（车辆工程专业论文）汽车覆盖件反求工程设计技术的研究与应用.pdf

汽车覆盖件反求t w 设i i 技术的研究与j 衄川 摘要 反求工程是将汽车覆盖件实物模型数字化的重要方法。在车身的开发过程中，利用 反求工程对汽车覆盖件进行设计，为了获得光顺、精确的反求曲面，建立良好的汽车覆 盖件c a d 模型，本文对汽车覆盖件反求工程设计中的几方面问题进行了研究，解决了 反求工程中测量策略、数据处理和c a d 建模等关键问题。 1 ) 论文研究了在汽车覆盖件反求设计中的测量设备和测量方法。根据汽车车身模 型曲面的特点，确定了相应测量设备和测量力法；分析总结了车身曲面反求的测量策略， 提出了确定了划分特征i 又：域、确定特征轮廓线、分别制定测量方案的测量策略，采用这 种测量策略可以显著提高测量精度和测量效率。 2 ) 论文针对反求测量数据的杂乱性、冗余性，研究了数据的处理技术。提出了采 用弦切角偏芹法删除冗余点的方法，该方法减少了数据量，降低了数据的冗余性：提m 了利用三次参数样条函数对特征点进行优化的方法，从而可以获取分布均匀规则有利于 进行曲面重构的特征点。数据拟合计算结果验证了这些方法具有计算效率高、拟合精度 高等优点，并在实践- 一l i 获得了良好的效果。 3 ) 针对曲面重构与c a d 建模过程1 t 的曲面质量控制问题，提出了质量控制“修正 评估再修正”的基本思路。并研究了c a d 建模过程- li 曲面质量控制的几种方 法：a ) 总结了确定反求曲面拼接顺序的几个原则。使得反求曲面在建立过程巾达到最 良好的效果。b ) 研究了镜像方法，解决了镜像边界的质量缺陷问题。c ) 利用反求软件 中的点、线、面生产功能，通过对反求特征网格线进行二次优化，消除了拟合计算误差， 进一步优化曲面质量。d ) 对车身的突变曲面进行“二步法”处理，通过“拟合再分割” 避免了突变曲面在直接建立过程中出现的起皱现象。 4 ) 将上述理论和技术应用于某型号载货汽车驾驶室的反求工程中，从而快速地建 立了光顺、精确、完整的车身覆盖件c a d 模型。实践证明本文的所提出的理论和方法 可以成功地应用于汽车覆盖件反求工程中，能够高效i 每精度地完成车身覆盖件的反求与 c a d 建模工作。 关键词：反求工程，数据，筛选，优化，c a d i l a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v e w i d l yu s e di na u t o m o t i v ep a n e ld e s i g n ，t h u s t h e s i g n i f i c a n t l y t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c h i n d u s t r yi nc h i n a ，r e v e r s ee n g i n e e r i n gi s l e a d t i m eo fan e wv i h e c l ec a nb er e d u c e d a b o u tt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fr e v e r s e e n g i n e e r i n gi na u t o m o t i v ep a n e ld e s i g na n di n v o l v e st h em e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s ，s e l e c t o n o fm e a s u r e m e n td a t aa n do p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e s ，a n dt h ec a dm o d e l i n gt e c h n i q u e s 1 ) an e wm e a s u r e m e n ts t r a t e g y i s p r o p o s e dt oa d a p tt h e r e v e r s ee n g i n e e r i n g i n a u t o m o t i v e p a n e ld e s i g n b a s e do n t h e s y n t h e t i c a l l ya n a l y s e o ft h ea d v a n t a g e sa n d s h o r t c o m i n g so fv a r i o u sm e t h o d sa n dt h e i ra p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s ，a n e wm e a s u r i n gm e t h o di s p r e s e n t e da n dp r a c t i s e d ，s