汽车前大灯设计.docx

1、）气车前大灯设计摘要车灯是汽车关键部件之一，它不仅对汽车的外观有画龙点睛的作用，而且直接影响行车的舒适性和安全性。车灯既是汽车的功能件，又是其外观件，一辆车的车灯就像人的眼睛，能传递它的精神和内涵，也是整车设计的点睛之笔，能体现汽车的品味，其造型设计的意义就在于彰显汽车的气质。随着汽车制造技术的不断发展和进步，作为汽车主要的照明和信号装置的汽车车灯技术不断更新。在汽车车灯新产品的研究开发过程中，逆向工程技术和思想越来越受到重视。车灯产品的造型大致可以分为数据测量、三维建模和结构设计三个阶段。关键词：汽车车灯；逆向工程；CAD建模；造。所以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

2、成为了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：接触式测量、非接触式测量和逐层测量技术。（2）数据处理技术：CAD模型重建之前应进行数据预处理，目的是获得完整准确的测量数据以方便以后的造型工作。其主要的处理工作包括数据格式的转换、数据平滑及过滤、数据精简、数据分割、多次测量数据及图像的数据定位对齐和对称零件的对称基准重建。（3）曲面重建技术：根据曲面的数据采集信息来恢复原始曲面的几何模型，称为曲面重构。根据曲面重构方法的不同，可以分为：函数曲面拟合法、矩形域参数曲面拟合法、三角曲面拟合法、神经网络拟合法。（4）模型分析和评价技术。模型的分析主要指的是对模型进行结构工程

3、分析，包括有限元分析、注塑分析和运动模拟。模型的评价主要指的是对模型的精度进行评价，一般来说是在造型的数据上取一个参考点，以参考点到评价曲面的偏差为目标函数，对模型的精度进行评价。逆向工程的一个很重要的特点就是进行模型的评价，我们实际制造中生产的产品到底是不是能符合设计的要求，这全靠最后的模型检测和评价。（5）集成的逆向工程技术。重建实物的CAD模型的目的是为后续应用提供几何支持，逆向工程技术往往和其他先进制造技术相结合，应用于产品设计和制造，如80年代初发展起来的快速原型制造技术、基于数字及网络的快速模具设计及制造技术等。由于逆向工程技术和计算机辅助测量（CAT）、辅助设计（CAD）、辅助制

4、造（CAM）以及计算机辅助工程分析（CAE）密切相关，因此其成功应用的关键不仅仅在于各计算机辅助子模块和系统是否能较好地独立完成各项工作，很大程度上还取决于各个子模块和系统的计算机集成程度。可以说逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE等先进的计算机辅助技术集成应用的一个典型例子。4逆向工程技术及应用4.1数据采集数据采集即实物数字化，是通过特定的测量设备和方法获取模型表面离散点的几何坐标数据，又称点云(PointCloud)数据，并在此基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。测量得到的点云数据正确与否，直接关系到最后的CAD模型的精度及最终产品能否符合要求。因此，高效、高精度地实现实物表

5、面的数据采集，是逆向工程的基础和关键技术之一。目前数据的测量方法有很多种，而不同的测量方法也决定了测量的精度。按照数据的获取方式划分，主要有接触式和非接触式两种。在接触测量和非接触测量中，三坐标测量机(CMM)是广泛采用的一种测量设备。接触式数据采集方法接触式数据采集方法中应用最广的是三坐标测量法。传统的三坐标测量机(CoordinateMeasuringMachine,CMM)是20世纪60年代发展起来的一种新型精密测量仪器。由于三坐标测量机具有对连续曲面进行扫描来制备数控加工程序的功能，因此一开始就被选作逆向工程的主要数字化设备，并一直使用至今。其测量原理是：将被测物体置于三坐标机的测量空

6、间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测的几何尺寸、形状和位置。三坐标测量机具有精度高、重复性好等优点，但测量速度慢，对微细部分的测量受限制，测量前后需做半径补偿，适用于精密测量。目前，美国Sheffield公司、英国雷尼绍(Rcnishaw)公司、意大利DEA公司、德国Zcss公司等公司的三坐标测量机应用范围较广。接触式测量方法的技术比较成熟，突出的优点是可以达到很高的测量精度(±0.5Wn),对样件的材质、色泽无特殊要求，特别适合于产品的误差检测，还可以人工对样件进行测量规划以减小数据处理的难度和工作量。缺点是测量效率低，不适合于测量具有复杂

7、内部型腔、特征几何尺寸少及特征曲面较多的样件模型，也不适合于复杂外形产品大规模数据采集。一般垂直向下使用，与被测表面有摩擦、磨损以及弹性变形，不能测量柔性和极薄物体，且需要进行测头半径补偿。非接触式数据采集方法非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采样，例如激光三角形法、结构光法、图像分析法等。也有核磁共振法、超声波测量法等非光学式数据采集方法。(1) 激光三角形法(LaserTriangulationMethods)激光三角形法是目前最成熟，也是应用最广泛的一种方法。其基本原理为：激光二极管所发出的激光，经过透镜聚焦投射到样件表面，被表面反射或漫射，反射或漫射的激光通过收集透镜聚焦，

8、光斑按照一定的三角关系成像于光电检测器件的不同位置，从而探测出被测表面的位置。激光三角形法的优点是测量速度快、精度高，探针不与样件接触，因此既能测量硬质工件，也能测量柔软工件。其缺点是对被测表面的粗糙度、漫反射率和倾角过于敏感，限制了测头的使用范围。(2) 结构光法(StructureLightMethods)将一定模式的光照射到被测样件的表面，然后摄得反射光的图像，通过对比不同模式之间的差别来获取样件表面点的位置。这种方法中最典型的是ShadowMoire干涉条纹法。其优点是不需要坐标测量机等精密设备，造价比较低，便携性好，但精度较低，操作复杂。(3) 图像分析法(ImageAnalysis

