，需要通过一定途径将实物样件转化为CAD模型，这种从实物样件获取产品数学模型，进而开发出同类的先进产品的技术就是“逆向工程”（Revense Engineering，RE），又称“反向工程”或“反求工程”。在汽车造型的逆向设计过程中，其外形的很大部分是由一系列复杂的不同曲率的空间曲面相互连接而成，这种连接既需要满足汽车功能和结构的要求，又要实现光滑过度，以达到平顺、和谐的效果。所以，在对汽车模型或实体的原始外形数据进行处理时，就需要强大的软件支持。CATIA 软件在复杂曲面造型方面具有独特的优势，特别是其数据编辑和自由造型单元，为汽车的逆向设计提供了先进、方便、快捷的手段，使汽车的设计更趋完美，设计周期越来越短，极大地提高了汽车开发效率。我国汽车工业起步晚、基础差，和国外的汽车工业相比仍存在着较大的差距， 当前汽车制造技术含量低 、自主开发能力弱是中国汽车工业发展的最大障碍 。因此，通过逆向工程，在消化 、吸收先进技术的基础上， 建立和掌握自己的产品 开发设计技术，进行产品的创新设计， 即在复制的基础上进行改进进而创新这不仅是尽快改变我国汽车工业落后面貌的捷径，也是快速提升我国制造业水平的必由之路。CATIA是法国达索公司的产品, 其集成解决方案几乎覆盖工业产品设计制造的所有领域, 其优势为: 在逆向设计方面采用 NURBS方法描述曲面, 解决了自由曲面(线)与初等解析曲面(线)描述不相容的问题, 通过编辑控制点改变曲面形状生成任意复杂曲面, 可提高造型能力; 可先根据云点拟合出一个基础曲面, 再利用曲面编辑功能对其进行编辑和光顺处理, 提高了曲面重构效率; 能实现一个曲面到另一个曲面及一个曲面到多个曲面的匹配, 并能达到匹配后曲面间曲率连续, 保证 A 级曲面要求; 提供多曲面整体编辑功能 (一次编辑多个曲面并保持曲面间连续) ; 可提供网格面及风格扫描面构造方法,按曲面形状或原产品设计思想实现曲面快速重构;采用混合参数几何方式建模, 适于设计重用。CATIA V5的逆向工程模块主要有数字曲面编辑模块DSE(Digitized Shape Editor) 和快速曲面重构模块QSR (Quick Surface Reconstruction) ，它涵盖逆向软件的点云输入及点云数据处理功能。这两个逆向工程模块结合并综合应用创成式曲面设计模块GSD(Generative Shape Design) 和自由曲面造型模块FSS ( Freestyle Shape) ，实现了逆向工程与正向设计曲面功能的交互应用，其使用变得更为简便、灵活。在外表面曲面完成之后，使用实体设计PDG（Part Design）模块使曲面缝合成实体，并在PDG模块中（有时需借助GSD模块）进行结构设计及脱模分析等工作。对于有配合装配关系的零部件，借助ASM模块进行电子装配并使用DMU（电子样机）模组中的空间分析SPA（Space Analysis）模块，对部品进行较核、检测。这些模块之间交互应用，从而使汽车零部件产品的开发更为方便、快捷。本设计就是要根据测量得到的点云数据，运用数字曲面编辑模块DSE(Digitized Shape Editor)对点云进行编辑，然后运用快速曲面重构模块QSR (Quick Surface Reconstruction)根据最终点云数据得到网格面，激活点云为构建曲面做准备，合理操作曲面设计模块GSD(Generative Shape Design) 和自由曲面造型模块FSS ( Freestyle Shape)对点云进行编辑得到所需要的面，将得到的构建曲线和曲面光顺，再将光顺好的面进行拼接操作得到最终保险杠表面。最后利用加厚或偏移在桥接等操作得到所需的保险杠实体。第2章 CATIA逆向设计2.1 点云数据的采集点云数据采集是将油泥模型曲面以空间点三维坐标的形状离散化，所采集的点云数据是曲面拟合或曲面检测的基础，能否高效获取精确的点云数据是逆向设计的关键技术。目前常用的点云数据采集方法有以下3种：1. 接触式三坐标测量机。该方法测量精度较高，但测量效率低。由于测量时接触被测件，易划伤其表面。适于测量点、特征线、孔等几何特征。2. 线状激光束测量（相位测量）。该方法是将周期性的光栅投影到被测量曲面上，通过光栅图像的调制解调，求出被测曲面形状的三维信息，测量范围大、速度快，但只能测量较平坦的曲面，曲面变化大时测量精度低。3. 光栅投影式测量（照相测量）。该方法是将光栅投影到物体表面，形成一块待测区域，由光学扫描系统测取实物的表面数据，用数码相机获取特征标志点的三维坐标位置。光栅投影式测量为非接触测量，对被测件表面无划伤，对复杂或大面积表面可分块测量，测量速度快，点云密度高，测量精度在0.03/100mm100mm以内，综合测量精度在0.1/1000mm以内。