反求工程PPT课件

1、本章内容 I.车身曲线曲面光顺 II.车身CAD建模 III. 车身逆向工程 5.1.1 光顺的概念光顺的概念 对平面曲线：对平面曲线：1）曲线）曲线C2阶连续；阶连续； 2）没有多余拐点；）没有多余拐点； 3）曲率变化均匀）曲率变化均匀 ； 对空间曲线：对空间曲线：1）曲线）曲线C2阶连续；阶连续； 2）没有多余拐点、变挠点；）没有多余拐点、变挠点； 3）曲率与挠率变化均匀；）曲率与挠率变化均匀； 5.1车身曲线曲面光顺 曲面光顺准则：曲面光顺准则：1）关键曲线光顺；）关键曲线光顺； 2）网格线没有多余拐点；）网格线没有多余拐点； 3）主曲率变化均匀）主曲率变化均匀 ； 4）高斯曲率变化均与

2、。）高斯曲率变化均与。 高斯曲率高斯曲率：曲面论中最重要的内蕴几何量。设曲 面在P点处 的两个主曲率为k1，k2，它们的乘积kk1k2称为曲面 于 该点的总曲率或高斯曲率。它反映了曲面的一股弯曲程度。 5.1车身曲线曲面光顺 5.1.2车身曲线光顺 5.1.2车身曲线光顺 5.1.3车身曲面光顺 包括：网格线光顺、能量法包括：网格线光顺、能量法 P103 检查方法：基于曲率检查方法：基于曲率(颜色映射、绘制等曲率线、主曲率线等颜色映射、绘制等曲率线、主曲率线等)； 基于光照（等照度线、反射线）基于光照（等照度线、反射线） P103-105 7 是一项研究在计算机中，如何表达物体模型形状的技术。

3、 描述物体的三维模型有三种: 。 教材P106 5.2 车身CAD建模 5.2.1车身CAD模型分类 8 前期准备。 二维效果图。 三维CAD曲面造型。 实体结构分析。 实物模型。 5.2.2车身CAD的曲面模型与实体模型 9 利用三坐标测量机测量数据点。 生成三维光顺曲线。 由曲线生成曲面。 裁剪和过渡（桥接）。 评价、检查。 5.2.2车身CAD的曲面模型与实体模型 10 G2连续。 特征网格均匀分布。 曲率方向一致。 桥接后的阶数一致。 5.2.2车身CAD的曲面模型与实体模型 11 汽车的设计过程 A从脑到手：草 图 B初步定稿：草 图说明 5.3 车身逆向工程 12 13 五、汽车设

4、计过程 C理念表达：效果图 D内部设计：内厢效果图 14 15 E1/5油泥模型 F1：1油泥模型 16 17 G 测量阶 段：三维坐 标测量 H H 最后阶段：电脑设计 18 风洞实验 19 路试 模拟及实车碰撞实验 20 21 戴姆勒在 奥地利维也纳的全球最大气候实验场 22 乔治亚罗与亲手设计的大宇Lacetti 韩版克鲁兹韩版克鲁兹 定义定义:根据产品预定的功能需求进行开发根据产品预定的功能需求进行开发,绘制出产品设计图绘制出产品设计图,制制 造并进行装配造并进行装配,得到功能完整的产品的开发模式。得到功能完整的产品的开发模式。 过程过程 确定功能与规格。确定功能与规格。 构思零部件需

5、求。构思零部件需求。 零部件设计制造。零部件设计制造。 零部件组装检验。零部件组装检验。 整机组装检验。整机组装检验。 性能测试。性能测试。 正向工程 逆向工程逆向工程 ( Reverse Engineering ),( Reverse Engineering ),又称为又称为, ,反求工程等反求工程等 定义定义: :逆向工程是将实物转变为逆向工程是将实物转变为CADCAD模型相关的数字化技术模型相关的数字化技术, ,几几 何模型重建技术和产品制造技术的总称何模型重建技术和产品制造技术的总称, ,是将已有产品或实物是将已有产品或实物 模型转化为工程设计模型和概念模型模型转化为工程设计模型和概念

