汽车造型设计的基于逆向工程的讲义

汽车造型设计的基于逆向工程的研究机械设计制造及其自动化（汽车工程）郑凯翔扬州大学机械工程学院第一章绪论进人20世纪90年代以来,汽车作为现代的一种交通运输工具,在国民经济、人民生活中起着重要的作用。在繁荣的背后中国汽车业依然脆弱,尽快建立中国汽车工业的技术开发体系,形成自主开发产品的能力,将关系到汽车工业发展的全局和长远规划。而逆向工程技术能够快速吸收国外汽车车身设计的先进技术，快速响应市场，提高我国自主设计开发汽车的能力。

1.1逆向工程的学术背景逆向工程，通俗的说法叫“抄数”，它是与“正向工程”相对而言的，它是将现有产品或实物模型转变为CAD模型的数字化技术、几何模型重建技术以及产品制造技术的总称。逆向工程从现有的，己经研究开发出来的优秀产品或样件出发，在对产品或样件的设计思想和理念充分吸收后，对样件原型进行三维坐标数据采集，继而对采集的数据进行数据处理，然后进行模型重构，得到实物样件的数字化模型，并在此基础上进行生产加工或二次开发，进行创新设计。逆向工程设计是有别于传统的正向设计过程的，它是一个“认识原型一再现原型一超越原型”的过程。

1.2课题背景及选题依据

在汽车工业不断发展的今天，计算机新技术的不断应用及人们消费需求的不断变更，促使汽车产业界要努力缩短产品生命周期，不断除陈推新。这就对汽车车身及各零部件的设计工作提出了更高的要求。在传统开发中，工业产品均是循着序列严谨的研发流程，从功能与规格的预期目标确定开始，构思产品的零组件需求，再由各个组件的设计、制造以及检验零组件组装、检验整机组装、性能测试等程序来完成。每个组件都保留有原始的设计图，现在已用电子的CAD图档来保存。顺向设计已突显其耗时、耗力，产品生命周期长，成本高昂的缺点。另外，产品的客户需求个性化，也使得传统设计方法力不从心，很难直接通过数学模型来建立其结构;不能适应对产品快速修改、个性多样的特点。在这样的背景下，逆向工程应运而生。

第二章逆向工程技术在车身设计中的优势及发展现状

传统的车身设计主要分为初步设计和技术设计两个阶段，整个开发过程是从制作1:5的油泥模型和全尺寸的立体模型开始的，然后设计人员要根据油泥模型绘制出所有车身图纸和模具加工图纸。设计过程所遵循的顺序是山外及内，山模型到图纸。整个设计过程是通过实物、模型、图纸和样板来传递信息的。2.1逆向工程技术在车身设计中的优势缺点:任何设计细微的改变，都将导致主模型和大量图纸的修改，增加工作量，延长开发周期;单向不可逆的过程，车身如果定型，想要修改又将是极其繁琐的。逆向工程也叫反求工程，是把实物转化为CAD模型数字化技术、儿何模型重构技术和产品制造技术的总称。主要包括三个过程:数据采集、数据处理、曲面拟合重构。避免传统的车身设计方法中每个设计阶段都要反复进行的平面图形和立体模型制作的过程，以致新产品的开发设计周期长、工作量大。2.2逆向工程的国内外现状

