BenzCLK车身逆向工程设计车身设计毕业设计论文Word下载.docx
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1.2逆向工程的基本原理与应用
1.2.1逆向工程基本原理
广义的逆向工程研究的对象包括产品实物、软件(图纸、程序、技术文件)或影像等,最终除了要实现形状(几何)逆向外,还包括功能逆向、材料逆向等许多方面。
它是通过综合运用专业人员的工程设计经验、知识和创造性思维,对已有产品进行解剖、消化吸收和再创造的过程,是对已有设计的再设计。
正如Varady所指出的“传统的工程将产品的概念模型或CAD模型转变为实际的零件,而逆向工程则是将实际零件转变为产品的CAD模型或概念模型”。
随着对逆向工程研究的深入,其内涵已不仅仅停留在对产品几何形状的反求上,而是将向工艺反求、材料反求等诸多方面扩展。
然而,目前多数逆向工程的研究一般还集中在几何形状反求,即重建产品实物的CAD模型方面。
本文研究中所指的逆向工程也限于这一概念。
逆向工程的主要过程如图1.1所示,
图1.1逆向工程的主要过程
线框内表示计算机辅助反向建模过程(ComputerAidedReverseModeling,CARM)
逆向工程与正向工程的主要区别在于:
正向工程是由抽象的概念到物理的实现,即从概念模型开始进行点、线、面CAD模型的设计,这是一个明确的过程;
而逆向工程则是基于实物模型去反推设计概念,即从数字化点集产生实体模型,这个从数字化点集到CAD模型建立的过程是一个分析、推理的过程。
由于数据量大,数据组织方式多样,造成几何建模的困难,准确反映实物特征的几何建模往往是RE的“瓶颈”环节。
逆向工程的工作方式与传统的产品复制方法也有明显的区别,表现在:
①运用逆向工程所处理的样件一般都比较复杂,常常包含一些空间自由曲面等,很难用常规的方法来加以精确处理。
因此,在整个处理过程中,必须使用计算机辅助技术(包括辅助测量、辅助设计、辅助制造及辅助工程分析等先进手段)。
②逆向工程是一个由多个计算机辅助子模块组成的有机系统。
要取得理想的效果,不仅要求各子模块能够较好地独立完成各项工作,还对各子模块之间的计算机集成度提出了要求,可以说集成度是逆向工程应用成功与否的又一关键,是计算机辅助测量/辅助设计/辅助制造/辅助工程(CAT/CAD/CAM/CAE)等先进计算机辅助技术集成应用的一个典例。
1.2.2逆向工程的应用
目前,逆向工程技术已在许多领域得到应用,主要包括:
(1)产品改型设计
在没有产品的设计图纸和三维CAD模型的情况下,利用逆向工程技术进行数据测量和处理,构造与样件相符的CAD模型,并在此基础上进行改型和设计,进而将此模型用于产品的分析和制造中,从而实现产品的改进与再设计。
这种工作方式可以较快地吸收先进的设计制造成果,从而使产品设计起点高、周期短、见效快。
为了提高产品的质量和竞争力,再创新才是反求的目的。
逆向工程追求的目标应是通过对CAD模型的修改,实现产品的再设计或改型设计。
目前,逆向工程在新技术和新产品的消化、吸收及创新,形成国产化产品的进程中起着不可代替的作用,被广泛地用于汽车、摩托车、家用电器等产品外形的修复、改造和创新设计,提高了产品的市场竞争力。
(2)在新产品开发中的应用
这是汽车制造等工业部门的通常做法。
首先由外形设计师用油泥、木材或泡沫塑料进行产品的外形设计,得到产品的比例模型,以便从美学角度评价产品的外形。
然后通过逆向工程技术将比例模型转化为CAD模型,得到精确的数字定义。
这样不仅可以充分利用CAD技术的优势,还能适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换需求。
(3)在模具制造中的应用
为了在激烈的市场竞争中生存和发展,模具制造业引入了许多先进技术,其中就包括逆向工程技术。
逆向工程技术在模具制造业中的应用主要体现在以产品样件为对象,对这种样件进行测量并反求出其CAD模型,运用这一模型生成加工代码。
这样可以提高模具的生产效率,降低制造成本。
(4)用于快速原型制造(RapidPrototypingManufacturing,RPM)
原型在产品的实验分析、评估、装配检查、供应商与客户的沟通等方面起着重要的作用,原型制作已成为产品开发中的重要程序。