9、Methods)与结构光方法的区别在于它不采用投影模板，而是通过匹配确定物体从一点在两幅图像中的位置，由视差计算距离。由于匹配精度的影响，图像分析法对形状的描述主要是形状上的特征点、边界线与特征描述物体的形状，故较难精确描述复杂曲面的三维形状。(4) 工业CT法(IndustrialComputedTomography)工业CT法以测量物体对X射线的衰减系数为基础，用数学方法经计算机处理而重建断层图像。因此适合于测量复杂的内部几何形状，利用它可直接获取物体的截面数据，正好与快速造型方法匹配。这种方法是目前最先进的非接触测量方法，它可以对物体的内部形状、壁厚尤其是内部结构进行测量，但是它的空间分

10、辨率低，重建图像计算量大，造价高。(5) 核磁共振法(MagneticResonanceImaging)和CT一样可以提供物体的断层影像。不同于己有的成像术，它能深入物体内部而不破坏物体。但其造价高，空间分辨率不及CT,且目前对非生物材料不适用。(6) 超声波测量法(UltrasonicMethods)其原理是当超声波脉冲到达被测物体时，在物体和空气两种介质分界面会发生回波反射，通过测量回波与零点脉冲的时间间隔计算出被测点与冬点的距离。这种方法相对于CT和MRI而言，成本低、量程大，但速度慢、精度低且不稳定。以上方法都有各自的特点、原理和应用范围，在实际测量中，测量方法的选用需根据被测物体的形

11、状特征和应用目的决定。在未来的发展趋势中，非接触式测量将越来越占据主要地位，但三坐标测量机在精度方面仍具有优势。对一些具有特殊的数字化要求的实物(如内部结构)，基于CT和MRT的测量依然是一种不可替代的测量手段。可以说，迄今为止还没有一种完全适合于逆向技术的快速、精确的全能测量方法。4.2数据处理数据处理是逆向工程的一项重要的技术环节，它决定了后续CAD模型重建过程能否方便、准确地进行。数据处理工作主要包括：测量数据格式的转换、变形处理、多视拼合、噪声去除、数据插补、数据精简和数据分割等。测量数据格式转换每个CAD/CAM系统都有自己的数据格式，目前流行的CAD/CAM软件的产品数据结构和格式

12、各不相同，不仅影响了设计和制造之间的数据传输和程序衔接，而且直接影响了CMM与CAD/CAM系统的数据通讯。为了解决上述问题，目前已制定了几个主要数据交换标准，如IGES格式、STEP格式以及AutoCAD的DXF图形数据交互文件等。由于CMM的数据简单，通过IGES格式转换比较简便，并且几乎所有国际上知名的CAD系统都配置了IGES接口，因此，在CMM和CAD/CAM系统之间以IGES格式传输数据就成为标准的选择和配置。变形处理许多产品，尤其是塑料制品，在拆下后存在着相当严重的外观变形，并且在测量装夹时很难完全将变形消除，结果使得测量数据无法正确反映产品的实际形状。因此，必须将变形样件的测量

13、数据进行“纠正”，使其“恢复”到没有变形时的状态，才能确保逆向造型结果是可靠的和有效的。常见的基本变形类型有三种，即伸缩、扭转和弯曲，如图4.1所示。产品的复杂变形一般可以看作是这三种基本变形的组合。（a）拉伸（b）扭转（c）弯曲图4.1常见的变形类型为预防产品的变形所有零部件应尽可能在装配状态下测量，在装配状态下无法测量的部分可分两种情况处理：一是零件之间互相遮挡的部分，可采取逐层拆卸逐层测量的方法进行。二是零件的背面，应采用重定位的方法进行。在拆卸任何零件之前均应测量其重定位基准，并注意在拆卸过程中尽可能保证产品上的所有零件不发生变形。在各种测量误差中，以产品变形引导致的误差最大，也最难解

14、决。变形矫正的方式有两种：一是矫正产品的装夹。可以利用三坐标测量检验产品是否在装夹过程中发生变形，并对装夹进行相应的调整。对重要的产品甚至可以制作专用的测量装夹工具，以消除产品的变形。二是利用软件对产品的三坐标测量数据进行“反变形”，从而抵消产品的变形。不过，采用软件进行反变形操作的前提是根据三坐标测量数据，正确地判断产品变形的类型、范围和大小，并制订出正确的反变形方案。否则，不仅难以消除原有的变形，还会带来新的变形。因此，该操作需要测量人员有较高的分析能力和丰富的实践经验。在实际工程中，要测量的范围经常是被测件的全部轮廓，即整体外形和内部形腔（若有）。对于接触式三坐标测量机，由于产品尺寸超出

15、测量机的行程，以及部分区域测量探头受被测实物儿何形状的干涉阻碍，这时就需要在不同的定位状态（即不同的坐标系）下测量产品的各个部分，得到的数据为多次测量数据。对于激光扫描测量，需要从不同的角度对样件的各个面，以及样件局部进行放大扫描，得到的数据也是多次测量数据。在这两种情况下，产品的数字化不能在同一坐标系下完成，而在模型重建的时候乂必须将这些不同坐标下的数据统一到一个坐标系里，这个数据处理过程就是多视拼合。多视拼合有两种方法，一是对点进行处理，即直接对点云进行拼合，再重构出原型；二是对各数据点云局部构造几何形体，然后拼合形体。由于各数据点的集合特征不一致，第二种方法带来的儿何形体之间的布尔运算将