在逆向设计时，可根据被测模型的特征灵活选用上述3种测量方法。本设计采用ATOS流动式光学扫描仪获得点云数据。德国GOM公司独家研制的ATOS流动式光学扫描仪是目前市场上最为先进的非接触式三坐标扫描设备。该设备采用可见光，将特定的光栅条纹投影到测量工件表面，借助两个高分辨率CCD数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光学拍照定位技术和光栅测量原理，可在极短的时间获得复杂工件表面的完整点云。其独特的流动式设计和不同视角点云的自动拼合技术，使扫描不需要借助于机床的驱动，扫描范围可达12m，而扫描大型工件则变得高效、轻松和容易。其高质量的完美扫描点云可用于产品开发、逆向工程、快速成型、质量控制，甚至可实现直接加工。ATOS扫描仪的主要技术特点可总结为以下几点： 高质量的扫描点云ATOS采用高分辨率CCD数码相机采集数据，可在短时间内获得任何复杂表面的密集点云（点距0.030.5mm）,并可根据表面的曲率变化生成完美的网格面，便于后期的曲面重建和直接加工。可清晰获得细小特征，并可方便提取工件表面特征（圆孔、方孔、边界线、黑胶带线等）。测量的综合精度0.1mm/m，结构简单，便于携带整个测量系统由扫描头、三角架、控制器及电脑组成，可放置在两个手提箱内随处携带，设备安装、标定工作可在10min完成，无需预热即可扫描，可在任何环境下进行测量。测量效率高单幅扫描时间只需8s，两天时间即可完成整车的内外表面扫描。测量范围大可同时实现多种测量范围，单副测量范围设备操作简单，经过两天的培训即可熟练的操作，软件提供完善的在线帮助和批处理功能，可适用于生成线检测。首创的参考点拼合技术不同视角的测量数据依靠粘贴在工作表面公共的三个参考点，可自动拼合在统一坐标系内，从而获得完整的描述数据。可根据工件尺寸选择不同的参考点（1mm，8mm），对于被参考点覆盖而在工件表面留下的空间，软件可根据周围点云的曲率变化进行插补。先进的数码相机定位技术对于复杂的大型工件，采用数码相机拍照和整和定位计算，可迅速测量出全部参考点的空间三坐标值，从而建立统一的参考点的坐标框架，再利用ATOS扫描头进行测量，获得完整的扫描点云。通过这种方式，消除了积累误差，提高大型工件的扫描精度。基于以上优点，ATOS扫描仪成为目前世界上最受欢迎和认可的测量设备，广泛地应用于汽车、摩托车、模具、电子产品、玩具等行业，其全球用户已超过1000家。ATOS从去1999年进入中国市场，目前国内用户已发展到120家，其先进的技术、可靠的质量和完善的售后服务均获得业内人士的好评。2.2 点云数据的处理点云数据的处理主要运用数字曲面编辑器（Digitized Shape Editor），该模块主要用于产品的逆向设计，帮助用户方便快速地处理点云文件。主要包括点云导入导出工具栏、点云网格化工具栏、点云编辑处理工具栏、点云操作工具栏、点云重定位工具栏、点云分析工具栏等命令工具栏。在CATIA中能导入的数据文件格式有：Ascii、Atos、Cgo、Gom-3D、Hyscan、Iges、Kreon、Steinbichler、Stl等格式。在这里选择Stl格式。测量的点云不仅数据量大，而且由于受光照条件、被测件表面反射特性和系统测量误差、随机误差等影响，测量数据中存在者许多无用数据，即所谓的“噪声”点。“噪声”点的存在对曲面重构十分有害，应剔除，因此必须对点云进行处理。针对“噪声”点的处理，主要是运用过滤点云功能。过滤点云的功能是降低点云密度，滤出噪声点。当点云密度较大时，会影响到后期点云处理的速度，所以在保证保留特征的情况下，可以对点云进行过滤处理。在CATIA中，过滤点云提供两种方式：公差球方式和弦差方式。1. 公差球方式是选择点云上一点生成一个指定半径的球，过滤掉球内所有点，再通过下一个保留生成指定半径球，再过滤掉球内所有点，如此循环直至结束。输入的球半径越大，剩下的点就越少。公差球方式适用于对某些较为规则的局部模型特征点云的处理。2. 弦高差方式是根据曲面曲率变化确定点的取舍，在曲率变化平缓区域保留较少的点，而在曲率变化急剧区域保留较多的点来描述曲面形状。常用算法根据弦偏差过滤点云（根据点与点间弦高差，吧设置偏差量以内的点过滤掉），设置的弦偏差数值越大，被过滤的点越多。对于点云，难以看出点云所构成的几何形状。点云网格化功能，是在点云上建立三角网格面，形成点云网格面，可以方便地勾勒点云的轮廓。通过建立网格面功能，可以在点云上建立三角面，使调整更加易于观察。在CATIA中，提供了两种建立网格面的形式：3D Mesh和2D Mesh。1. 3D Mesh形式，选中它，点云上出现一个圆球，在其后的文本框中设置圆球半径，此圆球半径越大，建立的网格面月密集。