ot h em e a s u r e m e n te f f i c i e n c ya n d a c c u r a c yc a nb ei m p r o v e d 2 、1 ns e l e c t i o no fm e a s u r e m e n td a t aa n do p t i m i z e dp r o c e s s i o nt e c h n i q u e ，t h e d a t a c o l l e c t e dt h r o u g hr e v e r s ee n g i n e e r i n gw a sc l u t t e ra n dc o m p l i c a t e d ，d a t ao ft h i s k i n dw a s u n f a v o r a b l et od e f i n ec a m b e ra n dp r o d u c ed a t ao fc a d c a md a t a b a s e t h e r e f o r ei t w a s n e c e s s a r yt op r o c e s sa n do p t i m i z et h em e a s u r e m e n td a t at h r o u g hs o m ea p p r o p r i a t e w a y - ih e p a p e rf e s e a r c b e dt h ed a t ap r o c e s s i o nt e c h n i q u ei nr e v e r s ee n g i n e e r i n gf r o mt w oa s p e c t s ：t h e n l t e r a t i o n - s e l e c t i o no fd a t aa n dt h ep o l y m e r i z a t i o n o p t i m i z a t i o no fd a t a ，w h i c hw e r ep r o v e d e f f e c t i v ei np r a c t i c e 3 、) c a m b e rm o d e l i n gi nr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dc a dm o d e l i n gt e c h n i q u e t h r o u g ht h e a n a l v s i so fv a r i o u sm o d e l i n gm e t h o d sa n dv a r i o u ss o f t w a r eo fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dc a d m o d e l i n g ，t h ep a p e rs u m m a r i z e dt h et h o u g h t so fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n d m e t h o d s b a s e do n t h ef e a t u r e so ft h ea u t o m o t i v ep a n e ld e s i g ni nr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，t h ep a p e ra l s op r o v i d e d t h e q u a li t y c o n t r o lt h o u g h to fc a m b e rc r e a t e db y r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，a sw e l l a ss e v e 。a l q u a l i t y c o n t r o lm e t h o d si nt h ep r o c e s so f c a dm o d e l i n g 4 ) t h ec a m b e rr e c o n s t r u c t i o no fa nt r u c kc a bb yr e v e r s ee n g i n e e r i n gw a ss u c c e s s f u l l y f u l f i l l e di n p r a c t i c e a n d t h ec a dd a t am o d e lw a se s t a b l i s h e da f t e rt h ec o m p l e t i o no f a u t o m o t i v ep a n e ld e s i g nb yr e v e r s ee n g i n e e r i n g t h