16、涉及到许多CAD中曲而的拼接、求交、拓延和过渡等目前尚未解决或解决不甚圆满的难题。基于点拼合的最大优点是能对物体所求得的各个面有总体把握，能获得拓扑上一致的数据结构，所以比较常用。许多产品是几何对称的，如汽车、摩托车等。对称产品的测量和造型都只需要完成对称面的一侧就行，另一侧则可通过镜像操作生成。所以，对称产品测量数据处理的一个关键点就是要根据测量数据精确地找到产品的对称面，称为对称基准重建。一般情况下可以通过不断变换坐标系的位置和角度来完成对称基准的重建。季劲松等人设计并实现了专用的软件工具箱，可快速有效地完成基准重建，同时在实现过程中有效地控制了误差的积累，保证了重建质量。在数据采集过程中

17、，由于受测量设备的精度、扫描速度、操作者的经验和被测零件表面质量等诸多因素的影响，难免采集到一些噪声点、坏点，这些点都要在模型建立之前进行剔除。判断噪声点的方法有：（1）直观检查法。通过图形终端，用肉眼直接将与扫描线数据偏离较大的点或存在于屏幕上的孤点剔除。这种方法适合于数据的初步检查，可从数据点集中筛选出一些偏差较大的异常点，如图4.2所示。图4.2直观检查法剔除噪声点（2）曲线检查法。通过扫描数据的首尾点，用最小二乘法拟合得到一条拟合曲线。曲线的阶次可根据曲面截面的形状确定，通常为34阶。然后分别计算中间数据点到样条曲线的距离，如果"|N|£。|,其中|£。|

18、为给定的误差,则认为是噪声点，应以剔除，如图4.3所示。图4.3曲线检查法（设定的|£。|二0.5）（3）弦高公差法。连接检查点的前后两点，计算Pi到弦的距离，同样如果IeI£。I,其中I£。I为给定的误差，则认为Pi是坏点，应以剔除。这种方法使用于测量点均布且点较密集的场合，特别是在曲率变化较大的位置，如图4.4所示。图4.4弦高公差法由于被测模型本身的几何拓扑原因或因遮挡效应、破损等原因，会存在部分表而无法测量、采集的数字化模型存在数据缺损的现象，如深孔类零件或内部尖角处就无法测全；又如在测量过程中，常需要一定的支撑或夹具，模型与夹具接触的部分就无法获得真实的

19、数据；再如用于数据拼合的固定球和标签处的数据也无法测量，因而需对数据进行补缺。目前应用于逆向工程的数据插补方法或技术主要有实物填充法、造型设计法和曲线、曲面插值补充法。(1) 实物填充法。在实践中通常用生石膏加水后将孔或糟的缺口补好，要求填充表面尽量光滑、与周围区域光滑连接。石膏在短时间内固化，待其表面较硬时就可以开始测量。测量完毕后，将填充物去除，再测出孔或槽的边界，用来确定裁剪边界。失误填充法虽然原始，但不失为一种简单方便而又行之有效的方法。(2) 造型设计法。在实际中，如果实物中的缺口区域难以用实物填充，可以在模型重建过程中运用CAD软件或逆向工程软件的曲面编辑功能，如延伸、连接和插入等

20、功能，根据实物外形曲面的几何特征，设计出相应的曲面，再通过裁剪，离散出须插补的曲面，得到测量点。(3) 曲线、曲面插值补充法。曲线、曲面插值补充法主要用于插补面积不大，周围数据信息完善的场合。其中曲线插补主要适用于具有规则数据点或采用截面扫描测量的曲面，而曲面插补既适用于规则数据点也适用于散乱点。无论是基于曲线还是曲面插补，两种情况得到的数据点都需要在生成曲面后，根据曲面的光顺和边界情况反复调整，以达到最佳插补效果。运用点云数据进行造型处理的过程中，由于海量数据点的存在，使存储和处理这些点云数据成了不可突破的瓶颈。实际上并不是所有的数据点都对模型的重建起作用，因此，可以在保证一定的精度的前提下

21、减少数据量，对点云数据进行精简。不同类型的点云可采用不同的精简方式，散乱点云可通过随机采样的方法来精简；对于扫描线点云和多边形点云可采用等距离缩减、倍率缩减、等量缩减、弦偏差等方法；网格化点云可采用等分布密度法和最小包围区域法进行数据缩减。对测量数据进行分割，可将复杂的数据处理问题简化，使后期的曲面局部修正变得方便零活，有利于提高精度。数据分割方法可以分为基于测量的分割和自动分割两种方法。基于测量的分割方法是指在测量过程中，操作人员根据实物的外形特征，将外形曲面划分为不同的子曲面并对曲面的轮廓、孑L、糟边界、表面脊线等特征进行标记，在此基础上进行测量路径规划，这样不同的曲面特征数据将保存在不同

22、的文件中，输入CAD软件时，可以实现对不同数据类型的分层处理及显示，为造型提供极大的方便。这种方法适合于曲面特征比较明显的实物外形和接触式测量。操作者的水平和经验对结果将产生直接影响。目前常用的自动分割方法有：M.Yang等1999年提出的基于参数二次曲面逼近、改进的基于面的数据分割方法；HuangJianbing等2001年提出的针对无规则的3D数据点的自动数据分割方法；用于CT数据的基于面得数据分割方法。4.3模型重构在整个逆向工程中，产品的三维模型重建是最关键、最复杂的环节。因为只有获得了产品的CAD模型我们才能够在此基础上进行后续产品的加工制造、快速成型制造、虚拟仿真制造和进行产品的再