2. 2D Mesh形式，选中它需要指定一个投影方向。在CATIA中提供两种：平面方向和指南针W的方向作为投影方向。对采集得到的点云导入数字曲面编辑器（Digitized Shape Editor）模块，操作后得到的点云网格面如图2.1所示。图2.12.3 曲线、曲面重构与光顺2.3.1 几种常用曲线（1）Bzier(贝塞尔)曲线Bzier曲线得名于它的发明者法国工程师Pierre Bzier。Pierre Bzier就职于雷诺(Renault)汽车公司时，曾使用样条逼近的方法来设计汽车6。一条贝塞尔曲线由两个端点和若干个不在曲线上但能够决定曲线形状的点来确定。图2.1 表示了一条贝塞尔曲线，它由两个端点V0、V3和两个不在曲线上的点V1、V2来确定。V0 、V1 、V2 、V3构成一个与三次贝塞尔曲线相对应的开口多边形，称为特征多边形。这四个点称为特征多边形的顶点。一般地，n次贝塞尔曲线由n+1个顶点构成的特征多边形来确定。特征多边形大致勾画出了对应曲线的形状。图2.1 贝塞尔曲线6现阶段贝塞尔曲线采用由特征多边形顶点的位置矢量与伯恩斯坦(Bernstein)基函数的线性组合来表达曲线，其表达式为： 其中，是特征多边形顶点的位置矢量，为伯恩斯坦基函数。其基函数的表达式为：，其中多数情况下，贝塞尔曲线是一个阶数比控制点数少1的多项式。 贝塞尔曲线的性质是由伯恩斯坦基函数的性质决定的。它具有如下性质：1） 贝塞尔曲线首尾两端点分别与控制多边形两端点相等。2） 对称性：将贝齐尔多边形顺序取反，定义同一条曲线，仅曲线方向取反。3） 凸包性：贝塞尔曲线恒位于它的控制顶点的凸包内。正是由于有了凸包性，使得设计人员根据控制多边形的顶点的位置事先估计出相应曲线存在的范围，从而做到设计时心中有数。4） 保凸性：对于平面n次贝塞尔曲线，当其多边形为凸时，贝塞尔曲线为凸。5） 几何不变性：曲线的形态由特征多边形的顶点唯一确定，与坐标系的选择无关。6） 变差减小(variation diminishing)性质(又称VD性质)：任一平面与贝塞尔曲线的交点数不会超过它与控制多边形的交点数。这一性质保证了多项式随控制点平稳前进而不产生摆动。7） 移动n次贝塞尔曲线的第i个控制顶点Vi，将对曲线上参数为t=i/n的那点P(i/n)处发生最大的影响。这个性质对于交互曲线设计非常有用，设计人员可以调整最希望改动的有限的控制点，达到修改曲线的目的。一般地，三次贝塞尔曲线就能满足设计需要。有的CAD、CAM软件只能接受三次贝塞尔曲线。更高阶的贝塞尔曲线相对比较复杂，实际使用中一般不超过5次。（2）B样条曲线Bzier曲线曲面具有许多优点，如凸包性、保型性等，但也存在不足之处：其一是缺少局部性，修改某一控制顶点将影响整条曲线；其二是控制多边形与曲线的逼近程度较差，次数越高，逼近程度越差；其三是当表示复杂形状时，无论采用高次曲线还是多段拼接起来的低次曲线，都相当复杂。以B样条基函数代替Bernstein基函数而获得的B样条 (Basic-spline)曲线曲面克服了上述缺点，这也是现代主流设计软件广泛采用B样条进行交互设计的原因。我们可以把B样条曲线的公式写成如下形式：，其中为一组控制点，为B样条基函数。B样条曲面的主要性质概括如下：1） 递推性；2） 规范性：；3） 局部性：阶B样条曲线上参数为的一点至多与个控制顶点有关，与其他控制顶点无关；移动该曲线的第个控制顶点至多影响到定义在区间上那部分曲线形状，其余的曲线段不发生变化。4） 参数连续性：B样条曲线在每一曲线段内部是无限次可微的，而在节点的曲线段端点处是次可微的。5） 凸包性：B样条曲线的凸包定义在各曲线段特征顶点的凸包的并集之内，与贝塞尔曲线相比有更强的凸包性。B样条曲线和贝塞尔曲线的主要区别表现在以下四个方面： 基函数的次数：对于贝塞尔曲线，基函数的次数等于控制顶点数减1；对于B样条曲线，基函数的次数与控制顶点数无关。 基函数性质：贝塞尔曲线的基函数是多项式函数；B样条曲线的基函数是多项式样条。 曲线性质：贝塞尔曲线是一种特殊表示形式的参数多项式曲线；B样条曲线则是一种特殊表示形式的参数样条曲线。 局部控制能力：贝塞尔曲线缺乏局部性质；B样条曲线具有局部性质。 （3）NURBS曲线非均匀有理B样条(NURBS)曲线是当今倍受推崇的曲线表示方式9。几乎所有的三维设计软件如：UG NX、CATIA、PRO/E等都将NURBS曲线作为主要的表示方法。在摩托车、沙滩车的外观覆盖件设计当中，经常遇到由二次曲线表示的形状。由圆弧、椭圆弧、抛物线等二次曲线构造出的形状应用十分广泛。虽然B样条方法在表示与设计自由型曲线形状时，显示出了强大的能力，然而在表示与设计一些由二次曲面与平面构成的初等曲面时，却遇到了麻烦。