et h e s i sp r e s e n t sas y s t e m a t i ct e c h n o l o g yo nr e v e r s ee n g i n e e r i n gf o ra u t o m o t i v ep a n e l d e s i g n c o m p ，a r e dt oc u r r e n tm e t h o d s ，t h en e wt e c h n i q e sa r em o r ee f f i c i e n ta n d r o b u s t s i n c e t h e s et e c h n i q e sc a nm a k ea c c u r a t ea n ds m o o t hp a n e ls u r f a c e s ，t h ep r o p o s e dt e c h n o l o g yc a n d r o m o t et h eu s a g eo fr e v e r s ee n g i n e e r i n gi na u t o m o t i v ep a n e ld e s i g n a n da l s om o u l d m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y k e y w o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，d a t a ，s e l e c t i o n ，o p t i m i z a t i o n ，c a d 1 1 1 汽车後盖件反术t w 设计技术的石j i 究与j 0 川 插图索引 图1 1 传统设计流程1 图1 2 反求工程设计流程2 图1 3 传统车身设计方法流程图3 图1 4 现代车身设计流程图4 图2 1 三维数据获取方法分类7 图2 2 类似数控轨迹的测量路径1 1 图3 1 具有过渡特征面的反求模型1 3 图3 2 弦切角逼近标准示意图1 4 图3 3 弦切角偏差法示意图1 5 图3 4 筛选处理前后的数据对比1 6 图3 5 数据点和斜率18 图3 6 对筛选处理后的数据点进行优化获取的数据一2 2 图4 1 表示曲面的参数方法一2 6 图4 2 牛成的b 样条曲线2 7 图4 - 3 三角曲面的插值一2 9 图4 5 用t h r o u g hp o i n t s 方法生成的曲面并埘其表面进行曲率分析后的结果3 3 图4 6 用t h r o u g hc u r v e s 方法生成的曲面并对其表面进行曲率分析后的结果一3 4 图4 7 用t h r o u g hc u r v e sm e s h 方法生成的l | 面并对其表面进行曲率分析后的结果 3 1 ； 图4 8 反求工程设计质量控制流程图3 5 图4 9 仅在u 方向进行了优化的反求曲面特征网格线3 8 图4 1 0 在u 、v 两个方向均进行优化的反求曲面特征网格线3 8 图4 1l 由测量数据点的直接建立的曲面特征网格线及其构造的曲面3 9 图4 1 2 反求曲面特征网格线和分割线及由其构造的曲面4 0 图5 1 某平头货车驾驶室模型一4 l 图5 2c l y 型单臂二二坐标测量仪主体图4 2 图5 3 反求曲而区域的划分4 2 图5 4 对驾驶室模型进行测量所得的三维数据点一4 4 图5 5 经过数据筛选和优化处理的前挡风玻璃反求曲面特征网格线一4 4 图5 6 经过数据筛选和优化处理的顶盖及后围反求曲而特征网格线4 5 图5 7 经过数据筛选和优化处理的车身侧围反求曲面特征网格线4 6 图5 7 经过修剪后的年身侧围反求曲面特征网格线一4 7 v t 坝l 学俯沦义 图5 8 整个驾驶室的反求曲面特征网格线一4 7 图5 9 由测量数据反求获取的半个驾驶室反求曲面一4 8 图5 1 0 驾驶室的整个反求曲面模型4 9 图5 1l 驾驶室细部造型的边界特征线5 0 图5 1 2 驾驶室各细部造型的处理：一5 0 图5 1 3 驾驶室的反求曲面c a d 模型5 l 图5 1 4 处理完毕的驾驶室前门覆盖件零件5 2 v i 汽车粒盖件反术1 挈一设i l 技术的石j i 究f _ jj 川 附表索引 表2 1 各种测量方法比较1 0 表4 1 一模型表面的三维数据点的坐标值一3 3 v t i t 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：z ，夕年广月p 日 学位论文版权使用授权书 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，同意学校保 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。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部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 1 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保密l i 。