逆向工程这一概念是在20世纪80年代初分别由美国3M公司、日本名古屋工业研究所和美国UVP公司提出的。自从20世纪80年代产生以来，逆向工程技术以其显著的优势收到学术界和工业界的越来越多的重视。在测量方法和测量设备方面，传统的三坐标测量机，在速度和精度方面不断提高。在曲线曲面重构理论方面，将Bezier和B样条理论融合到NURBS中，这使得NURBS曲面造型方法成为现代主流设计方法。在逆向工程软件方面主要有美国EDS公司出品的Imageware软件和英国DelCam公司的CopyCAD等。在我国，逆向工程技术是90年代后期才迅速发展和推广的。虽然我国在逆向工程理论研究和软件开发方面与国外先进水平尚有一定差距，但是国内逆向工程技术在多个不同行业的广泛推广应用取得了很大成绩。2.3逆逆向工程分分类几何反求技技术主要包包括三个方方面:实物物反求、软软件反求和和影像反求求。目前研研究较多的的是实物反反求技术。。1、实物反反求:在已已知现有的的产品、样样件、模型型等实物的的条件下，，通过一定定的测量设设备和测量量方法，提提取出实物物的表面信信息。然后后利用模型型重构技术术再现实物物的CAD模型。2、软件反反求:在缺缺乏产品样样件实物的的情况下，，可以利用用现有的软软件信息(如使用说说明书、技技术文件、、图纸、关关于标准和和规范说明明的文档等等)进行分分析研究，，最终获得得产品的几几何模型。。3、影像反反求:所谓谓影像反求求就是根据据产品照片片或影视画画面等影像像信息，生生成产品的的三维几何何模型。影影像反求技技术目前发发展还不太太成熟，处处于成长阶阶段。2.4逆向向工程研究究意义与研研究内容意义(1）在CAD模型型设计阶段段，运用逆逆向工程可可以快速设设计出符合合市场需求求的车身外外形。(2)在CAD设计计后期通过过有限元分分析可以基基本掌握车车身的各方方面信息，，可以实现现车身的轻轻量化设计计，节约成成本、降低低油耗。此此外，通过过有限元分分析后，汽汽车公司可可以根据自自己的市场场定位对汽汽车进行必必要的更改改。内容（1）基于于逆向工程程的汽车车车身数据测测量技术。。（2）基于于逆向工程程的汽车车车身数据处处理技术及及CAD模模型重构。。（3）车身身有限元建建模。（4）汽车车车身有限限元分析。。第三章逆逆向工程及及其关键技技术“逆向工程程”这个名名词最早出出现在对硬硬件产品的的分析中。。人们分析析硬件产品品以便改进进自己的产产品,或出出于军事目目的分析敌敌方的产品品,或者出出于商业目目的分析竞竞争对手的的产品,从从而产生了了关于硬件件产品的逆逆向工程这这个概念.M.G.RekoffJr将逆逆向工程定定义为:对对一个复杂杂的硬件系系统实施有有条理的检检查,以开开发出关于于这个系统统的一组规规范说明的的过程。软件工程的的概念是大大家熟知的的,与软件件工程密切切相关的三三个概念是是正向工程程、逆向工工程、再工工程。这些些概念由CrossandChikofsky1990年提提出。3.1逆向向工程概述述值得说明的的是,在对对一个系统统实施逆向向工程时,并不改变变这个系统统本身,也也不包括在在此系统上上构建新的的系统的过过程。逆向向工程对系系统实施的的是一个检检查过程,它把正向向工程作为为要逆转的的对象。3.1.2逆向工程程在引进技技术中的应应用所谓逆向工工投(ReverseEngineering,RE)，是是指用一定定的测量手手段对实物物或模型进进行测量，，根据测量量数据通过过三维几何何建模方法法重构实物物的CAD模型的过过程，它的的设计流程程如图2所所示。概括地说，，正向设计计工程是由由概念到CAD模型型，再到实实物模型的的开发过程程;而逆向向工程则是是由实物模模型到CAD模型的的过程，对对实物模型型进行三维维数字化处处理，构造造实物的CAD模型型，并利用用各种成熟熟的CAD/ACE/CAM以及CIMS等先先进技术进进行再创新新设计。