因为B样条曲线和贝齐尔曲线都不能精确表示除抛物线外的二次曲线，而只能给出近似的表示。近似表示将带来处理上的麻烦，使本来简单的问题复杂化，还带来原本不存在的设计误差问题。专门用于自由型曲线的B样条方法，以及贝齐尔方法都不能适应对初等曲面的表示与设计的要求。为了解决这个问题，只有改造现有的B样条方法，保留它描述自由型形状的长处，同时扩充其统一表示二次曲线与二次曲面的能力，这种方法就是有理B样条方法。由于在形状描述实践中，有理B样条方法更多地是以非均匀类型出现，均匀B样条方法及贝齐尔方法可以看成非均匀B样条方法的特例，所以人们习惯称之为非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline，NURBS)。NURBS方法的提出就是为了找到与描述自由型曲线的B样条方法相统一的又能精确表示二次曲线的数学方法。NURBS在形状定义方面具有强大的功能和潜力，1991年国际标准化组织正式颁布了STEP标准，作为产品数据交换的国际标准。在STEP标准中，自由型曲线以及曲面唯一地采用NURBS表示。NURBS方法在摩托车领域应用十分广泛，它具有如下优点： 为标准解析图形(即初等曲线曲面)和自由型曲线曲面的精确表示与设计提供了一个公共的数学形式，因此能够使用一个统一的数据库存储这两类形状信息。 由操纵控制顶点及权因子为各种形状设计提供了充分的灵活性。权因子的引入成为几何连续样条曲线曲面中形状参数的替代物。 计算稳定并且速度快。 NURBS有明显的几何解释。 NURBS有强有力的几何配套技术(包括插入节点细分消去、升阶、分裂等)，能用于设计、分析与处理等各个环节。 NURBS在比例、旋转、平移、剪切、平行与透视投影等变换下是几何不变的。 NURBS是非均匀有理B样条形式以及有理与非有理贝齐尔形式的合适的推广。虽然NURBS有众多的优点，但它同样也存在一些无法避免的缺点： 当应用NURBS定义解析曲线曲面时，需要额外的存储空间。如在空间定义一个整圆，用常规方法仅需要7个数，即圆心坐标，圆所在平面法矢和半径R。而当用NURBS方法以外切三角形的7个控制顶点定义时，则需要38个数，即节点矢量的10个节点，再加上顶点坐标的28个数。 权因子的应用虽为设计工作提供了灵活性，但是从另一个方面考虑，也对设计人员和用户提出了更高的要求。 某些技术用传统形式比用NURBS更好。例如曲面和曲面的求交问题，NURBS方法的求交是比较复杂的。 某些基本算法例如反求曲线曲面上的点的参数值，存在数值不稳定问题。 实际上，这些问题并非NURBS所特有。对于任何一种方法，都必须扬长避短，在CADCAM领域，NURBS方法最重要的优点就是其统一表达自由曲线曲面和解析曲线曲面的能力。因而，当几何形体同时存在自由曲线曲面和解析曲线曲面时，应用NURBS方法最为有效。现在的大型CAD商品软件系统都开发和推出了NURBS功能，并且大都将NURBS作为曲线曲面的统一的标准。关于NURBS的理论研究成果已经和正在迅速转化为现实的生产力。目前国内广泛应用的CATIA、NX、ProENGINEER、I-deas、Imageware、CIMATRON等国际著名的三维CADCAM软件都具有应用NURBS方法生成曲线曲面的功能。2.3.2 曲线的连续在曲面造型过程中，经常需要关注曲线和曲面的连续性问题10。曲线的连续性通常是指曲线之间的端点连续问题。曲线的连续性通常有位置连续、斜率连续、曲率连续和曲率的变化率连续等4种类型。1）位置连续性：曲线在端点处连接，通常称为G0连续。2）斜率连续性：曲线在端点处连接，并且两条曲线在连接点处具有相同的切向并且切向夹角为0o。斜率连续通常称为G1连续。3）曲率连续性：通常称为G2连续。对于曲线的曲率连续，要求在G1连续的基础上，还要求曲线在连接点处曲率具有相同的方向，以及曲率大小相等。4）曲率的变化率连续：通常称为G3连续。对于曲线的曲率变化率连续，要求曲线具有G2连续，并且要求曲率梳具有G1连续。2.3.3 曲线的光顺光顺是CAGD(计算机辅助几何设计)中一个很传统的话题。顾名思义，光顺就是光滑、顺眼，其主观准则也就是光滑顺眼，即肉眼看起来舒服。由于NURBS技术在CAD领域中的广泛应用，对光顺性的应用和研究大部分是以B样条为基础的，并随之建立了一系列的光顺性准则。对于曲线的光顺，国内许多学者如苏步青教授、施法中教授等人认为应有如下准则：1) 曲线G2连续；2) 不存在奇点和多余的拐点；3) 曲率变化较小；4) 应变能较小。其中，准则1)是数学上的光滑概念，只涉及到每一点及其一个充分小邻域，是一个局部的概念。准则2)是我们用来控制曲线凹凸变化，以期达到拐点尽可能少的目的。