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：九叼年y 月，日日期：卅年y 月，日 吼印年彳月2 日 硕l ：学f 誓论文 1 1 概述 第1 章绪论 在产品开发的过程中，设计工程师常常要以已知的样件( 模型) 为依据或参 考原型，进行仿形、改形设计或t 业造型设计。在汽车车身覆盖件等产品的造型 设计与结构设计中，形状独特而复杂的自由曲面零件一般不能直接建立c a d 模 型，往往是以制件模型( 如油泥模型等) 或经手工进行修改后的样件为设计原型， 这时就要根据这些模型的表面测量数据，基于新的设计概念的功能描述重构c a d 模型，然后对c a d 模型进行优化评估，直至满意的设计结果。这种从样件或模 型获取产品c a d 数模技术及相关的技术，已发展成为c a d 中一个相对独立的范 畴，称为反求工程。广义的反求t 程包括形状反求、r t 艺反求、材料反求等诸多 方而，是一个系统工程【1 ，2 。】。目前，大多数有关反求工程的研究都集中在形状反 求，即重建产品的c a d 模犁，本论文所述的“反求工程”即指这一方面。 在数字化技术的推动下，传统的制造j i k 无论在理念上还是在技术手段上都正 在经历着飞速变革。其中，反求工程( r e ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 技术产生于2 0 世纪8 0 年代，反求工程给传统的制造方法带来了巨大冲击，以r e 技术为核心的 产品( 模具) 快速开发和制造技术以快捷、高效的特点赢得了业界人十的广泛关注。 反求工程技术作为产品逆向设计和二次创新设计的重要手段，使原来以复制设计 制造为主的r p 技术获得了再创新、再设计的能力，使反求工程技术与产品数字 化设计与制造技术更紧密地结合，更好地为产品设计的再创新工程服务。 反求工程设计技术之“反求”是相对于传统的c a d 设计技术而言的。传统 的产品设计一般需要经过图1 1 所示的设计过程。 厂 厂 厂 广 i 竺兰h 竺兰竺兰h 竺兰h 竺竺兰兰l 图1 1 传统设计流程 而反求工程则是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够 进一步利用c a d c a e c a m 等先进技术对其进行处理i4 1 。它的设计流程如图1 2 所示。 汽1 i 覆蔫件反求l f 竿设汁技术的研究与应用 h 设计思维t 产 品 一 二维图 卜一一c a 。数学模型卜一 信 息 数 的 奇腑 1 - - l ! ，n ，卜l 柑 c a d c a m 控 来 买初 一 致予化亍1 珀 系统加 源 工 l 1 电子信息 _ _ 1 数据格式转换t - 图1 2 反求工程设计流程 图1 2 与图1 1 的不同之处在于设计的起点不同，相应的设计自由度和设计 要求也不相同。 般来说，产品反求上程应用于t l k 领域中主要包括以下几个内容5 6 ，7 ，8 】： ( 1 ) 新零件的设计，主要用于产品的仿型设计或改型； ( 2 ) 已有零件的复制，再现原产品的设计意图； ( 3 ) 损坏或磨损零件的还原； ( 4 ) 数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行 模型的比较。 其中新零件的设计是反求工程设计中应用得最广的一个方面，尤其是在现代 汽车的车身开发设计中起着非常重要的作用，它是汽车覆盖件曲面模型建立的关 键步骤。 1 2 反求工程在现代车身设计中的应用 1 2 1 传统车身设计方法 汽车车身是汽车结构中与底盘和发动机并列的三大部分之一，其开发和生产 周期最长，图纸及工艺准备的工作量最大，并且还经常要换型、改型，不像底盘 和发动机那样容易做到系列化、通用化 9 1 0 】。 车身覆盖件多为尺寸大而形状复杂的空间曲面，这些空间曲面无法用一般的 机械制图方法完整地表现出来，因而不得不建立三维模型作为依据。为了使这些 图纸和模型能够确切地表现出车身的形状和结构，需要通过一套复杂的没计程序 来完成。 传统的车身设计方法的过程可用图1 3 来表示。 2 硕十学位论文 制定设计仟务书 绘制l ：5 的车身总和簧图 山 绘制缩小比例的彩色效果图 山 制作缩d - 比例的油泥模型 j 制作1 ：1 油泥模犁并绘制1 ：1 黑板图 山 制作1 ：l 的内部模型 山 绘制车身主l 皇j 板 山 绘制车身工作l 冬i 图1 3 传统车身设计方法流程图 传统设计方法常常无法保证车身的外形精度，其主要原因在于设计和生成准 备的各个环节之间信息传递是一种“移形”，例如由主图板制作主模型，由主模型 进行加工工艺补充，制造工艺模型，由凸的工艺模型翻成凹的工艺模型，再由工 艺模型反靠加工冲模，原始数据经过这些环节的转换，各种人为的误差就在所难 免，导致加工出的冲模精度无法保证，只有靠下一步的手工研配来解决。 