6、模型, ,在此基础上对已有产品在此基础上对已有产品 进行解剖进行解剖, ,深化和再创造的过程深化和再创造的过程 汽车造型油模汽车造型油模 外外形测量形测量 设计草图设计草图 油土石膏模型油土石膏模型 测绘特征线测绘特征线 三角嵌片三角嵌片涂涂彩彩细腻涂细腻涂彩彩 正向正向工程工程 设计从实现某一功能的概念开始设计从实现某一功能的概念开始 要对产品进行功能分析要对产品进行功能分析, ,在满足功能要求的前提下选择合适在满足功能要求的前提下选择合适 的结构组合成产品雏形的结构组合成产品雏形, ,再根据约束条件来修正再根据约束条件来修正, ,直至产品直至产品 定型定型. . 难点难点/ /关键在于充分

7、了解产品的使用要求关键在于充分了解产品的使用要求, ,找到合理的物化找到合理的物化 过程和物化结构过程和物化结构 逆向工程逆向工程 几何实现的设计过程几何实现的设计过程, ,产品设计是从模型数字化的实现过程产品设计是从模型数字化的实现过程 开始的开始的, , 对已有产品的仿制或仅局部修改对已有产品的仿制或仅局部修改, ,对产品的功能不做主要因对产品的功能不做主要因 素考虑素考虑, , 难点难点/ /关键在于模型的重构技术关键在于模型的重构技术( (对已有模型进行合理几何对已有模型进行合理几何 表达的方法表达的方法) ) 正向工程 概念设计概念设计详细设计详细设计 数字化模型数字化模型 的实现的

8、实现 数字化模型数字化模型 的物化的物化 成品成品 功能功能 需求需求 设计设计 人员人员 功能尺寸功能尺寸 信息信息 设计标设计标 准准 设计设计 人员人员 设计标设计标 准准 详细结构详细结构 信息信息 设计设计 人员人员 设计标设计标 准准 CAD/CAM系系 统统 工艺标工艺标 准准 操作操作 人员人员 工艺清工艺清 单单 操作规操作规 程程 NC机机 床床 NC程程 序序 功能导向 ( Functionally-oriented ) 对象导向 ( Object-oriented ) 预定模式 ( Prescriptive model ) 逆向工程 初始数据获得初始数据获得 数字化模型

9、实数字化模型实 现现 数字化模型数字化模型 的物化的物化 成品成品 设计人设计人 员员 操作人操作人 员员 技术要技术要 求求 测量方测量方 案案 操作规操作规 程程 CMM测绘工测绘工 具具 点云模型点云模型/测量测量 数据数据 模型模型/ 样件样件 设计标设计标 准准 工艺标工艺标 准准 设计人设计人 员员 CAD/CAM系统系统 工艺清工艺清 单单 操作规操作规 程程 操作人操作人 员员 NC机机 床床 NC程程 序序 功能导向 ( Functionally-oriented ) 描述模式 ( Descriptive model ) 系统仿造 ( System as-is ) 针对一现有

10、工件(样品或模型),利用3D数字化量测仪器准确快 速地获得轮廓坐标,并加以建构曲面 编辑修改后传至一般的CAD/CAM系统, 将CAM产生的NC加工路径送至CNC加工机,制作所需模具或 者送到快速成型机(Rapid prototyping)将样品模型制作出来。 基于几何反求的逆向工程 逆向工程步骤 了解要求(客户,产品性能要求等)，这将决定设计工作量 了解设计条件，含测量手段、生产条件 产品测量。获取重构电子模型所需数据，最常用三视图的2D轮廓和特征轮廓（曲面） 合并调整点云 曲率滤波曲率滤波 点点45,000,000 100,000 划网格划网格 后处理后处理 合并反求 输出划网格滤波扫描