关步骤和方方法一、车身模模型的测量量比如对于图图1所示的的吉普车车车身，采用用非接触测测量的方法法只需要一一两天的时时间即可。。为了提高高测量的效效果和精度度，一般要要在车身上上喷上显影影增强剂，，如图2所所示。1.车身模模型坐标系系的确定对于轿车车车身，一般般以汽车前前轴的中心心为坐标原原点，向后后为X轴，，向右为Y轴，向上上为Z轴。。具体的做做法是将车车身支撑固固定在单臂臂或双臂的的划线机(三坐标测测量机)，，如图3所所示。2.贴车身身Mark点Mark标标记点实际际上是后序序测量的点点云片的拼拼接所用的的定位点，，如图4所所示。3.测量车车身Mark点4.车身曲曲面片测量量二、车身点点云的数据据处理1.数据预预处理2.点云的的渲染图9点云云数据精简简图10渲渲染效果三、车身曲曲面逆向工工程设计(1)车身身坐标系的的确定(2)分析析被测量车车身的部位位与功用(3)分析析是否变形形(4)要从从全局来分分析曲面的的大小(5)整体体考虑(7)车身身曲面的细细节处理(6)车身身曲面的评评价与修改改3.1.3逆向工程程关键技术术分析逆向工程设设计方法是是汽车车身身设计过程程中的一个个重要环节节，也是一一种快速设设计的工程程方法。逆逆向工程设设计主要包包括如下过过程：三维维测量获得得点云数据据、数据处处理、特征征的提取、、曲面重构构和曲面评评价等。3.2逆向向工程分析析技术与测测量方法3.2.1静态数据据采集方法法静态信息的的获取多数数逆向工程程工具中静静态分析部部分都是采采用现成的的工具完成成的。有关关这方面的的工具很多多,如Rigi,RationalRose，Panorama提提供的OO2Browser,OO2Diagrammer,OO2Analyzer及OO2SQA各各类编译器器。3.2.2动态数据据采集方法法动态分析部部分主要有有3种实现现方式（1）采用在在源代码中中植入(instrument)语语句我们称称之为植入入法。目前前各种工具具中收集动动态信息主主要采用这这种方法。。（2）采用用调试器获获取动态信信息（3）在二二进制码中中植入信息息这方方面的工具具如TheAtomInstrumentor3.2.3数据测量量方法概述述反求技术所所采用的测测量方法主主要有两种种:接触式式测量法和和非接触式式测量法。。接触式测量量方法：：接触式测测量是指利利用接触式式测量设备备对实物外外表面进行行数据采集集。接触式测量量方法根据据测量原理理的不同分分为点位触触发式数据据采集和连连续式数据据采集两种种。非接触式测测量方法主要有以下下几种:投投影光栅法法、超声波波法、工业业CT扫描描法、逐层层切削照相相测量、深深度图像三三维测量法法、核磁共共振法(MRI)、、自动断层层扫描法等等。3.3数数据采集的的测量规划划1、建立统统一的测量量坐标系。。2、对复杂杂零件进行行分块测量量时，按照照规则与不不规则曲面面进行划分分。3、重点进进行自由曲曲面部分的的测量规划划。3.4逆向向工程测量量设备三维扫描仪仪的主要代代表为：德德国GOM公司独家家研制的ATOS流流动式光学学扫描仪，，是目前市市场上最为为先进的非非接触式三三坐标扫描描设备。图2.1所示为本本课题所采采用的全自自动三坐标标激光测量量机。3.4逆向向工程测量量原理Comet3D扫扫描仪结结合了结构构光技术和和计算机视视觉技术而而形成的复复合三维非非接触测测量技术，，其工作原原理图如图图2-2所所示。3.5.1点数据预预处理基于离散点点云数据的的三维建模模过程,实实质上就是是点云数据据的处理过过程。其通通用手段有有数据调整整、复制区区域修剪、、数据密度度修改、数数据光顺、、尖角保留留等。