传统的车身设计及开发需要美工人员、工程技术人员及其工人通力合作，如 生产准备中的工艺设计，冲模制造、研配和调试都将耗费大量的劳动和时间【0 1 。 1 2 2 现代车身设计方法 随着c a d 技术、现代测量技术的发展及其在车身设计中的应用的不断加强， 传统的车身设计方法也在经历着数字化、信息化的技术提升，现代车身设计方法 正是在这种技术背景下产生的。通常，现代车身设计方法的流程图如图1 4 所示。 汽乍覆盖件反求i ：稃设计技术的研究j 应用 总 布 置图 山 1 ：5 投影效果图 上 1 ：5 油 3 9 模型 上 1 ：1 油 b e 模喇 0 i 三坐标测量 上 i 计算机造型及绘制 上 i 模具设计及制造 图1 4 现代车身设计流程图 现代车身设计中大量采用计算机辅助车身设计，在计算机辅助车身设计流程 中，通过反求上程将实物模型转换成c a d 数模是实施车身具体设计和分析的基 础： ( 1 ) 通过反求工程才能使油泥模型能够准确地再现于车身设计和制造中，使 设计师的创作理念能够完全地表现出来； ( 2 ) 通过反求工程建立覆盖件的c a d 数模，才能使对汽车覆盖件进行的各 种c a e 分析顺利地进行； 。 ( 3 ) 在对油泥模型进行反求的过程中，利用反求软件中的分析功能，还可以 将实物模型制造中的一些制作误差消除，使建立的c a d 模型更为光顺； ( 4 ) 通过利用反求工程建立的车身数模，才能使车身覆盖件在制作中能够使 用数控加工设备进行快速加工，并且使加工质量得到保证。 现代车身设计方法的优点主要表现在【1 0 , 1 i 】： ( 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， 并可消除凸凹模之间的研配，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；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效率。 4 硕十学位论文 ( 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 覆盖件成型模拟和空气动力特性模拟，获得对整个车身设计的车身刚度、车身安 全性、整车空气动力特性的初始评定，大大提高设计的可信度。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。 应用反求工程的一个重要条件足做好前期规划。在利用反求工程设计一个产 品之前，首先必须尽量理解实物模犁的设计思想，在此基础上还可能要修复或克 服实物模型上存在的缺陷】。从某种意义上看，反求设计也是一个重新设计的过 程。 在开始进行一个反求工程设计前，应该对实物进行仔细分析，确定设计的整 体思路，做出规划，确定工作步骤： ( 1 ) 对模型进行系统地分析，确定测量策略，根据汽车覆盖件的特点，将模 型划分为几个特征区，进行表面数据测量。 ( 2 ) 对各种表面数据获取设备进行对比分析，选择合适的测量设备。 ( 3 ) 分析测量数据误差，并进行筛选处理，确定数据优化的数学模型。 ( 4 ) 分析构成模型基本形状的曲面类型，同时要根据反求曲面的构造原理， 确定曲面构造方法。 ( 5 ) 分析各种c a d 建模系统，采用合适的c a d 软件。 1 3 课题研究的主要内容 本论文的研究内容来源于国家“十五”科技攻关项目“智能化大型复杂模具 设计、制造成套技术与装备开发和应用示范”和企业委托开发项目“某型号载重 货车驾驶室反求工程及c a d 模型”资助。由丁整个货车驾驶室曲面大，细部特 征造型多，因此，采用传统反求方法需要获取的数据量大，相应的数据处理工作 量也大，造成反求周期长，难以达到快速反求的目的。本论文在对车身结构详细 研究的基础上，提出了能够实现快速反求的新思路，研究了利用测量数据点的筛 选和优化处理技术，反求特征线的曲而构造方法以及高效的曲面特征造型技术。 在实际反求工程设计中，目前的信息获取设备和通用软件还存在着较大的局 限性 12 1 。在机械设计领域中，通用的c a d 软件集中表现为智能化低；点云数据 的处理方面功能弱；建模过程需要依靠人工干预，设计精度不够高；集成化程度 低等问题。 本论文针对汽车覆盖件反求工程中相关问题进行重点研究，主要研究内容包 括： ( 1 ) 反求工程的测量技术。面对需要获取的人量无序的三维坐标点数据，首 5 汽4 ：覆盖件反求l ： 甲设汁技术的研究j 应用 先要周全地考虑好先做什么，后做什么，用什么方法做，将模型划分为几个特征 区，采用何种模型表面数据获取方法，如何才能做到测晕的快速有效。论文对比 研究了不同的测量设备的特点，选择了合适的测量设备，并针对汽车车身曲面的 特点，提出反求工程的测量策略，从而提高测量的效略和精度，并为后续大数据 处理创造了有利条件。 ( 2 ) 测量数据的筛选与优化。