23、设计等。因此，一个有经验的造型人员，在模型重建之前，应详细了解模型的前期信息和后续应用要求。前期信息包括实物样件的几何特征、数据特点等；后续应用包括结构分析、加工、制作模具、快速原型等，以选择正确有效的造型方法、支撑软件、模型精度和模型质量。目前使用的造型方法主要有：基于曲线的模型重建技术，基于曲面的模型重建技术，基于特征的模型重建技术。基于曲线的模型重构技术曲线是构建曲面的基础，在逆向工程中，一种常用的模型重构方法是：先将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线（或参数曲线），再利用造型工具，如扫掠、N边曲面、网格曲面、直纹面等完成曲面片造型，最后通过延伸、剪裁和过渡等曲面编辑，得到完整的曲面模型

24、。如图4.5所示为基于曲线的模型重构过程。变体模型曲面模型曲面片重建曲线拟合数据处理数据采集下沥应用图4.5基于曲线的模型重构过程常用的基本曲线主要有Bezier曲线、B-Spline曲线和NURBS曲线这三种。Bezier曲线Bezier方法是一种以逼近为基础的参数曲线。P.E.Bezier以这种方法为主，完成了一种曲线和曲面的设计系统UNISURF,并于1972年在法国雷诺汽车公司应用。这使得设计师在计算机上运用起来就像使用常规作图工具设计一样得心应手。Bezier曲线是对控制多边形的首尾两个控制点进行插值。通常使用的Bezier表达式也是使用Bernstein多项式来表示的，如下式所示。

25、o</<iS(小募7T"(J广其中1).是bernstein多项式它构成的是Bezier曲线的基函数；Pi(i=0,1,n)为Bezier曲线控制多边形的n+1个控制点，且n表示的是Bezier曲线的阶数。如图4.6所示为三次Bezier曲线。图4.6三次Bezier曲线Bezier曲线具有很多优良特性，如对称性、凸包性、几何不变性等，用户通过调整曲线的控制点便可以直观的对Bezier曲线进行修改。但有两点不足：一是Bezier曲线或曲面不能作局部修改；二是Bezier曲线或曲面的拼接比较复杂。B-Spline曲线1972年，Gordon>Riesenfeld等人提

26、出了B-Spline方法，在保留Bezier方法全部优点的同时，克服了Bezier方法的不足。与Bezier曲线采用Bernstein多项式作为基函数不同，它采用样条函数作为其基函数，这可以允许在保持曲线阶数不变的情况下而使用更多数量的控制点来进行曲线的构建。样条是分段连续的参数曲线，每段曲线以特定的参数值(称为参数节点)相连接。B样条曲线方程可写为：P()=£sNx()0</<1其中，di(i=0,1,n)为控制顶点，顺序连接成的折线称为B样条控制多边形。Ni,k(u)(i=0,bn)称为k次规范B样条基函数，而有冷蚩芒”B样条曲线具有能描述复杂形状的功能和局部性质，是

27、最广泛流行的形状数学描述的方法之一，己成为关于工业产品儿何定义国际标准的有理B样条方法的基础。NURBS曲线B样条曲线在表示与设计自由型曲线、曲面形状时显示了强大的威力，然而在表示与设计初等曲线、曲面时却遇到了困难。因为B样条曲线不能精确表示除抛物线外的二次曲线，B样条曲面不能精确表示除抛物面外的二次曲面，而只能给出近似的表示。为了找到与描述自由型曲线、曲面的B样条方法既相统一，又能精确表示二次曲线弧与二次曲面的数学方法，提出了NURBS方法。NURBS是非均匀有理B样条(Non-UniformRationalB-Spline)的简称。NURBS曲线是由分段有理B样条多项式基函数来定义的：/&

28、gt;()=0</<1力C()A-0其中：3i(i=0,1,n)是控制顶点的权重系数，Ni,k(u)是k次规范B样条基函数，P是控制顶点。基于曲面的模型重构技术上面研究的基于曲线的模型重构技术仅适合处理数据量不大而且数据呈有序排列的情况。而基于曲面的模型重构技术既可以处理有序点，也能处理点云数据(散乱点)。基于曲面的模型重构技术直接对测量点数据进行曲面片拟合，获得曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型，其过程如图4.7所示。»»»模型汗价图4.7基于曲面的模型重构过程目前比较常用的曲面重构方法有以下几种：利用三角Bernstein-Bezier曲

29、面模型方法来进行曲面重构，利用B-Spline方法来进行曲面重构，用NURBS方法来进行曲面重构等。基于Bezier曲线的讨论，我们可以方便地给出Bezier曲面的定义和性质。Bezier曲线的一些算法也可以很容易地扩展到Bezier曲面的情况。Pi,j(i二0,1,n；j=0,1,m)为(n+1)X(m+1)个空间点列，则mXn次张量积形式的Bezier曲线为：W，少=££乙")%.人，).ve0.1AO其中是”(")=C"'(I-")，S('')*"(j)'是Bernstein基函数。依次

30、用线段连接点列Pi,j(i=0,1,n；j=0,1,-in)中相邻两点所形成的空间网格称之为特征网格。在一般实际应用中，m,n不大于4,且与Bezier曲线控制点修改的全局性相同，通过Bezier曲面控制网格顶点的移动将该网格定义的曲面整体形状产生影响。AbstractLightisakeypartofautomobile,itnotonlyhastheeffectthatmakethefinishingpointtotheappearanceofthecar,anddirectlyaffectthedrivingcomfortandsafety.Lightisboththefunctiono

