逆向工程在汽车设计中的应用.ppt

1 逆向工程概念 逆向工程 reverseengineering 也称反求工程 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 通过测量得到数据 从而建立起数字模型 然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 2 逆向工程流程 实物样件 数据采集 数据预处理 数据分块 曲线重构 曲面重构 CAD模型 CAE系统 CAM系统 快速成型RP 产品样件 模具 新产品 点云拼合 降噪 除杂 过滤 网格化 快速成型RP 二 逆向工程常用软件 1 geomagic 常用于点云处理 2 Imageware 常用于曲线构造 3 Catia 常用于曲面创建 4 Cloudform 常用于点云处理 数据获取技术是反求工程建模的第一步 它是用一定的设备对实物进行测量来获取实物的表面数据 有时也包括内部数据 测量的方法有很多 如图所示 数据获取方法 非接触式 接触式 三角形法 距离法 结构光法 图象分析法 机械手 坐标测量机 干涉测量法 1 常用数据采集方法 激光扫描 照相扫描 断层处理 2 接触式与非接触式测量 接触式测量过程中测头与模型表面接触进行扫描测量 其测量精度高 缺点是测量速度慢 摩擦力和弹性变形的存在易引起模型变形产生测量误差 对微细部分的测量受到限制 不适于软质材料或薄形物件进行扫描 非接触式测量速度快 精度高 排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差 精密测量获得的密集点云信息量大 精度高 最大限度地反映被测表面的真实形状 适用于各种软硬材料的各种复杂曲面模型的三维高速测量 2 激光扫描法 激光扫描法保证物件不动 通过移动镜头在物件上匀速扫过来完成扫描过程 大约每0 01s扫出一条扫描线 若干扫描线连成一体形成点云激光扫描对操作者的操作水平要求非常高 1 镜头与样件保持恒定的距离2 扫描速度恒定3 尽量避免重复扫描激光扫描的最大缺点是扫描精度低 4 工业CT和逐层切削照相测量技术 工业CT技术是一种基于X射线的CT扫描机测量方法 利用测量物体对X射线的衰减系数 由计算机重建物体的断层图像 它适合于测量复杂的内部几何形状 利用它可以直接获取物体的截面数据 根据CT图像来重构三维模型 然后转化为STL或CLI文件格式 它是目前唯一的一种既测量了零件复杂的内部几何形状 又不破坏零件的技术 但是该方法也存在很大的缺点 成本高 在Z轴方向测量精度差 目前最小厚度达0 1mm 逐层切削照相测量是一种新兴的断层测量技术 它以极小的厚度去逐层切削实物 最小可达0 01mm 并对每一断面进行照相 获取截面图像数据 其测量精度达 0 02mm 是目前断层测量精度最高的方法 且成本较低 与工业CT相比 价格便宜70 80 但它的致命缺点是破坏了零件 从发展趋势看 工业CT和逐层切削照相测量将占反求工程测量方法主导地位 应用范围也会广泛 四 点云数据的处理 点云的多视拼合点云的降噪 匀化点云数据的过滤点云数据的网格化 1 点云的多视拼合 混合式拼合逐步式拼合321拼合手动 自动拼合基于骨架点的拼合 2 点云的降噪 匀化 噪声去除 数据噪声主要由振动 镜面反射或零件粗糙的表面等因素引起 是测量中很难避免的 噪声不仅会增加曲率或法矢的估算误差 影响数据分块 而且会破坏曲面模型的光顺性 这是一个不容忽视的问题 线扫描 改进的能量法对曲线光顺 也叫变形光顺 图象数据 滤波 平滑滤波方法 包括空间域方法 低通空间滤波 中值滤波 取多幅图象平均值 和频率域方法 低通滤波 人机交互 数据匀化 样件本身复杂的拓扑结构和固定样件所用的夹具都会引起测量数据的局部缺失 这可能会给特征提取和曲面重构带来很大困难 在进行特征提取前 应通过一定的方法恢复丢失的测量信息 这就是数据匀化或数据补全技术 数据补全过程和实例 3 点云数据的过滤 数据压缩 随着激光测量技术的广泛应用 测量结果往往是大规模的 因此可能存在大量的冗余数据 在曲面造型前需要按一定要求减少测量点的数量 即进行数据压缩 不同类型的数据其压缩方法也不同 均匀压缩 8298个点 扫描点 68531个点 均匀压缩处理 0 31mm压缩至1 13mm 