对于测量获取的数据点，测量误差会造成“点 云”的杂乱性和冗余性且产生一部分噪音点，如何对数据进行过滤筛选和拟合优 化，都会对反求曲面的构建产生重大的影响，本研究提出了弦切角偏差法，进行 数据冗余点的过滤筛选，减少了数据量，降低了数据的冗余性；在过滤筛选的基 础上，构造参数样条函数，利用插值三次样条函数对数据进行数据的拟合优化， 获取了分布均匀规则有利于进行曲面重构的特征点。 ( 3 ) 反求工程曲面造型及c a d 建模技术。c a d 建模过程中反求曲面的质量 控制非常关键，反求工程设计中的拟合计算误差、曲面的拼接、曲面曲率突变的 光顺，都会影响反求曲面的质量。本文研究了以b s p l i n e 或n u r b s 曲面为基础 的曲面构造方法和以三角曲断为基础的曲面构造方法。以u g 为软件平台研究了 反求工程中的质量控制与优化方法。 ( 4 ) 结合实际汽车覆盖件反求项目，将上述方法和技术应用于车身曲面反求 的测量、数据处理和c a d 建模中，反求结果验证了这些技术在泛起工程中的优 越性。 6 硕f ：学化论文 2 1 概述 第2 章反求工程中的测量技术研究 实物模型进行反求的前提是对其曲面进行三维坐标测量，也就是将其表面信 息数宁化。在获取其表面的三维坐标数据信息的基础上，通过曲面造型技术对测 量数据进行处理与优化，最终获取反求曲面。测量得到的实物模型曲面三维数据 的好坏对反求曲面的质帚有直接的影响。近十年来，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 1 所示。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。 图2 1 三维数据获取方法分类 非接触式测头不接触待测物体的表面，其数据传递介质有激光、声波、电磁 场3 种，其中常见的为以激光为媒介的激光三角形法和激光成像法。非接触式测 量的特点是测量速度快，因而可以相当密集地对产品表面进行测量，形成所谓的 “点云”数据。接触式测量有点位触发式数据采集和连续式数据采集两种，前者 采集速度较慢，般只适用零件的表面形状检测，或需要数据较少的表面数字化 的场合；后者速度较快，因而可用于采集较大规模的数据。此外，根据采集数据 所采用的机构驱动装置和数据采集原理的不同，采集到的数据分布有完全散乱和 呈一定规则分布( 如以图像形式、轮廓线及截面线形式等) 两种类型【1 3 a 4 1 。 7 汽年覆盖件反求一i ：稃设计技术的研究与应用 2 2 接触式测量设备 接触式测量设备是利用测量探头在与被测量物体进行接触时触发一个记录信 号，并通过相应的设备记录下当时的标定传感器数值，从而获取三维数据信息【9 】。 三坐标测量机( c m m ) 是一类使用得最广泛的接触式测量设备。三坐标测量机通 常是采用粘贴式反射光栅、粘贴式磁栅或园光栅来作为其坐标的标定传感器，因 而其测量精度与相应的运动导轨精度和光栅精度有关。采用现代的精密加工设备 可获得相当高的机械结构运动精度，而光栅其自身结构的精度就相当高，因而三 坐标测量机可获得很高的测量精度，达到0 5 9 m ，并且与测量范围没有直接的联 系。三坐标测量机的最主要的缺点在于测龟速度慢，效率低，对凸凹变化大的复 杂曲面的测量尤为困难。随着现代数控技术的发展，采用数控技术的坐标测量机 已广泛地应用于各汽车制造公司的反求系统。数控测鼍的工作实质是将模拟量转 换为数值量，并且在测量机的伺服机构中采用了一种n q 做“学习程序”的编程方 法。当用人工进行首次测量时，数控计算机便“学会并记住 了测量过程，同时 还将该次测量的测量路径进行分析，下一次的测量中，其测量臂便会依据上一次 的测量路径进行再次的测量，同时在测量的过程中，其测量探头上的压力感应器 感知测量压力的变化并作出相应的调整，使得每个测量点的测量压力基本保持一 致，从而克服测量曲面上的测量路径变化的问题。在下一次的测量中，测罱路径 又会以上次测量路径作为参考，配合测量探头上的压力感应器来对新路径进行测 量。由于数控测量机具有的智能测量系统，大大提高了测量效率并减轻了工作人 员的劳动强度。 由于三坐标测量机的测量点数不可能象非接触式测量机的测量点数那样密 集，因而其测量所得数据比较适合于采用各种通用c a d 软件来进行c a d 数学模 型的反求。现在随着各种通用c a d 软件的造型功能不断加强，对由空间点和空 间曲线进行曲面造型的拟合越来越好，利用不大的数据量也能完成很好的反求曲 面，这使得三坐标测量机得到了更为广泛的应用。 2 3 非接触式测量设备 随着计算机及光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的非接触式测 量技术得到了飞速发展，其基本原理是利用某种与物体表面发生相互作用的物理 现象来获取其三维信息，如声、光、磁等。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，如光栅法，全息法，深度图像j 维测量法，激光 三角形法等。这些方法都有各自的应用范围，目前用于快速造犁技术的主要方法 有投影光棚法和激光三角形法1 1 5 09 1 。 投影光棚法的基本原理是把光棚投影到被测件表面上，受到被测零件表面高 硕十学化论文 度的调制，光棚影线发生变形。