准则3)的作用在于对曲线凹凸变化的控制6。这条准则表明的要求是：曲线上的曲率极值点尽可能少些；相邻两个极值点之间的曲率尽可能接近线性变化。曲线光顺的方法一般来说有两种：选点修改法和能量法。 选点修改法一般而言,如果给定的型值点大多数是好的,且坏点是孤立的(坏点附近的几个点均为好点)时,我们可以采用选点修改法。选点修改法的优点是计算速度快、修改能力强、具有局部性。曲线选点修改法的主要步骤：1) 逐次找出坏点；2) 对坏点进行修改和插值曲线；3) 反复循环以上两步,直至插值出较满意的曲线。 能量法能量法是将曲线曲面的光顺问题转化为最优化问题进行求解。作为一种整体光顺的方法，它的突出优点是可以对空间曲线进行整体光顺，而不需要将空间曲线投影后进行光顺。因而在实际应用过程中更便于使用。当然使用能量法进行光顺是一个反复过程，一次调整一般不可能达到要求，需要反复进行迭代。能量法采用样条的应变能作为目标函数，光顺的目标是使样条的应变能较小。能量法的一个缺点就是不论原来的曲线是什么形状，光顺后曲线均趋于直线段变化，此时曲线将偏离型值点过远，就可能背离了设计要求。2.3.4 几种常用曲面（1）贝塞尔曲面贝塞尔曲面是贝塞尔曲线的直接推广。我们可以使用两组正交的贝塞尔曲线构造贝塞尔曲面，其方程式如下：这种曲面称为矩形域上的乘积型贝塞尔曲面，这里为特征网格的顶点，、为伯恩斯坦(Bernstein)基函数。贝塞尔曲面与贝塞尔曲线具有相同的性质，可以提供用于交互设计应用的便捷方法。在实际应用中双三次贝塞尔曲面就基本能满足设计要求了，对于设计形状要求较高的零部件如摩托车的油箱一般的做法是将复杂曲面分解成若干张双三次曲面，再通过曲面连接与光滑过渡来等价地表示原曲面。（2）B样条曲面和贝塞尔曲面一样，B样条曲面的方程为：其中是曲面的特征网格，、为相应节点矢量上的B样条基函数。B样条曲面具有以下性质： 曲面是由控制顶点唯一确定的。 曲面一般不通过控制顶点。 类似贝塞尔曲线性质向贝塞尔曲面的推广。除变差减少性外，B样条曲线的其他性质都可以推广到B样条曲面。（3）NURBS曲面除了上述两种曲面以外，NURBS曲面也是很常见的，而且这种曲面正在越来越广泛的被采用。由于前面在介绍NURBS曲线时一并对该曲面进行了介绍，此处就不在赘述。2.3.5 曲面的连续曲面的连续性通常是曲面的边线之间的连续问题。和曲线一样，曲面的连续性也有4种类型：位置连续、斜率连续、曲率连续和曲率的变化率连续。1）位置连续性：曲面在边线处连接，通常称为G0连续。2）斜率连续性：曲面在边线处连接，并且在连接线上的任何一点，两个曲面都具有相同的法向。斜率连续通常称为G1连续。3）曲率连续性：通常称为G2连续。对于曲面的曲率连续，要求在G1连续的基础上，还要求两个曲面与公共曲面的交线也具有G2连续。4）曲率的变化率连续：通常称为G3连续。对于曲面的曲率变化率连续，要求具有G2连续，并且两个曲面与公共曲面的交线也具有G3连续。2.3.6 曲面的光顺相对于曲线的光顺，曲面的光顺准则更为复杂，通常根据曲面上的关键曲线（如u，v两个方向的等参线，或曲面与某一组平行平面的一系列截线等）是否光顺以及曲面的曲率（主曲率、高斯曲率、平均曲率等）的变化是否均匀等来判断。 曲面光顺的准则是：1）关键曲线（曲面的骨架线）光顺；2）网格线无多余拐点（或平点）及变挠点；3）主曲率变化均匀；4）高斯曲率变化均匀。上述的光顺准则只是对曲线曲面光顺性的一个大致的定性描述，在实际使用时还需对其作定量描述。另外，不同的光顺方法中，所采用的光顺准则也不尽相同。曲面光顺是几何造型中重要而又难以解决的问题，此问题一直引起人们的广泛注意和兴趣。对于曲面光顺，其光顺准则很难精确给出。早期的一种做法是用任意平面族与曲面的相交曲面族的光顺性作为曲面的光顺性判据。或者使用曲面上的等参数线的光顺性作为曲面的光顺性判据。这些方法可以归类为网格法光顺，即使用曲面上的网格的修改来代替对曲面的修改。 网格法有其固有的缺点：网格的光顺不一定说明曲面的光顺；双向的网格光顺存在约束协调问题。对此，1983年Nowacki和Reese提出以薄板应变能作为曲面光顺准则，也是当今公认的一个比较合理的准则。但由此准则构造算法比较困难。 网格法光顺算法 由于NURBS曲面是NURBS曲线在齐次空间中的张量积扩展，许多学者在讨论曲线光顺算法时，认为曲线光顺算法可扩展应用到曲面光顺中，并列举出了许多实例来说明此方法的可行性。 这种曲面光顺算法实际上是对位于双向节点矢量中的节点处的曲面双向等参数曲线进行光顺，也可以理解为对构成曲面的插值曲线进行光顺。此算法并无理论解释。因为即使构成了曲面的曲线光顺，并不能保证曲面就一定光顺。同时，双向的网格光顺也会互有影响。 