11、几何逆向工程 逆向工程注意事项 在反求CAD模型过程，出现扭曲现象时，要使用虚构方法进行重建，捕 捉原作品的设计思想，反求原始曲面，再进行修剪，保证所需曲面的光 顺 产品精度要求高时，需对设计结果与原件比较，检测手段: 在电脑上作比较 轮廓打印 制造模型 快速成形 最终产品还要考虑缩水或回弹及其它一些工艺问题 鞋揎的扫描和反求鞋揎的扫描和反求 汽车造型的扫描和反求汽车造型的扫描和反求 复杂曲面的反求复杂曲面的反求 逆向工程的应用 骨骼的扫描及反求骨骼的扫描及反求 牙颌的点云和反求牙颌的点云和反求 颅骨的点云和反求颅骨的点云和反求 狗狗 头头 部部 的的 点点 云云 和和 反反 求求 人人 面面

12、 部部 部部 的的 点点 云云 和和 反反 求求 应用于影视动画技术 点云点云 网格网格 艺术品的点云和反求 逆向工程的关键技术 1.1.实物（产品）尺寸的三维测量技术 2.2.测量数据的前处理技术。包括：测量数据的坏点、测量误差的去除，多 视图测量数据的整体拼接，冗余数据的去除，测量数据的简化和优化， 等等 3.3.测量数据的CADCAD反向建模技术。包括：测量数据的分割和曲面拟合，被 测实物的CADCAD模型重构技术等。 4.4.逆向工程的接口技术。包括：测量数据与快速成形系统的接口（STLSTL文 件），测量数据与CNCCNC设备的接口（DXFDXF、IGESIGES、点云文件），测量数

13、据 与CAD/CAMCAD/CAM系统的接口（DXFDXF、IGESIGES、STEPSTEP文件），以实现与现有的制造 设备、CAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAM等软件的数据交换。 逆向工程的应用 举例 前期准备: 如贴参考点、物体表面喷涂显像剂和仪器与软件校准等。 扫描过程: 叶轮的整个外形都需要扫描，无法一次扫描完成。根据叶轮 的形状，把其分成上下2部分，分别扫描。然后在ATOS软件中，通过 公共参考点把分别扫描所得的两个文件合并为一个整体。 水泵叶轮实物照片 逆向工程用于水泵叶轮测量和加工 叶轮外形尺寸为3703708585。对扫描系统校准后，即可对水泵叶轮上下部 分多个角度的

14、不同方位进行扫描 扫描软件依据参考点，把每幅扫描照片自动进行拼合，最终完成整个叶 轮外形的扫描 扫描完成后，经过点云对齐、三角化、光顺和稀化，得到的叶轮外形点 云文件。输出STLSTL文件，以便ImagewareImageware软件对点云进行后序处理 ATOS扫描仪扫描的水泵叶轮 原始点云 水泵叶轮扫描过程 对点云进行处理 Imageware软件调入点云文件，依据其特征做出一些辅助基准， 进行方位对齐，为提取截面线做准备。 过滤点云数据中的杂点，对其进行优化，删除不必要的点，适 当降低点云密度，可加快计算机处理速度。 特征线的提取 特征线的提取 根据叶轮外形特点，划分出二次曲面的区域。对点云

15、进行分割，把这些 二次曲面拟合构造平面、圆柱面或球面，或直接做出特征。 叶轮与轴连接部位是内螺旋槽，测量十分困难。关键是做出螺旋线，测 量出螺距，最后构造标准螺旋线。 以孔中心为圆点作圆并投影在螺旋面点云上，产生螺旋截面线点云， 拟合产生螺旋线，裁剪螺旋线得到半圈的螺旋线， 通过两头端点计算得出螺旋线的螺距为(29.86mm)(29.86mm)。为求得更精确的螺 距，可多做几个大小不同的圆，求其均值。 特征线分析 为了确保重构特征线的精度，在任何一条特征线的构建过程中，都要随 时检测点云和曲线之间的偏差。确保特征线在偏差允许范围内，以保证 与原型的一致性。螺旋线偏差分析结果如图所示。 构建曲面