原始点云 均匀法 弦差分法 包围盒法 空间法 4 点云数据的网格化 点云处理的最后一步是生成网格化点云 网格化点云质量的好坏直接影响到下一步的点云数据分块 而对最终生成的曲面也有一定的影响 正确建立各点之间的拓扑关系 形成三角平面片是网格化点云的关键 另外在曲面较平坦的范围内要合理减少三角平面片数量 在曲面曲率比较大的范围内合理增加三角平面片的密度 1 特征提取 特征提取主要针对平面 柱面 球面 锥面等二次曲面的识别 2 数据的分块 在逆向设计中 由点云一次性生成符合要求的曲面不仅实现起来有一定困难 而且即便是生成了曲面在光顺性上也得不到保证 因此将点云数据进行分块 分别构造曲面再通过桥接 过渡 裁剪等细节特征处理而最终生成全部曲面就显得十分必要了 对于规则数据点常用的分块方法是曲率法 通过计算点云的曲率找到尖边区域 以此作为边界进行区域划分 拟采用的构面方法 汽车内附板点云分块结果 1 曲线的构建 NURBS 非均匀有理B样条 Not UniformrationalB Spline 曲线拟合方法1 均匀拟合2 公差拟合3 插值拟合曲线构建的原则 三个尽量 1 尽量使用均匀拟合方式来拟合曲线2 在保证曲线形状前提下尽量减少控制点数量3 尽可能地对曲线进行均匀参数化 2 曲面的创建 基于点云的曲面拟合 NURBS曲面设计 扫掠曲面 截面线 拉伸曲面 拉伸曲线 默认方向 直纹面 旋转曲面 母线 蒙皮 截面线 局部孔斯曲面混合 在NURBS曲面边界围成的矩形区域中 采用孔斯混合方式构造一张与周围曲面光滑连接的NURBS曲面 孔斯混合前 孔斯混合后 某汽车前围曲面重构结果 七 曲面连续性 1 曲面连续性概念 曲面连续性可以理解为相互连接的曲面之间过渡的光滑程度 提高连续性级别可以使表面看起来更加光滑 流畅 曲面连续性级别1 G0 位置连续2 G1 切线连续3 G2 曲率连续4 G3 曲率变化率连续 G0 位置连续 图中所示的两组线都是位置连续 他们只是端点重合 而连接处的切线方向和曲率均不一致 这种连续性的表面看起来会有一个很尖锐的接缝 属于连续性中级别最低的一种 G1 切线连续 图中所示的两组曲线属于切线连续 他们不仅在连接处端点重合 而且切线方向一致 可以看到相连的两条线段梳子图的刺在接触点位置是在一条直线上的 这种连续性的表面不会有尖锐的连接接缝 但是由于两种表面在连接处曲率突变 所以在视觉效果上仍然会有很明显的差异 会有一种表面中断的感觉 G2 曲率连续 图中的两组曲线属于曲率连续 他们不但符合上述两种连续性的特征 而且在接点处的曲率也是相同的 如图中所示 两条曲线相交处的梳子图的刺长度和方向都是一致的 这种连续性的曲面没有尖锐接缝 也没有曲率的突变 视觉效果光滑流畅 没有突然中断的感觉 这通常是制作光滑表面的最低要求 也是制作A级面的最低标准 G3 曲率变化率连续 图中的两组曲线的连续性属于曲率变化率连续 这种连续级别不仅具有上述连续级别的特征之外 在接点处曲率的变化率也是连续的 这使得曲率的变化更加平滑 曲率的变化率可以用一个一次方程表示为一条直线 这种连续级别的表面有比G2更流畅的视觉效果 但是由于需要用到高阶曲线或需要更多的曲线片断所以通常只用于汽车设计 曲面连续性总结 G0由于使模型产生了锐利的边缘 所以平时都极力避免 甚至想尽办法摆脱这种效果 不常用G1由于制作简单 成功率高 而且在某些地方极其实用 比如两个面之间的倒角就用这种连续级别 比较常用G2由于视觉效果非常好 是大家追求的目标 但是这种连续级别的表面并不容易制作 它是Nurbs建模中的一个难点 这种连续性的表面主要用于制作模型的主面和主要的过渡面 常用G3这种连续级别通常不使用 因为他们的视觉效果和G2几乎相差无几 而且消耗更多的计算资源 这种连续级别的优点只有在为了得到完美的反光效果而要求表面曲率变化非常平滑的时候才会体现出来 2 ClassA曲面 A级曲面定义滿足相邻曲面间之间隙在0 005mm以下 切率改变 tangencyChange 在0 16度以下 曲率改变 curvaturechange 在0 005度以下 且符合以下条件 1 所有特征都必须分解成单凸或单凹特征 2 所有特征线 面 阶数必须小于6阶 3 零件边界线必须光顺 4 与点云误差 5mm以内 的曲面称为A级曲面 八 曲面品质 高斯曲率检测法 1