但此算法在实际应用中收到了良好效果。应当指出，此算法也有其存在的实用依据。例如当设计师检查摩托车覆盖件是否光顺时，往往将其置于一些平行的线光源照射下，目测覆盖件的反射光线是否光顺，以此作为曲面光顺的依据。 能量法光顺 根据弹性薄板的应变能这一物理概念，将曲面看成是一个薄板面，则其应变能量就可以作为判断曲面好坏的准则。光顺过程即为一最小化过程：调整曲面的定义参数(一般调整控制网格顶点)，使得薄板应变能量最小。这种方法的设计主要是针对非参数曲面，而对于参数曲面，在求解薄板应变能量的最小值时将会非常困难，而这也正是参数曲面光顺的难点之一。很多学者在研究曲线、曲面光顺中，尝试使用曲线的二阶导数的平方代替曲率的平方，当曲线一阶导数比较小时，这种逼近比较精确；也尝试使用曲面的二阶偏导的二次型逼近曲率的平方；这些尝试均得到了满意的效果。2.4 曲面拼接及曲面数据质量评估2.4.1 曲面拼接曲面拼接是将光顺好的主要曲面用过渡曲面连接来，拼接处一般都是高光轮廓或形成视觉效果。 过渡曲面分为两类，一类是各种倒圆（等半径和变半径），另一类是两个（或多个）主要曲面相接（保证曲率连续）。第二类过渡面一般曲率变化大且截面线形状复杂。2.4.2 曲面数据质量分析曲面经重构。光栅后，需评估其表面质量以判定其是否满足使用要求。曲面评估包括两方面：一是评价曲面的品质，即曲面是否达到A级曲面的要求；二是评价重构曲面与点云之间的误差是否满足要求。A级曲面（通常为轮廓曲面）要求：曲率连续，沿曲面和相邻曲面有相同的曲率半径；用高光等高线检测时，高亮显示的曲线具有共同的曲率特征，等高线连续且过渡均匀、逐渐发散或收缩，不会迅速汇集消失到一点；控制点按一定规律分布，一行控制点与另一行相邻控制点的角度变化应有一定规律可循；曲面的边界线可被编辑、移动以生成另外一条曲线，同时这个新生成曲线可重新加入曲面来控制曲面。经过多次进行曲面重构、光顺及评估，CRV前保险杠达到A级曲面要求：曲面拼接处的曲率半径仅相差0.05mm，其位置偏差0.001mm；用高光等高线检测曲面时，面片之间边界过渡处的高光线变化均匀，每条高光线粗心基本一致，达到曲率均匀变化的要求。第3章 CRV前保险杠逆向设计过程3.1 CRV前保险杠逆向设计分析在动手设计3D模型之前，需要对产品进行充分、仔细的分析，得到产品最初的设计思想很重要。首先必须确定其拔模方向和拔模角度；然后通过从不同的角度进行观察，分析产品是否关于坐标系对称，是否需要重新建立坐标系等；最后观察点云的具体形状，了解曲面的划分和大体构建方法等。经过分析，CRV前保险杠可以从各个不同的角度观察点云形状，然后根据观察角度的不同，将在不同观察角度看到的面进行分类，可以分为：规整面、扭转面、曲面质量分析。另外，点云关于做表面zx plane对称。CRV前保险杠的设计要求为：设计曲面与点云的误差为+0.5mm至-0.5mm之间。曲面最小拔模角度为1.5deg。3.2 输入CRV前保险杠曲面点云数据1. 单击“新建” 按钮，弹出“新建”对话框，在其中选择Part类型，单击“确定”按钮，建立Part类型文件。2. 选择目录树上端的Part 1节点，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单里选择“特性”命令，在“特性”对话框中更改部件名称为“CRV前保险杠”，如图3.1所示。图3.13. 选择Start命令，进入“数字曲面编辑器”模块。4. 在“Cloud Import”工具栏中单击“Import”（导入点云）按钮，在Format下列表中选择Stl格式；单击Selected File文本框后的按钮，选择CRV前保险杠点云数据；其他设置如图3.2所示。单击“应用”按钮，输入点云，如图3.3所示图3.2图3.3由于点云数据关于zx plane面对称，所以只需要对一半的点云进行处理。5. 得到一般的点云数据，具体操作：选择Start命令，进入“数字曲面编辑器”模块。选择“Planar Sections”按钮，根据zx plane平面做一条点云交线，再选择“Remove”按钮，去掉有半部分的点云，得到一半的点云数据，如图3.4所示：图3.4至此，点云数据的导入，编辑处理可以结束。下面进入曲线，曲面重构阶段。3.3 规整面的创建1. 在视图工具栏中选择按钮，视图角度转换成顶视图。从视图上可三个大面。2. 选择Start命令，进入“快速重建模块”。3. 单击“Activate Areas” 按钮，激活需要构建面相对应的点云数据，如图3.5所示。图3.54. 选择Inside Trap，单击确定就可以得到所需的点云数据，如图所示。如果选择的点云数据包括其他，则再经过一次点云激活过程，就可以得到所要求的点云数据。