31、fautopartsanditsappearance,acar'sheadlightslikepeople'seyes,itcanbedeliveredthespiritandconnotation,alsoisthenodseyeballpenofvehicledesign,canreflectthetastesofthecar,thesignificanceofitsmodellingdesignistoshowthetemperamentofthecar.Withthecontinuousdevelopmentofautomobilemanufacturingtechno

32、logyandprogress,asthemainautolightingandsignaldeviceofcarheadlightstechnologyconstantlyupdated.Incarheadlightsintheprocessofresearchanddevelopmentofnewproductsandreverseengineeringtechnologyandthethoughtismoreandmorealtenlion.Lampproductmodellingcanberoughlydividedintodatameasurement,3dmodelingandst

33、ructuredesignofthreestages.KeyWords:Autolamp;Reverseengineering;CADmodeling;三角曲面又叫三边曲面，其特点是首先自动生成三角形网格，然后提取曲面特征，根据提取结果精化三伯形网格，最后构造三/fjBezier曲面，保证曲面片之间G1光滑连接此种方法最适合表现无规则复杂型面的物体，特别是人面、地貌等日然物体以及玩具等产品，具有构造灵活、适应性好的特点，因而在数据为散乱点类的曲面拟合中能有效应用。缺点是采用Bezier曲面模型，与采用拓扑矩形曲面的CAD/CAM系统兼容性差。为与其它CAD/CAM系统进行数据交换，此类系统通常

34、还需要将三角曲面片转化为NURBS曲面。基于B-Spline曲面的模型重构方法B-Spline曲面是B-Spline曲线在曲面空间的推广，它的数学表达式如下式所示。W）=££（）匕（匕、601其中，m,n分别为u,v参数方向上B-Spline曲线的次数；k,1分别为u,v参数方向上B-Splinc曲线的阶数；Pi,j为曲面的控制点。B-Spline曲面重构是逆向工程、计算机图形学及CAD/CAM中的重要重构方法。这种方法是通过无序的B样条曲线，减少曲线的约束条件，允许这些曲线在任意方向相交；再利用曲线在曲面上的性质生成曲面。它继承了Bezier方法的一切优点，又克服了它的缺

35、点，较成功地解决了局部控制和参数连续问题上的拼接问题。但是也有以下问题：二次项难以精确表达；需定义矩形拓扑网格；难以用单一B-Spline曲面片重建任意拓扑曲面；难以同时满足相邻B样条面片间的切面连续和保持面片网与数据点的拟口。基于NURBS曲面的模型重构方法NLRBS曲面是NURBS曲线在曲面空间的推广，它的数学表达式如下式所示。，（,，'）=、，隹0.1££心（修（小幻其中，m,n分别为u,v参数方向上NURBS曲线的次数；k,1分别为u,v参数方向上NURBS曲线的阶数；3讥j是曲面各控制点对应的权重系数；pi,j为曲面的控制点。特点是先构造特征曲线，包括轮廓

36、线、截面线等，进行曲面片的划分，然后根据特种仙线构造NURBS曲面。为保证曲面的整体品质，必须对曲面进行拼接和光顺。由于NURBS曲面时当前工业界CAD数据交换标准，所以此类系统与目前商品化CAD/CAM系统的数据交换非常方便。缺点是对于复杂形体，特征曲线的构造相当困难，不适于既有自由曲面又有大量简单的解析曲面和平面的情况。从目前的研究现状和应用情况来看，曲面模型重建方法的研究相对比较成熟，以后研究的重点将逐渐转移到如何减少曲面模型重建过程中的人机交互、提高曲面模型重建的精度和效率等方面。基于特征的模型重构技术无论是基于曲线还是基于曲面片的直接拟合的模型重构方法，都将模型重建分割为孤立的曲面片

37、造型，忽略了产品模型的整体属性。而大多数机械零件产品都是按一定特征设计制造的，儿何特征是儿何造型的关键要素，它对控制儿何形体的形状有着极为重要的作用，同时特征之间还具有确定的几何约束关系。因此，在产品的模型重构过程中，一个重要的目标是还原这些特征以及它们之间的约束。特征是一个抽象的概念，在CAD/CAM领域，特征可以定义为与零件设计、制造相关的若干属性的携带者，特征具有明显的工程意义和严格的性质。特征可分为设计特征、制造特征、装配特征、材质特征、精度特征等各种类别。从逆向工程模型重建的角度出发，通常只考虑与造型相关的几何特征，目的在于还原模型的各种几何特征以及它们之间约束关系，实现更高的特征层

38、次上的模型重构。从当前的研究看，基于特征的模型重构方法主要可以分为基于曲面特征和实体特征重构两大类。基于曲面特征的模型重构方法首先通过自动或交互的方式对模型表面进行功能分解，识别出各个数据集对应的曲面特征类型（平面、二次曲面、旋转面、自由曲面等）；然后用某种曲面特征拟合给定的数据集，确定其几何参数并通过参数判定曲面间的约束关系；建立满足约束条件下逼近测量数据点的最优化数学模型，求解得到满足约束关系的曲面集；最后通过曲面延伸、求交、裁剪和缝合得到实物样件的B-rep实体模型。英国爱丁堡大学的Fisher、Robertson>Werghi等人主要研究了平面、二次曲面和自由曲面间的约束拟合问题