通过解调变形光栅影线。就可以得到被测表面高 度信息。目前，解调变形光栅影线的方法主要有傅立叶分析法和相移法，其中傅 立叶分析法比相移法更易于实现自动化，但准确度略低。光栅法的主要优点是测 量范围大，速度快，成本低，易于实现。缺点是准确度较低，且只能测量表面起 伏不大的较平坦的物体，对于表面变化剧烈的物体，在陡峭处往往会发生相位突 变，使测量准确度大大降低。德国的e o s c a n ( el e c t r o 。o p t i c a ls y s t e m ) 系统就采 用了投影光栅法，并已应用于快速造型系统。 激光三角形法的基本原理是利用具有规! 1 1 0 儿何形状的激光源( 如点光源、线 光源) 投影到被测表面上，形成的漫反射光点( 光带) 在安置于某一空间位置的 图像传感器上成像，按照三角形原理，即可测量出被测点的空间坐标。激光三角 形法是目前最成熟，也是应用最广的一种方法，它的测量速度快、准确度高，如 k r e o n 公司的激光测头每秒钟可以探测1 5 0 0 0 点，不确定度约为：e l o “m 。美国 d i g b o t 三维数字化仪，不确定度约为0 0 0 0 2 英寸( 5 h m ) ，可实现全自动化操作。 现在，激光三角形法存在的主要问题是：对被测表面的粗糙度、漫反射率和倾角 过于敏感，存在“阴影效应”，限制了测头的适用范围。 投影光栅法和激光三角形法虽然应用很广，但若应用在快速造型技术中，还 存在着无法测量物体内部轮廓的致命缺陷。由于快速造型技术采用分层叠加的方 法来制造零件，它不仅需要零件的外部轮廓数据，还需要内部轮廓数据，冈而上 述方法在快速造型技术中的应用范围受到较大的限制。 为解决上述问题，一个很自然的方法就是利用c t 扫描和核磁共振( m r i ) 技术，用c t 和m r i 直接获取物体的截面数据，正好与快速原型方法匹配。日本 的n a k a i 和m a r u t a n i 提出了用c t 和m r i 扫描数据重构三维数据的算法；而美国 的一个主要c a d 供应商i n t e r g r a p h 已开发了一种能够把c t 扫描数据转换成i g e s 数据格式输出的软件。 但是，用c t 和m r i 获取数据的准确度太低，目前的最小层厚也只有1 m m ， 用这种装置是无法做出实用的机械零件的。此外，c t 和m r i 的成本高，对运行 的环境要求也高，再加上可测零件的尺寸和材料都有限，因而不可能j 、泛地用于 快速造型技术。 值得注意的是，美国c g i 公司开发了一种专利技术，自动断层扫描仪 ( a u t o m a t i cc r o s ss e c t i o ns c a n n i n g ，a c s s ) 。利用该专利技术开发的r e l 0 0 0 再生 工程系统采片j 材料逐层去除与逐层光扫描相结合的方法，能快速、自动、准确地 测量零件的表面和内部尺寸，这是它的一个显著的优点，非常适合于快速原型技 术。它的片层厚度最小可达0 0 0 0 5 英寸( 0 0 1 3 m m ) ，测量1 i 确定度为士0 0 0 l 英 寸( 0 0 2 5 m m ) 。与工业用c t 相比，价格便宜7 0 8 0 ，而测量准确度却高很多， 且实现了全自动化操作。但足，这种方法采用的是破坏性测量，对于贵重零件， 9 汽车覆盖件反求j ：行设计技术的研究与应用 则不宜采用。另外就是速度较慢，般零件的测量时间是8 9 h 左右。 2 4 测量方法的比较和选择 通过前面的分析，本文可以对各种测量方法的特性进行比较如下表2 1 。 表2 ，l 各种测量方法比较 由此可见，不同的测量对象和测量目的，决定了测量过程和测量方法的不同。 在实际进行三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计工作的要求确定合 适的扫描方法并选择相应的扫描设备。例如，材质为硬质且形体曲面相对较为简 单、容易定位的物体，应尽量使用接触式扫描仪。利用专业反求软件或造型功能 强大的通用c a d 软件对测量所得的数据进行处理，可获得效果良好的反求c a d 模型。而在对橡胶、人体头像或超薄形物体进行扫描时，则需要采用非接触式测 量方法。汽车车身模犁一般可以承受较大的测量接触力、且车身曲面常具有平坦 的大面积曲面，不需要太密的表面坐标数据等特点，因此接触式三坐标测量设备 对车身外表面的反求工程非常适用。 2 5 反求工程的测量策略 由于车身表面形状复杂，即有大面积的自由曲面，又有一些棱线、曲面突变 的细化特征，还有一些凸台、凹坑及圆、椭圆类的规则特征。若采用整体人面积 测量，就会使得测量点十分庞大，且冗余点过多，不利于曲面的构造拟合，造成 曲面不光顺，而测量点过少，一些细部特征又无法保证精度。因此在测量前我们 确定了划分特征区域，确定特征轮廓线，分别制定测量方案的测量策略。 ( 1 ) 测量前先将车身或覆盖件划分为若干个不同的测量区域，并确定区域与 l o 硕f j 学化论文 区域之间的特征轮廓及区域内的特征线。 ( 2 ) 对于大面积的自由曲面采取类似于数控走刀轨迹的双向测晕路径如图 2 2 ( a ) 和单向测量路径如图2 2 ( b ) 。 测 ( a ) 双向测量路径( b ) 单向测鼍路径 图2 2 类似数控轨迹的测量路径 测量的步距根据该区域的曲率变化进行调整，这样就有利于曲面构造时进行 特征网络线的生成。 ( 3 ) 对于特征轮廓和曲面突变的细化特征单独进行测量。其测量路径沿其曲 率变化最小的方向进行测量以确保特征轮廓和细化特征的准确，有利于突变曲面 的光顺。 ( 4 ) 对于一些规则特征，事实上只在整体轮廓确定之后，测量实物模型并结 合扫描数据就可以生成。 ( 5 ) 对于一些对称件，则以其对称中心线或中心面为总体轮廓边界进行测量， 以减少测量工作量，并能确保c a d 模型的对称精度。 2 6 小结 本章分析了测量设备的特点，指出了反求工程的测量中，应该根据测晕对象 的特点以及设计工作的要求，确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备；针对 车身表面形状复杂的特点，提出了确定了划分特征区域、确定特征轮廓线、分别 制定测量方案的测量策略，采用这种测量策略可以显著提高测量精度和测量效率。 汽4 ：覆盖f ，| 反求f ：秤没汁技术的研究与应用 第3 章反求工程中数据的筛选与优化 3 1 概述 在使用接触式三坐标测量仪对汽车覆盖件等实物模型进行三维测量获取坐标 数据时，由于一些因素的影响，往往难以直接得到精确的代表完整曲面的数据， 这些不良因素主要有： ( 1 ) 三坐标测量机在测量过程中容易受到人为因素的影响，测量过程中测量 点的位置难以精确控制，从而造成测量数据具有一定的杂乱性。 ( 2 ) 用于测晕的实物模型，本身的制造误差，特别是曲面的光顺误差，曲面 上的曲率突变时的制造精度难以保证。 ( 3 ) 在实物模型的运输、保存、测量过程中，有可能对实物模型表面造成损 坏产生误差。 ( 4 ) 实物模犁受环境的影响( 如温度、湿度) 也会产生变形而使测量产生误 差。 由于上述因素的影响，反求工程在实物形状数字化( 即数据获取) 后，会发 现这些十分庞大的离散数据点，具有一定的杂乱性、冗余性且存在，部分噪音点， 这样的数据不利于定义曲面和产生c a d c a m 数据库数据，汽车覆盖件曲面测量 获得的数据若不经过处理而直接用于反求曲面生成，不仪工作量大，而且难以获 得良好的c a d 数模，因此需要通过一定的方法来对这些测量数据进行筛选和优 化，生成良好的数据点，加快反求模型的生成速度和提高反求模型的精度。 3 2 测量数据的特征线输入技术研究 快速反求工程的特点在于利用反求特征线进行反求曲面构造，因而在进行模 型的数据测量之前，要根据反求软件的曲面构造方式，数据测量设备的特点确定 需要进行测量的特征线位置、区域及测量顺序。 利用特征线构造反求曲面一般为采用的是n u r b s 曲线曲面造型。n u r b s 曲 线曲面的优点在于能够方便地对反求特征曲线进行调整，调整特征曲线的局部一 个数据点时不会对整条曲线和曲面造成影响，这就大大方便了造型中曲面的优化。 n u r b s 曲线曲而造型原理中效果最好、反求最精确的为四边域网格线构造法。 其利用横竖两个方向上的特征曲线定义反求曲面，这两个方向上的反求特征曲线 相互约束，构造出光顺的反求曲面。即使两个方向上的反求特征曲线中某一条由 于某种原洲发生变形，反求曲面生成时仍根据最大趋势上的特征线进行曲面生成， 1 2 反求获取的曲面仍然很光顺。因此，在确立反求特征线的测量方法及测量区域时， 定义了以下标准： ( 1 ) 测量区域规整性 反求曲面中难免有各种特征形状造型，应尽量选取规整曲面进行反求，细部 特征可通过测量其主要尺寸和边界后进行统生成。采用这种造型方法即获取了 光顺的反求曲面，又建立了精确的特征造型。如图31 所示，区域1 和区域2 之 间有着- - , j , 段过渡面，而且i 有倒角。若把j 域l 和k 域2 及中间的过渡面作为 一个摧体曲面进行反求，则过渡面的质景难以获取精确及光顺的结果。若将该部 件分为区域1 发区域2 两个曲面进行反求，则可以很轻易地获取两个光顺和精确 的反求曲面。利用这两个光顺的反求曲面，使用软件中的过渡造型功能，结台测 量中的过渡曲嘶定位驶相应倒角的大小定义，可方便地将过渡曲面反求出来。这 样，整个模型的反求曲面即可精确、光顺、高教的反求出米。 图3i 具有过渡特征面的反求模型 ( 2 ) 模型中细部造型的测量处理方法 反求模型表面通常会有一些突变曲面，如圆孔、翻边面等。这些突，变特征在 光顺的反求模型曲面上突然凹入一个深度这对于曲面反求来说是非常不利的， 往往使得反求曲面光顺度急剧下降，生成的突变曲面效果也很不好。为了消除这 峰突变特征对反求曲面光顺性的影响，并且获得形状良好的突变曲面形状，在模 型曲面反求过程可先跳过这些突变曲面，将其当成与周边曲面光顺相连的曲面来 处理忙j 时反求出其形状的特征曲线，在完成整体曲面的反求后，利用各突变曲面 的特征曲线生成相应的突变曲面形状。因而测量中测量特征线仍按规整的四边域 结构进行测