快速原型技术采用基于离散/堆积的工艺方法,综合了机械、CAD、数控、激光以及材料科学等各种技术,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,用以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验,大大缩短了产品的研制周期。
逆向工程中的建模技术能够为RPM提供所需的CAD模型,两者相结合既能够为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充分的信息,同时可以及早验证产品质量和评估市场反应。
(5)在科学可视化中的应用
科学研究中的大量数据处理问题,长期以来一直困扰着研究工作的进展。
将科学研究的过程和结果直接显示出来,是科技工作者长期梦寐以求的目标。
McCormick等人首先在1987年发表了关于科学可视化的论文。
美国海军科学研究局ONR(USOfficeofNavalResearch)就此课题专门组织了研讨会。
会上提出了三方面的基础应用研究工作,其中第一个方面的工作就是三维建模问题,这是描述可视化过程的核心。
近年来,随着可视化技术的引入,科学处理结果的表示向可视化发展成为散乱数据处理的一个热门课题,并为其应用开辟了新的领域。
除上述领域外,逆向工程技术还应用于娱乐、服装、艺术、考古、医疗、自然景观描述等领域。
逆向工程技术在这些领域的应用同样是以实物的测量数据为基础来建立三维几何模型。
随着计算机技术的进步与模型重建方法的完善,逆向工程技术必将会得到越来越广泛的应用。
1.3国内外研究现状
国外自20世纪中期兴起了对逆向工程的研究热潮,很多学者进行了大量的研究工作。
对测量数据预处理技术,包括Farin、Taubin、Hoppe、Bajaj、Hormann、Eck、Desbrun及Sheffe等知名学者在内的许多人从不同方面做了研究,分别针对测量数据的多视拼合、孔洞修补、简化、区域分割、降噪、光顺优化、点云数据的三角网格化及测量数据参数化等问题提出了不同的处理方法。
就测量数据的光顺及优化调整来说,以Taubin、Desbrun及Hoppe的方法最具有代表性;
而Eck的协调映射法、Hormann的MIS法及Sheffer的ABF法则是测量数据参数化较常用的方法。
基于测量数据的曲面重建技术,更是备受关注。
Farin提出了三角Bé
zier曲面的插值和拼接技术;
WeiyinMa和KruthJP提出了B样条曲线曲面拟合方法,通过最小二乘迭代优化,实现曲线曲面对点的最佳拟合,既能处理规则点也能处理随机数据点;
Piegl[55]和HyungjunPark提出了基于截面线的曲面重建方法;
LAIJiing-yih、UENGWen-der及Lin等人从曲面拟合的角度研究了旋转、扫成、放样曲面的重建问题;
Werghi对基于特征及约束的曲面造型方法做了研究;
Sarkar和Rogers用单张B样条曲面拟合具有矩形拓扑的测量数据;
Milroy提出了一种近似的全局G1连续的分片B样条曲面拟合方法;
Kruth研究了满足位置、切矢或曲率连续等约束条件的基于散乱点的B样条曲面拟合问题;
Eck提出了一种基于自动四边界区域划分的分片连续的B样条曲面拟合方法;
Hormann等对任意拓扑三角网格模型进行分割,然后进行数据块参数化及B样条曲面最小二乘逼近拟合。
对曲面品质检查分析与曲线曲面光顺技术,也有许多学者做了大量研究工作。
Klass、Poeschl、Beier及Chen等学者分别提出的反射线(reflectionlines)法、等照度(isophoteslines)法与高亮线(highlightlines)法,是目前曲面品质检查分析的有效手段。
Hosaka在能量极值原理的基础上提出了一种包括光顺空间曲线和大挠度曲线在内的光顺方法,称为能量法;
Kjellander提出了一种三次均匀参数样条曲线和双三次均匀参数样条曲面的局部光顺方法;
。
Poliakoff将Kjellander方法推广应用于非均匀参数曲线的光顺中;
Farin等提出了一种通过“节点删除与插入”对B样条曲线进行光顺的方法;
Lott等提出了B样条曲面光顺的能量法。
目前,曲面光顺问题的处理方式基本上可分为以下两种两种:
一种是网格线光顺方法,另一种是能量法。
网格线光顺方法不能直接反映出曲面的整体几何特征,许多情况下这种方法的效果不太理想;
而能量法的整体效果虽好,但不具有局部性,计算工作量太大。
从理想和实用的角度来看,逆向工程研究的目标是建立一个能够自动从物理模型生成CAD模型,不需要或很少需要人工干预的高度智能化系统。