39、。但他们没有研究曲面间约束的自动识别，需要用户识别约束作为先决条件，而且还存在约束方程的表达复杂、需保证曲面同步拟合的目标函数和约束方程是线性可微等缺点，因此适用性不强。基于实体特征融合的模型重建的基本思想是从测量数据中提取儿何特征信息，构建实体特征，将实体特征进行正确约束后利用实体布尔操作将各个重构特征进行融合，得到重构的实体模型。目前此方面的研究很少，尤它大学的0wen、Germain、Thompson针对两轴半机加工零件的实体模型重建进行了探索性的研究，并开发了软件原型系统REFAB。南京航空航天大学的吴敏、任朴林研究了拉伸、旋转、薄板、圆管特征的重建。但是，他们的研究更多地关注于特征重

40、构的理论，在软件系统实现以及数值计算的稳定性方面还有诸多欠缺。综上所述，基于约束和特征的实体模型重建方面己有的研究成果离实际工程应用还有较大差距。为了满足逆向工程中实体模型重建的需要，必须拓宽实体模型重建的理论和方法，对测量数据的特征分解、自动特征识别、特征参数提取、重构特征管理以及实体模型创建等关键技术进行系统和深入的研究。5汽车前大灯的逆向设计5.1前大灯的数据采集在进行测量前，一般需要做好以下的一些准备工作：（1）挑选缺陷最少，实际状态最好的产品作为测量的产品原型。（2）仔细了解被测产品的关键部位，以确保采集到的数据是足够的和有效的。（3）对设备进行标定，确保设备本身的测量精度。前大灯作

41、为汽车前脸的“眼睛”，要与汽车配合得浑然一体（灯罩曲面与汽车的外表曲面要一致），所以外形测量采用激光测量的方式，以获取足够的点数据。为了取得比较好的测量结果，在激光测量前首先将车前大灯处理成最佳取像颜色。测量前需对原件进行喷漆处理，漆的颜色要有利于光的反射。为了整灯与车体的配合精度，整灯轮廓采用精度比激光测量要高的接触式测量方式，内部零件也采用接触式测量以减少数据量。另外，不管是激光测量还是接触式测量，一次不可能测出所有表面的点数据，为此在测量前必须设置定位点，作为多次测量时点云数据的重定位用。重定位点设置时，不同测量方式所需做的标志不一样，但不管采用何种方式目的都是为了测量完成后有利于找到这

42、些定位点。如图5.1所示即为项目的实测照片，其中带中空的小黑方块为激光测量的重定位点，油性笔标记的地方为接触式测量时的重定位点。如图5.2所示为采用激光测量法测得的汽车前大灯的点云数据。图5.1汽车前大灯实测过程图5.2汽车前大灯的点云数据5.2前大灯点云数据处理坏点、杂点去除由于受外部环境影响及设备振动、装夹等原因，不可避免地会引入噪声数据。因此，首先对原始数据进行去噪处理，删去外界干扰形成的点及不在扫描线上的杂点，减少其对重建模型精度的影响。在项目中要通过UG软件，用肉眼进行初步检查，直接将与扫描线数据偏离较大的点或存在于屏幕上的孤点剔除。误差处理产品在测量是总会出现误差，在逆向工程中测量

43、数据点误差主要表现为：对齐误差，变形误差和测量误差。a. 对齐误差。在产品未发生变形情况下，三点重定位误差超过0.2mm时就需要对两次测量的数据进行相关处理。先采用多次测量重定位点，取平均值，然后再分析误差。如果误差仍然超过规定值，可以对第二次测量的数据点进行微调减少其误差。当产品发生变形时，应利用产品的表面测量数据手工进行重定位整合，整合精度不超过0.3mm,重定位点需要多测量几次取平均值。b. 变形误差。在前大灯测量中，由于零件材料为塑件，其内部的零件要拆卸下来测量，不可避免会出现变形情况，特别是副放射器。为此在零件装配情况下的第一次测量尽量多测量，并以第一次测量的数据点为依据调整拆卸下来

44、的第二次测量数据点，以减少变形对零件CAD重构时的影响。c. 测量误差。为了保证测量精度，需要对测量数据进行复核，分析其测量误差。如果测量误差过大需要对数据进行重测。例如灯罩表面两组扫描线之间的误差大于0.1mm,灯座表面两组扫描线大于0.2顾，证明测量误差较大，出现这种情况时，可以进行重测，以满足精度要求。如图5.3所示副反射器曲面扫描线之间的测量误差大于0.1mm。图5.3副反射器曲面测量误差分析数据分块处理为了后续CAD造型的方便，在数据测量时结合实际物体的表面形状，识别其曲面特征，进行数据分割测量。根据组成实物外形曲面的类型，分别采用不同的颜色、存放在不同数据层中以利于区别。在该项目中

45、将轮廓线采用红色和白色放置在一层，曲面的扫描点以绿色（横向）和粉红色（纵向）标识放置在不同层，小特征采用其他颜色处理（如圆角轮廓采用蓝色、灯花采用橙黄色等）数据整合和对齐实际工程测量中，很难一次测量整个样件，通常是对其重新定位获取不同方位的表面信息。在车灯的测量过程中，共进行了近十次装夹。本项目采用三点对齐方式即点位法，灯罩和底座的对齐和整合过程如图5.4、图5.5、图5.6、图5.7所示。所有零件测量完成后整合的数据点云如图5.8所示。图5.4对齐前大灯灯罩数据图5.5对齐前大灯底座数据图5.6灯罩和底座数据导入软件后的状态图5.7灯罩和底座数据对齐整合后的效果图5.8整合后的前大灯数据5.