通过过此模块可可以对点云云数据进行行识别、修修剪、密度度修改、优优化(包括括数据调整整、数据光光顺和尖角角保留)等等操作,最后得到到很很精确的的点云数据据。3.5.2三维曲面面重构技术术、曲面光光顺、曲面面拼接建立模型的的好坏取决决于曲线、、曲面拟合合是否光顺顺及曲面连连接是否光光滑,曲线线、曲面的的光顺特别别重要。光光顺曲面的的方法是:先光顺曲曲面的纵向向曲线,然然后通过新新型值点生生成横向样样条曲线并并光顺,重重新生成纵纵向样条曲曲线并光顺顺,直至所所有纵向、、横向样样条曲线线都满足光光顺准则,最最后利利用光顺的的纵纵向、、横向样条条曲曲线构构造出光顺顺曲面。建模后可可通过Pro/E中中的View/advanced→Photorender进进行渲染染处理及及Analysis→→ModelAnalysis/CurveAnalysis/SurfaceAnalysis分分析方法法来检验验所建立立的模型型、曲线线和曲面面的合理理性和精精确度。。在用快速速成形方方法制成成成品后后,利用用自动检检查设备备(如激激光测量量仪)对对成品品进行检检查,取取得数据据,再利利用Pro/Verify模块块对设计计模型进进行比较较,检查查复杂产产品的制制造精度度。第四章逆逆向工工程在汽汽车覆盖盖件开发发中的研研究车身覆盖盖件逆向向设计的的关键技技术主要要包括实实物样品品模型表表面点云云数据获获取技术术、数据据预处理理技术和和车身覆覆盖件曲曲面重建建技术。。4.1.1汽车车覆盖件件基本概概念车身覆盖盖件为研研究对象象，结合合逆向工工程技术术，研究究了车身身覆盖件件测量和和三维重重构的方方法。针针对车身身覆盖件件曲面造造型和数数字化检检测这两两个热点点，通过过激光扫扫描获取取点云，，以轿车车翼子板板为例，，分别介介绍了对对于覆盖盖件的测测量、点点云的获获取、点点云预处处理及曲曲面重构构。4.1.2逆向工程程技术在在汽车覆覆盖件开开发中的的作用1.在在汽车车车身造型型设计的的应用中中，逆向向汽车产产品开发发流程中中，油泥泥模型师师根据效效果图制制作的油油泥模型型冻结后后，使用用三维扫扫描仪对对油泥模模型进行行测量，，生成点点云数据据，工程程师根据据点云使使用逆向向工程软软件来构构建外表表面。。2.在逆逆向汽车车产品开开发中，，逆向工工程技术术应用在在对标杆杆样车的的数字化化上。3.逆逆向工程程技术应应用于夹夹具、检检具的制制造验收收检验。。5.数数字化模模型的检检测。4.逆逆向工程程技术在在汽车模模具中的的应用。。4.2逆逆向工程程在汽车车覆盖件件开发中中的应用用研究4.2.1汽车车覆盖件件数据采采集的前前期准备备(1)准准备工工作扫描描的部位位进行表表面处理理，在物体外外表面均均匀地喷喷洒乳白白色显像像剂，然然后在上上面贴参参考点、、数码点点和放置置经过标标定的长长度尺（（如图1）。利用所有有参考点点的三维维坐标准准确定位位，从而而减少拼拼合误差差。(2)ATOS系系统的校校准(3)车车身覆覆盖件点点云数据据获取4.2.2汽车车覆盖件件数据处处理工作作方面数据处理理过程包包括以下下几方面面的工作作:（1）数数据预处处理;（2））数数据分块块;（3））数数据光顺顺;（4））数数据优化化。4.2.3车身身覆盖件件数据预预处理数据处理理是逆向向工程中中的关键键环节，，它的结结果将直直接影响响到后期期模型重重构的质质量。点点云数据据的预处处理，包包括噪声声去除、、过滤、、网格化化、光顺顺、补洞洞等。①删除除散乱点点云噪声声数据②点云云的精简简③点云云数据三三角化④散乱乱数据中中的孔洞洞修补⑤数据据光顺4.2.4车身身覆盖件件数据分分块根据翼子子板表面面的特征征棱线和和曲面的的曲率变变化情况况，将其其分为图图4所所