但目前距离这个目标的实现还很远,所幸的是有许多研究者正致力于这方面的研究。
作为新产品开发的重要手段,逆向工程的研究正受到广泛的重视,一些重要的国际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,如GeometricModelingandProcessingSeries、IEEETransactionsonImageAnalysisandModeling、SIGGRAPH和SPIE等会议。
从重要文献和会议情况看,国外已形成了一批长期从事逆向工程研究的单位和个人。
迄今,国外已开发了多个具有逆向工程功能的系统或模块,如美国Imageware公司的Surfacer、英国DelCAM公司的CopyCAD、法国Matra公司的Strim、美国Raindrop公司的GeomagicStudio等,以及一些CAD/CAM系统中集成的反求模块,如UG中的PointCloud功能、Pro/E中的Pro/SCAN功能、CATIA的RE2模块等。
这些系统主要以交互操作为
主,通过数据交换标准,如IGES、DXF、STL等,它们还可以与其它系统集成或进行数据交换。
与国外相比,国内研究起步晚、经费投入少,限制了高水平研究的开展,创新性的研究不多,在世界学术领域,还没有形成较大的影响力。
已知的较早从事逆向工程研究的单位多为高等院校,较有代表性的有西安交通大学CIMS中心的面向CMM的逆向工程测量方法和基于线结构光视觉传感器的光学坐标测量机的研究、上海交通大学国家工程模具中心的集成系统和自动建模技术、浙江大学生产工程研究所的三角面片建模、南京航空航天大学CAD/CAM工程研究中心的基于海量散乱点三角网格面重建和自动建模方法、华中科技大学的曲面测量与重建和西北工业大学的数据点处理、建模等,为数不多的论文散见于计算机应用、机械工程等类学位论文、会议及杂志上。
在应用研究上,除一些实验室的小型软件外,尚没有自主开发的商用逆向工程软件。
由于缺乏自主版权的CAD/CAM软件的支撑,以及逆向工程的上游测试设备和下游应用(CAD/CAE/CAM)基本为国外产品,使得国产软件产品在设备接口、数据转换和应用上一直滞后于相关产品,开发的软件显得势单力薄,与国外软件相比处于竞争的劣势。
另外国外学者在曲面光顺的研究与应用方面已相当深入,并且不断有新的理论涌现,新的方法加入到开发应用行列,如小波光顺曲面评价,光照模型等。
美欧等国制定的汽车工业CAD数据标准(见美国AIAG的材料D-15:
ProductDataQualityGuidelinesfortheGlobalAutomotiveIndustry,“全球汽车工业产品数据质量指南”,以及德国汽车工业学会的标准VDA-4955:
UmfangundQualitatvonCAD/CAM-Daten,“CAD/CAM数据的范围和质量”)中对曲面的创建和曲面之间的连续拼接作了明确的要求。
中国即将推出的CAD数据标准将以德国标准为参照,对CAD数据,特别是曲面和曲面的构造提出了严格的要求,这些都是设计人员必须考虑的,从而使设计出的曲面数字模型简洁、完整,并
合乎规范。
国内在这方面的高水平研究首推北京航空航天大学和浙江大学。
由苏步青开始的一代代学者作了大量卓有成效的工作,北京航空航天大学的施法中和朱心雄等提出了曲线和曲面光顺的评价准则,浙江大学的王国瑾等对当前流行的各种方法进行了细致的研究,推导了新的公式,提出了新的算法,编写了大量程序。
提出的平面曲线光顺准则是:
①二阶几何连续。
②不存在奇点或多余拐点。
③曲率变化较均匀。
④应变能较小。
给出的空间曲线的光顺准则为:
①二阶光滑性。
②不存在多余拐点。
③曲率变化比较均匀。
④不存在多余变挠点。
(变挠点指挠率为0的点)
⑤挠率变化比较均匀。
给出的曲面光顺准则为:
①关键曲线光顺。
②网格线无多余拐点及变挠点。
③主曲率在节点处的跃度和足够小。
④高斯曲率变化均匀。
从上面提到的光顺准则可以看出,不论是哪一种曲线曲面的光顺准则,都不外乎是对连续性和曲率分布的要求。
正是因为对曲面连续问题的高度关注,才使得光顺成为研究的热点。
目前虽然没有统一的光顺标准,但在各领域的具体应用中已经有了一定的参照。
目前各种光顺处理方法都离不开这三个方面:
1)良好的参数化。
2)直观的描述和检查方法。
3)方便、灵活的调整控制顶点。
在光顺曲线和光顺曲面的设计中,没有最优解,只有合适解,或称为稳健解;
同理,何谓车身光顺曲面模型?