46、3前大灯CAD模型构建5.3.1重构前的准备工作逆向工程设计不是简单的复制和抄袭，逆向设计的目的是复制、改进并超越现有产品。因此在进行造型前，要做好以下准备：a. 对数模型面的品质要求。型面品质主要分为A级曲面、B级曲面及其它一些要求更低的曲面：A级曲面要求曲面之间的过渡必须达到曲率连续，主要是一些对外观要求比较高的产品，如汽车车身的外覆盖件，家电产品的外观表面等；B级曲面要求达到相切连续，-般可满足多数产品对型面的要求，如汽车内饰件，汽车底盘的饭金件等；而其它一些要求更低的曲面则多用于进行误差分析。本项目中前大灯要求达到A级曲面。b. 产品的功能要求。在进行数模重构时我们可以根据功能要求对零

47、件的实际测量尺寸进行圆整、纠正手工模型或测量时的尺寸偏差，使得逆向设计出来的产品更加规整和符合产品的功能要求。c. 产品的配合要求。逆向设计的产品往往不是孤立的，会跟现有的产品或己有的三维数模存在配合关系，因此逆向产品与已有周边零件配合处的结构设计的好坏，会影响一个逆向设计的成败。d. 产品的工艺要求。尽量避免犯一些遗漏细节或者把一些小细节当成缺陷进行修正的错误。前大灯是一个塑料件，是通过注塑模获得，因此在重构CAD模型前应考虑如何使注塑件顺利脱模、简化模具结构、便于模具零件加工，且能保证注塑件表面精度。脱模方向对注塑模来说至关重要，是评估塑件能否模具成型的重要因素，也是后续CAD建模工作的一

48、个依据。特别对于以特征体为主的大灯底座，很多特征重构多与脱模方向有关。通过观察产品的特征可以确定塑件脱模的方向，如大灯底座我们可以选择灯泡口的圆柱轴线作为脱模方向。5.3.2以结构体为主的底座的构建大灯底座基本上是由平面和特征体组成，因此在底座模型重构中特征线的提取是整个模型重构的关键。另外还要特别注意配合面的处理。根据零件的外形特点（如内孔、凹槽、平面、圆柱面等），可由简单的平面曲线或曲线族经过拉伸、旋转、扫掠、圆角等规则来生成曲面或实体模型。根据点云数据提取出特征线，然后通过相关的特征操作构建出特征。如平面可以用三点、两相交直线或直线拉升等方式来确定，孔或圆柱面则以截面线和矢量来确定，通过

49、测量实体模型并结合扫描数据生成。如图5.9、图5.10所示分别为前大灯底座的点云数据和重构后的实体模型。图5.9前大灯底座的点云数据图5.10以结构体为主的底座数模以曲面为主的灯罩和反射器的构建在逆向工程中，曲面重构是逆向工程中最重要、最繁杂的-环。前大灯灯罩大面构建采用点拟合成面的方式进行，先将大面点通过点云拟合成曲面，然后用X成形调整曲面，使曲面光顺、流畅、过点，其他小面采用点-线-面的过程构建。如图5.11、图5.12所示分别为前大灯灯罩的点云数据和重构后的数模。图5.11前大灯灯罩的点云数据反射器、副放射器曲面的构建以点一一线一一面的方式构建曲面为主，只有少数面如反射器中需要贴光学面的

50、曲面直接采用点拟合成面的方式构建。如图5.13、图5.14所示分别为反射器、副反射器的点云数据和CAD模型。图5.13反射器的点云数据和CAD模型图5.14副反射器的点云数据和CAD模型5.4CAD模型检验5.4.1灯罩大面的曲面品质分析为保证重构曲面的质量，必须对其进行品质分析，品质分析包括误差分析和光顺品质检查两部分。误差分析是重构曲面精度的保证。可以用一定数量测量点的最大拟合偏差、最小拟合偏差和标准差来评价曲面对数据点的拟合程度，或者用平均误差来评价曲面的逼近程度。光顺品质检查是利用曲面光顺品质的评价准则来评价曲面的手段。曲率彩图是一种便捷的光顺品质检查方法。本项目中采用UG曲率梳和光反

51、射对灯罩大面进行光顺性品质检查。5.4.2底座的拔模检查与调整为了使注塑件在产品成型过程中能够顺利脱模，CAD模型构造完成后要检查整个零件的拔模情况。具体操作可以通过UGNX软件提供的拔模检查工具来实现。通过拔模分析得知，前大灯的拔模方向正确，工件能够顺利脱模。如果出现倒拔情况，则需对CAD模型进行必要的调整。5.4.3装配干涉检查从数学角度来说，干涉检查就是求交运算。即对生成的三维实体进行布尔运算，利用求交运算来判断三维实体是否干涉。若两实体相交，则两实体形成的选择集不为空；否则，其选择集为空。这样通过判断选择集是否为空，来确定两实体是否发生内部干涉。一般来说，干涉检查主要包括静态干涉检查和

52、动态干涉检查两方面内容。所谓静态干涉检查问题，是指物体有固定的位置和方向，判断它们是否干涉。对于运动着的物体，则需要采用动态检查方法。对于前大灯装配体主要是静态干涉检查，只有调光机构才用动态检查。本项目采用UGNX软件提供的干涉检查工具对装配体进行静态干涉检查。1弓I言12汽车车灯设计技术错误!未定义书签。2. 1车灯的分类22车灯的发展史23逆向工程技术概述41逆向工程简介43.2逆向工程的应用现状43逆向工程的一般流程53.4逆向工程的关键技术54逆向工程技术及应用74.1数据采集74.2数据处理84.3模型重构135汽车前大灯的逆向设计185.1前大灯的数据采集185.2前大灯点云数据处