如图3.6所示。 图3.65. 单击“Planar Sections”，在对话框中选择相应的平面，与点云相加，得到一条平面交线。这里选择zx plane，如图3.7所示：图3.76. 再利用上述步骤做一条与上一条相交的平面交线，如图3.8所示：图3.87. 单击“Curve From Scan”按钮，将所得到的平面交线转化为相交直线，如图3.9所示：图3.98. 单击确定得到交线的一条，将另外一条同样操作，得到的相交直线如图3.10所示：图3.109. 选择Start命令，进入自由曲面造型模块。单击“Net Surface”按钮，选择两天相加直线分别作为引导线和轮廓线，如图3.11所示：图3.1110. 单击应用、确定，得到网状面如图3.12所示：图3.1211. 单击“Extend”按钮，用鼠标拖动可以延伸所得到的网状面，得到新的曲面，如图3.13所示：图3.1312. 为了使重构得到的曲面能够符合点云数据，需要将曲面进行调整。单击“Control Points” 按钮，通过对控制点和阶数的调节使网状面跟点云数据相一致，如图3.14所示：图3.1413. 调整后得到的曲面如图3.15所示：图3.1514. 曲面边界通过构建曲面边界线与曲面分割或者依据边界线拉伸面与曲面修剪得到与点云数据相符的边界。边界线的构建。本设计提供两种比较简便的方法：一是，选择Start命令，进入自由曲面造型模块。单击“3D Curve”按钮，根据点云数据得到3D曲线，如图3.16所示：然后单击“Project Curve” 按钮，再将3D曲线投影到曲面得到一条曲面上的曲线，如图.017所示：图3.16图3.1715. 另一个方法就是单击“Curve on Surface” 按钮，在曲面上构建曲线，如图3.18所示：图3.1816. 构建边界。本设计依据运用两种方法： 一是，选择Start 命令，进入创成式外形设计模块。单击“Split” 按钮，分割后的边界如图3.19所示：图3.1917. 二是，选择Start命令，进入自由曲面造型模块。单击“Extrude Surface” 按钮，得到一个新的曲面，如图3.20所示：图3.2018. 再回到（创成式外形设计）模块。单击“Trim” 按钮，修剪后边界如图3.21所示：图3.2119. 按照上述的方法，将网状面的各个面依据点云数据将边界做出来，得到的完整曲面如图3.22所示：图3.2220. 对于点云数据中近似平面的的数据进行重构曲面还可以运用下一个方法操作，得到的曲面更加光顺。选取另一片点云数据，在第6步的基础上，选择Start命令，进入“创成式外形设计”模块。单击“Sweep” 按钮，得到的重构曲面如图3.23所示：其余的步骤以网状面后的一致。图3.2321. 根据上述步骤，可以将各个视图的大面全部构建出来，得到的曲面如图3.24所示：图3.243.4 扭转面有些点云数据所显示的面不的简单规整的平面，而是有扭曲的面。所以不能按照规整面的方法进行构建。本设计主要针对左视图面的曲面进程构建。1. 选择Start命令，进入“自由曲面造型”模块。2. 单击“3D Curve” 按钮，在点云数据上构造3D曲线。如图3.25所示：图3.253. 为了确保构建的3D曲线光顺，光顺后的曲线作为重构曲面的边界能够重构出光顺的曲面，所以要对3D曲线进行曲率分析，如图3.26所示：图3.264. 扭转曲面很难用一条3D曲线彻底的描述扭转曲面的边界，如果那样的话边界不光顺，曲面的质量难以保证，甚至影响后续工作。所以要将大的扭转面分成小面一次构建，从而得到完整的曲面。将一个小面分成四个边界，一次按上述步骤得到曲面边界，如图3.27所示：图3.275. 选择Start命令，进入“创成式外形设计”模块。单击“Fill” 按钮，选择四条边界线，得到构建的曲面，如图3.28所示：图3.286. 或者可以选择Start命令，进入“自由曲面造型”模块。单击“Fill” 按钮，选择四条边界线，得到曲面，如图3.29所示：不过此按钮的曲面只能点连续和切线连续，上一步骤所运用的按钮则可以曲率连续，获得更光顺的曲面。图3.297. 根据上述提供的两种方法，可以将扭转面分成小面，然后将小面的边界作为下一个相邻曲面的边界线，继续重构曲面，继而得到大扭转面。得到的扭转面如下图3.30所示：图3.303.5 曲面拼接曲面拼接是将光顺好的主要的规整面和扭转面用过渡面连接起来。曲面拼接质量直接影响产品整体视觉效果。3.5.1 倒圆角对于一些规整面，经过倒圆角能够准确无误的反映点云数据，可以选择倒圆角。1. 选择Start命令，进入“自由曲面造型”模块。单击“Shape Fillet” 按钮，选择要倒圆角的两个曲面，如图3.31所示：图3.312. 