如何得到车身光顺曲面模型?
这正是本文要研究的问题。
关于光顺方法的研究,国内外已经有大量的文献,但针对工程应用,尤其是对于千变万化的车身曲面设计而言,并没有明确的方法。
车身设计包含诸多方面,涉及美学、力学、结构、人机工程学等多个学科,在开发过程中对各种因素和方面进行协调以达到合适的设计是最终的目的。
第二章汽车车身的测量方法
逆向工程是针对现有三维实物,在没有技术文档的情况下,利用三维数字化测量设备准确、快速测得轮廓的几何数据,通过建构、编辑、修改生成通用输出格式的曲面数字化模型,再经过CAD/CAM系统的处理,从而生成NC加工路径或RP所需的模型截面轮廓数据,最后复制出实物或其原型的过程。
它所涉及的关键技术包括:
三维实体几何形状数据的快速获取,大型密集离散数据处理及其三维实体模型重构,快速原型及快速加工等技术。
逆向工程目前已在许多领域特别是汽车行业发挥了重要的作用。
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,在此基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。
作为逆向工程的第一步,如何高效、高精度的获得实物表面数据是逆向工程实现的基础和关键技术之一。
现有的数据采集方法主要分为三大类。
2.1接触式数据测量
此方法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。
该方法稳定,即伪劣点少、精度及重复精度高,且不受物体表面颜色及光照的限制,对物体边界也能产生准确的结果。
但由于测头的限制,不能测量到被测零件的一些细节之处,不能测量一些易碎、易变形的零件。
另外接触式测量的测头与零件表面接触,测量速度慢,测量后还要进行测头补偿,数据量小,不能真实的反映实体的形状。
接触式测量一般用在精度要求高的关键零件,例如模具的内腔表面等,和那些表面反光或是全黑的零件上。
目前最常见的接触式数据采集方法有基于力-变形原理的触发式或连续式数据采集和基于磁场、超声波的数据采集等。
接触式数据采集通常使用三坐标测量机,测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向,确定测量点数及其分布,然后确定测量的路径,有时还要进行碰撞的检查。
如意大利CORD3公司的AERO型三坐标测量机,它的接触式扫描采用点到点的双向扫描方式,配套的ACROCAD测量软件可以导入零件的CAD模型来指导测量,其图形化的交互操作大大提高测量规划的效率。
2.2非接触式数据测量
此方法利用光、声、磁等原理进行数据采集,其中光学方法细分有三角形法、测距法、干涉法、结构光法、图像分析法等。
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误差,避免了接触式测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,测头产生的光斑也可以做得很小,以便探测到一般机械测头难以测量的部位,最大限度地反映被测表面的真实形状。
正是因为非接触式测量具有这样一些突出的优点,欧盟已经专门立项对非接触式测头的性能检定方法进行研究,以期在短时间里能制订出相应的标准和规程。
当然光学的非接触式测量方法也存在一些问题,其中主要的问题是轮廓边缘的定义,在不同的光照条件下测得的边缘位置是不同的,工件表面的状况对它也有影响。
同时数据太大也会造成一些不便,因此测量规划和数据的处理就显得尤为重要。
图2.1测量仪器分类
2.3逐层扫描数据测量
前面介绍的两种方法虽然应用很广,但是存在无法测量物体内部轮廓的缺陷。
为了解决这一问题,一个很好的方法就是采用断层数据测量法。
目前断层采集法分为非破坏性测量和破坏性测量两种。
非破坏性测量主要有CT测量法、MRI测量法、超声波测量法等,这些方法可对零件表面和内部结构进行精确测量,测得的数据点密集、完整,并包含了所测零件的拓扑结构,是一种无损测量,但其精度比较低,目前最小的厚度只能达到1mm。
此外CT和MRI的成本高,对环境的要求也高,再加上可测零件的尺寸和材料都有限,因而不能广泛应用于三维物体的轮廓扫描。