53、理19参考文献张明春，杨玲.逆向工程技术及其在工业设计中的应用J.机电产品开发与创新，2009,(3):86-881 周建强，李建军等.逆向工程技术的研究现状及发展趋势J.现代制造技术与装备,2006,3):3-5梁柱，任家.漫谈轿车灯光系统J.科技情报开发与经济,2008,18(9) :97-99WGB45991984,汽车前照灯配光性能S5 姚明.浅谈智能式车灯的发展J.实用汽车技术,2006,(2):4-5邓亮,朱维涛，陈祥熙.带配光镜汽车灯具仿真设计J.光学仪器,2004,(8):21-256 平芳.汽车车灯配光纹快速建模系统D.杭州:浙江大学,2008鞠俊亭，钟高建,杨飞云.基于逆向

54、工程测量技术的分析J.现代机械,2007,(6):11-14宋兆坤，饶锡新,解伟功.逆向工程CAD建模关键技术研究J.机械制造与研究，2009,(02):12-147 龚志辉.基于逆向工程技术的汽车覆盖件回弹物体研究D.长沙:湖南大学,2007刘德平，陈建军.逆向过程中数据精简技术的研究J.西安电子科技大学学报(自然科学版),2008,(02):334-33913应陈勇，鞠鲁粤，林成辉.逆向工程在车身设计中的应用J.机械与电子，2009,(2):30-325.3前大灯CAD模型构建225.3.1重构前的准备工作225.3.2以结构体为主的底座的构建225.4CAD模型检验245.4.1灯罩大面

55、的曲面品质分析245.4.2底座的拔模检查与调整255.4.3装配干涉检查25参考文献26致谢271引言随着汽车设计和制造工艺的进一步提高，车灯不再只是汽车的一个照明部件，还是这车设计的点睛之笔，时髦的汽车车灯集实用性和装饰性为一体，且更注重于整车的审美风格保持一致，它最能体现汽车的品位，越是个性化车、高档车，越注重车灯的设计及品质。本文就对车灯的分类及发展史、逆向工程的概念、应用现状、关键技术和一般流程，以及汽车前大灯的逆向设计做了简要概述，并阐述了本文的研究内容。2汽车车灯设计技术随着汽车工业的发展，各种款式的轿车不断涌现，汽车速度不断提高，对汽车灯具设计的要求也越来越高。尤其是前照灯系统

56、，不仅要效率高，还要解决夜间行车的眩目问题。以前的车灯设计方法是依靠个人的经验和大量的实验，但这已远远跟不上灯具设计需求的速度和越来越严格的车灯照明标准。因此国外己有人利用计算机对汽车灯具进行仿真设计，从而大大加快了灯具的开发进度。在国内，这方面的研究还远落后于国外。2. 1车灯的分类车灯按照用说途分照明灯和信号灯两大类。照明灯又分为外照明灯和内照明灯，信号灯也分为外信号灯和内信号灯，如图2.1所示。汽车车灯照明灯信号灯表指灯仪板示二尾灯*倒车灯H示宽灯工制动灯q转向灯X仪表灯图2.1车灯分类外照明灯除了牌照灯之外，主要作用是为本车驾驶员提供路面照明，外信号灯则是为方便其它车辆驾驶员识别本车轮

57、廓和判断本车动向而设置的，其中转向指示灯和动灯是极重要的信号指示灯，它对于汽车行驶安全至关重要。在这些灯中，属于强制性检验的有外照明灯和外信号灯，因为这些灯是行车安全的关键部件。2.2车灯的发展史汽车车灯主要指前照灯总成和后灯总成，前照灯是重点。前照灯乂称为汽车大灯，有照明、装饰和保障汽车安全运行的功能。前照灯是车灯中要求最高、结构最复杂、设计和制造难度最大的车灯。为了使车灯照明系统满足使用要求，也为了使车灯外观更适应车身造型的变化，从汽车发展至今，前照灯的发展经过七代演变，如图2.2所示。图2.2车灯前照灯发展过程第一代：乙快气前照灯。前照灯具有高的轮廓亮度，乙燃气火焰的亮度比当时的电光源所

58、能达到的亮度高出一倍，因而，在1925年以前使用的汽车前照灯儿乎全是乙块前照灯。第二代：电光源前照灯。1913年带螺旋灯丝的充气白炽灯泡问世，因其具有较高亮度，给电光源前照灯开辟了广阔的前景。然而，乙焕前照灯仍然继续使用了很长一段时间，直到1925年电气照明才得到广泛的应用。第三代：双光灯丝前照灯。这种前照灯具有远近两种灯丝，夜间行车时采用远光灯s以保证照明，两车相会时采用近光灯以防炫目。第四代：不对称近光前照灯。由于双光灯丝前照灯在由远光灯转换为近光灯时，驾驶员视见距离缩短，不得不降低车速。为了解决这一问题，1932年美国发明了不对称前照灯，它是以基准轴为中心，将光束一分为二，靠近来车一侧的落地距离短以防止眩目，而另一侧光束的落地距离长以增加视见。第五代：卤钙前照灯。第一批装有卤钙灯泡的汽车前照灯是由法国“斯贝”公司在1964年生产的，其灯丝允许工作温度较普通白炽灯泡高，光效增加约50%,寿命也增加一倍。第六代：航气灯，又称为IIID灯。质气头灯是以高压击穿惰性气体电离而发光，也叫气体放