16、模型 在UG NXUG NX中直接读取ImagewareImageware软件的* *.IMW.IMW格式文件 把在ImagewareImageware中构建好的特征曲线导入到UG NXUG NX中，并保证坐标系的一 致性。 对调入的曲线进行分析，并对曲线进行光顺处理，或对曲线进行重构和 编辑。 使用UG NXUG NX的特征造型和曲面造型功能，最终完成水泵叶轮的三维造型。 构建曲面模型 完成三维造型后，反过来可利用UG NXUG NX软件重构的三维模型读入 ImagewareImageware软件中，比较分析重构的三维模型和扫描的点云之间的偏差。 用彩色云图将差异显示出来，可直观地了解曲面与

17、点云间的差异，并且 可指定一个可接受的公差带，求出在公差带内点的数量，检测逆向扫描 测量的精确性。 利用逆向工程进行产品检验 利用传统的检测手段很难准确检测，因此同样可利用逆向工程技术对零 件进行准确、高效率的检测。 首先对加工零件进行扫描，然后把扫描所得的点云和原始设计的三维数 字模型一起调入逆向工程软件Imageware中，分析比较二个模型间的偏 差，用彩色云图将差异显示出来，从而检测零件的加工精度。 逆向工程技术不但在单件加工上可以很方便地对复杂零件进行检测，而 且在批量生产和流水化生产中对产品的抽检也显得十分方便。 如注塑件手机的外壳，就可以利用逆向工程技术很快地完成检测工作。 汽车试

18、制车间用逆向工程系统进行质量检测 汽车试制子公司有大量的零件要进行检测, ,利用逆向工程系统可对零件进行全尺寸质量检测, ,并自动生成质检报表, , 大大提高了效率 实测钣金点云的STL 文件 点云与CAD 数据的比对结果 精细件精细件上海阿尔卡特手机反求点云上海阿尔卡特手机反求点云 精细件精细件上海阿尔卡特手机曲面重构上海阿尔卡特手机曲面重构 逆向工程技术逆向工程技术(RE)(RE)：该技术采用三角光学法、光栅投影法、数字照相系该技术采用三角光学法、光栅投影法、数字照相系 统、层切法、计算机断层扫描统、层切法、计算机断层扫描CTCT（Computed TomographyComputed T

19、omography）等方法获得）等方法获得 已有产品原型的表面已有产品原型的表面CADCAD数据，可以快速实现产品的改型设计。数据，可以快速实现产品的改型设计。 RE技术在汽车研制过程中的应用技术在汽车研制过程中的应用 福萊尔轿车车灯设计福萊尔轿车车灯设计 轿车内饰结构设计轿车内饰结构设计 客车内饰仪表盘设计客车内饰仪表盘设计 逆向工程工作基础逆向工程工作基础 汽车车型反求工程流程图 快 速 原 型 测 绘 三 维 测 量 数 据 预 处 理 、 分 割 三 维 重 构 汽 车 产 品 原 型 数 控 加 工 数 控 编 程 层 片 数 据 文 件 油 泥 模 型 C A D S T L 文

20、件 激光扫描反求设备LSH系列 汽车门的三维扫描汽车门的三维扫描 采用多次扫描拼合的方法，整个车门分成14次扫描，拼合误差约为0.1mm。点距约0.5mm,点云均匀，边界清 楚 车门三维点云（采样后）散乱点显示 渲染后的点云 发动机罩测量点云拼合后发动机罩测量点云拼合后发动机罩测量点云拼合前发动机罩测量点云拼合前 新款汽车发动机罩反求测量新款汽车发动机罩反求测量 轿车车身模型扫描测量 云状数据点处理 车身顶部平面扫描结果 多视拼接结果 曲线网 NURBS曲面片 人体快速人体快速 测量测量 人体三维人体三维 模型重构模型重构 人体模型人体模型 快速成型快速成型 人体模型人体模型 快速模具快速模具 人体实物人体实物 图图1 人体模型的测量点云人体模型的测量点云 图图2 重构后的人体曲面模型重构后的人体曲面模型 (c) (c) 走姿，阴影显示走姿，阴影显示 人体