破坏性测量主要有层去扫描法等,其中美国CGI公司开发并申请了专利技术的一项专利技术:
自动断层扫描仪(AutomaticCrossSectionScanning,ACSS)。
该技术采用材料逐层去除与逐层光扫描相结合的方法,能快速、准确、自动地测量零件的表面和内部的尺寸。
但是这种方法为破坏性的测量,对于贵重物品不宜采用,同时它的测量速度也很慢,一般需要8~9h。
2.4三维光栅扫描机
现以三维光栅扫描机为例说明其技术实现流程。
首先在被测物体表面喷上白色剂,以增加表面与标识点的对比度,提高标识点的辨识率;
在物体相应位置粘贴标识点:
数码点、参考点,(见图2.2)用高分辨率数码相机依次从不同角度对物体进行拍照,对数字图象进行处理,生成数据模型的参考坐标系。
最后用三维光栅扫描机对物体进行逐幅测量,在参考坐标系下进行拼合,最终生成完整的被测物体的点云数据模型。
图2.2benzclk模型扫描
从以下几个主要方面对布点优化进行探讨。
2.4.1构建参考坐标系
系统使用高分辨率数码相机对被测物体进行多次拍照,通过数字图象处理,生成数据模型参考坐标系。
在坐标系构建中,数码点的分布和识别非常重要,应注意布点均匀,充分
表现物体的形体特征,局部细节特征处要增加布点数量。
图2.3所示,对较大物体进行测量时,相机拍照位置决定数码点在布点时要分层处理,因此在拍照时按上中下有序拍摄,提高对物体各个位置数据点的辩识率,减少系统对采集数据的运算时间。
图2.3 相机测量位置
图2.4实地相机测量位置
2.4.2运用测物体的对称性
在工程实际中,考虑到许多被测物体具有对称性,测量只需在物体对称线(面)的一侧进行,然后通过软件将测量数据沿着物体的对称线进行镜向拷贝,而减少大量的测量工作,也减少了由测量次数导致的测量数据的误差。
对称测量首先要根据已知的特征对称点进行标记,以便后期软件处理时建立模型镜向对称面,也可以利用标记点建立物体的局部坐标系,然后在对称线一侧进行测量。
2.4.3提高参考点辨识率
由于采用双目CCD扫描,系统只对双目同时摄入点进行识别。
因此要求参考点内应不少于10个象素点,见图2.5,参考点内不足10个象素点将不能识别。
为提高参考点辨识率,在同幅扫描范围内,使参考点尽可能处于近似平面内,便于两个CCD镜头能够同时有效识别同一参考点,还应注意投影高度一致,标定环境与测量环境保持一致。
图2.5 参考点识别
a—有效参考点 b—无效参考点
2.4.4分区测量的区域确定
分区测量的区域划分取决于三维光栅扫描机所提供的测量范围,也取决于物体的具体形态。
分区过大,会造成无法精确表示曲面的各个部分,分区过细,又造成更多的拼接问题,影响重建模型的整体效果。
特征棱线-曲面一阶连续或二阶连续但方向明显变化处都是分区边界的明显标志。
在一个分区内,曲面一般要保证二阶连续,同时将变化较为平坦的位置作为区域分界。
在测量时可以将某些边界不规则的区域作为一个整体测量,构造局部曲面,通过多幅曲面拼接,最终得到整体曲面形状。
这样不但效率高,更重要的是可以显著提高重建模型的质量,容易达到光顺的效果。
此外,为减少各幅曲面间拼接误差,应避免局部拼接处的参考点呈直线分布,同时布点应满足被测物体的几何特征和形体均匀性。
2.4.5其他影响因素
由于光学测量机的成像特点,在对边界特征进行识别时,要使参考点位置距物体边界保持一定距离以避免对测量数据计算时遗漏边界特征。
为使物体大小表达充分,将标识点放置于被测量物体外,也便于标识点的位置固定。
但应注意景深尺寸不宜太大。
根据3-2-1法则定义的坐标系进行布点,参考点可确定测量的全局坐标系,给出全局坐标系的三维坐标点云,采用catia软件进行数据模型重构时,利于处理过程在统一坐标系下完成。
另外,对布点位置不宜选在曲率变化较大的位置和被测物体的边界处,避免造在位置误差大、测量精度低。
第三章点云数据处理
数据处理的目的是获得所测量数据的特征信息,这些信息包括扫描的方向、步距、扫描点总数、扫描线总数、三维空间极值等,这些信息有助于进行后续的曲面重构。
以前的CAD/CAM软件
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