得到的圆角面如图3.32所示：图3.323.5.2 四边构面现有的规整面和扭转面都有边界线，只需要剩下的边界线构造出来，就可以根据四边构面将拼接面重构出来。1. 选择Start命令，进入“自由曲面造型”模块。单击“3D Curve” 按钮，沿规整面或扭转面的边界线构建出3D曲线，然后延伸到要求的面上，如图3.33所示：图3.332. 单击“Project” 按钮，将3D曲线投影到曲面上，如果3.34所示：图3.343. 将3D曲线删除，然后单击“FreeStyle Blend Curve” 按钮，将前一个曲面的边界线与投影线连接，如图3.35所示：图3.354 同样的方法得到另一条边界线，接下来就可以选择或者按钮，将面重构出来，此处选用按钮，如图3.36所示：图3.365 此外边界线可以根据点云数据和已重构好的规整面和扭转面利用3D曲线构建边界线。单击“3D Curve” 按钮，利用曲面的一端边界定点，再根据点云数据，最后3D线终点在要求曲面的边界线上，如图3.37所示：图3.376 得到的交线与曲面边界线构成四边面，然后按照2.4步骤就可以得到拼接面。7 规整面、扭转面和拼接面都按照上述步骤完成，即可以得到完整的CEV前保险杠左半部分的曲面，如图3.38所示： 图3.383.6 CRV前保险杠实体化和内部结构设计由于如今的产品设计都不是只考虑造型设计一个方面，还应考虑分析和加工，所以曲面的设计、构造只能是中间产物，对产品的最终要求还是要输出实体化模型。曲面的实体化有两种方法可供选择：片体加厚和偏置曲面。这二者也都具有各自不同的优缺点。 片体加厚曲面的实体化可以通过片体的加厚来完成，如图3.39。其步骤是先将所有的曲面缝合成一张曲面，再进行片体加厚。图3.39片体加厚10片体加厚的优点是可以将曲面直接转化为实体，便于后续特征建模；操作相对简单，使用方便，创建实体的效率高，实体的生成往往只需一两个命令就能解决。但是，片体加厚也有很多的缺点：1) 对曲面质量要求高，若曲面较为复杂或分块较多，增厚时会产生自相交等缺陷，实体往往不易生成；2) 只能创建等壁厚实体；3) 由于曲面上各点的法线方向不一致，造成所得到的实体在边界处出现实体表面扭曲的现象； 4) 所得到的实体边界曲面的法向复杂，因而在此实体上进行倒圆等特征操作容易失败。 偏置曲面 为了弥补片体加厚的缺点，我们在项目设计中常常放弃使用片体加厚，改用偏置曲面来创建实体模型。这样做的好处是：1) 偏置后的曲面与原曲面具有高度一致性，可构造任何厚度的实体； 2) 通过偏置方式构造的实体其边界质量好，不存在扭曲现象；3) 为后续特征处理提供了高质量的数据模型； 4) 可构造非均匀壁厚实体。然而，偏置曲面也有其不足之处：偏置后曲面裁减的工作量很大，以及曲面缝合过程较繁琐。由于存在上述区别，在曲面实体化阶段我采用了偏置曲面的方法来完成覆盖件曲面模型的实体化。首先，将做好的左半部分的曲面进行偏置。由于覆盖件的厚度为2.5mm，所以在偏置时将参数设置为2.5mm。偏置时，有一些曲面由于曲率太小，偏置不出来，还需要再进行调整。还有一些面会偏置到相反的方向，也要做出修改。偏置后的图形如图3.40所示。图黄色部分为原始曲面，红色部分为偏置后的曲面。图3.40偏置后，两曲面之间还有间隙，并没有连接在一起，还需要用直纹面将两曲面的侧面包围起来，形成一组密闭的曲面，然后再通过缝合的命令将所有的曲面缝合成为一个实体，这样即得到覆盖件左半部分的实体。在缝合时，由于偏置产生的误差，可能导致公差为0.0254时不能缝合成功，所以应当适当的将公差值增大，以便更好的将曲面缝合成为实体。将覆盖件左半部分实体关于Z-Y平面镜像，即得到覆盖件的整个实体，如图3.41所示。图3.41曲面通过偏置的方式实体化后，就可以非常方便地进行覆盖件内部具体结构的设计了。CRV前保险杠的具体结构设计通常都是通过特征建模的方式来完成的。通过实体之间的布尔运算可以使覆盖件上的支耳、加强筋以及用来安装其它零部件的具体结构特征与实体化后的曲面有机地融合在一起，形成完整的CRV前保险杠。如图3.42所示。图3.423.7 曲面分析和拔模分析1. 曲面拔模分析，如图3.43所示：图3.432. 曲面斑马线分析，如图3.44所示：图3.44从以上分析结果可以看出，在以Z轴为拔模方向，拔模角度为的要求下，能够开模成功。斑马线分析，从图片中看到光亮线连续不间断，满足连续。所以此设计满足最初的设计要求。至此，CRV前保险杠逆向设计全部完成。第4章 结论与展望本田CRV前保险杠的创新、改型开发是本田车新产品开发的一个重要组成部分。本文研究的课题是根据现行生产中的本田CRV前保险杠，对其外观进行全新的逆向设计。文中围绕本田CRV前保险杠曲面模