畢業(yè)設計演講稿

1、汽車造型設計的基于逆向工程的研究機械設計制造及其自動化（汽車工程） 鄭凱翔揚州大學 機械工程學院第一章第一章 緒論緒論n進人20世紀90年代以來,汽車作為現(xiàn)代的一種交通運輸工具,在國民經濟、人民生活中起著重要的作用。在繁榮的背后中國汽車業(yè)依然脆弱, 盡快建立中國汽車工業(yè)的技術開發(fā)體系,形成自主開發(fā)產品的能力,將關系到汽車工業(yè)發(fā)展的全局和長遠規(guī)劃。而逆向工程技術能夠快速吸收國外汽車車身設計的先進技術，快速響應 市場，提高我國自主設計開發(fā)汽車的能力。 1.1逆向工程的學術背景逆向工程的學術背景n逆向工程，通俗的說法叫“抄數(shù)”，它是與“正向工程”相對而言的，它是將現(xiàn)有產品或實物模型轉變?yōu)镃AD模型的

2、數(shù)字化技術、幾何模型重建技術以及產品制造技術的總稱。逆向工程從現(xiàn)有的，己經研究開發(fā)出來的優(yōu)秀產品或樣件出發(fā)，在對產品或樣件的設計思想和理念充分吸收后，對樣件原型進行三維坐標數(shù)據(jù)采集，繼而對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，然后進行模型重構，得到實物樣件的數(shù)字化模型，并在此基礎上進行生產加工或二次開發(fā)，進行創(chuàng)新設計。逆向工程設計是有別于傳統(tǒng)的正向設計過程的，它是一個“認識原型一再現(xiàn)原型一超越原型”的過程。 1.2課題背景及選題依據(jù)課題背景及選題依據(jù)n在汽車工業(yè)不斷發(fā)展的今天，計算機新技術的不斷應用及人們消費需求的不斷變更，促使汽車產業(yè)界要努力縮短產品生命周期，不斷除陳推新。這就對汽車車身及各零部件的設計工

3、作提出了更高的要求。 n在傳統(tǒng)開發(fā)中，工業(yè)產品均是循著序列嚴謹?shù)难邪l(fā)流程，從功能與規(guī)格的預期目標確定開始，構思產品的零組件需求，再由各個組件的設計、制造以及檢驗零組件組裝、檢驗整機組裝、性能測試等程序來完成。每個組件都保留有原始的設計圖，現(xiàn)在已用電子的CAD圖檔來保存。順向設計已突顯其耗時、耗力，產品生命周期長，成本高昂的缺點。 n另外，產品的客戶需求個性化，也使得傳統(tǒng)設計方法力不從心，很難直接通過數(shù)學模型來建立其結構;不能適應對產品快速修改、個性多樣的特點。在這樣的背景下，逆向工程應運而生。 第二章第二章 逆向工程技術在車身設逆向工程技術在車身設計中的優(yōu)勢及發(fā)展現(xiàn)狀計中的優(yōu)勢及發(fā)展現(xiàn)狀 n傳

4、統(tǒng)的車身設計主要分為初步設計和技術設計兩個階段，整個開發(fā)過程是從制作1:5的油泥模型和全尺寸的立體模型開始的，然后設計人員要根據(jù)油泥模型繪制出所有車身圖紙和模具加工圖紙。設計過程所遵循的順序是山外及內，山模型到圖紙。整個設計過程是通過實物、模型、圖紙和樣板來傳遞信息的。2.12.1逆向工程技術在車身設計中的逆向工程技術在車身設計中的優(yōu)勢優(yōu)勢n缺點缺點:任何設計細微的改變，都將導致主模型和大量圖紙的修改，增加工作量，延長開發(fā)周期;單向不可逆的過程，車身如果定型，想要修改又將是極其繁瑣的。 n逆向工程也叫反求工程，是把實物轉化為CAD模型數(shù)字化技術、兒何模型重構技術和產品制造技術的總稱。主要包括三

5、個過程:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、曲面擬合重構。避免傳統(tǒng)的車身設計方法中每個設計階段都要反復進行的平面圖形和立體模型制作的過程，以致新產品的開發(fā)設計周期長、工作量大。 2.2逆向工程的國內外現(xiàn)狀逆向工程的國內外現(xiàn)狀n逆向工程這一概念是在20世紀80年代初分別由美國3M公司、日本名古屋工業(yè)研究所和美國UVP公司提出的。自從20世紀80年代產生以來，逆向工程技術以其顯著的優(yōu)勢收到學術界和工業(yè)界的越來越多的重視。n在測量方法和測量設備方面，傳統(tǒng)的三坐標測量機，在速度和精度方面不斷提高。 n在曲線曲面重構理論方面，n將Bezier和B樣條理論融合到NURBS中，這使得NURBS曲面造型方法成為現(xiàn)代主流設計方

6、法。在逆向工程軟件方面主要有美國EDS公司出品的Imageware軟件和英國DelCam公司的CopyCAD等。n在我國，逆向工程技術是90年代后期才迅速發(fā)展和推廣的。雖然我國在逆向工程理論研究和軟件開發(fā)方面與國外先進水平尚有一定差距，但是國內逆向工程技術在多個不同行業(yè)的廣泛推廣應用取得了很大成績。2. 3逆向工程分類逆向工程分類n幾何反求技術主要包括三個方面:實物反求、軟件反求和影像反求。目前研究較多的是實物反求技術。 n1、實物反求:在已知現(xiàn)有的產品、樣件、模型等實物的條件下，通過一定的測量設備和測量方法，提取出實物的表面信息。然后利用模型重構技術再現(xiàn)實物的CAD模型。n2、軟件反求:在缺

7、乏產品樣件實物的情況下，可以利用現(xiàn)有的軟件信息(如使用說明書、技術文件、圖紙、關于標準和規(guī)范說明的文檔等)進行分析研究，最終獲得產品的幾何模型。n3、影像反求:所謂影像反求就是根據(jù)產品照片或影視畫面等影像信息，生成產品的三維幾何模型。影像反求技術目前發(fā)展還不太成熟，處于成長階段。2.4逆向工程研究意義與研究內容逆向工程研究意義與研究內容n意義 (1）在CAD模型設計階段，運用逆向工程可以快速設計出符合市場需求的車身外形。n(2)在CAD設計后期通過有限元分析可以基本掌握車身的各方面信息，可以實現(xiàn)車身的輕量化設計，節(jié)約成本、降低油耗。此外，通過有限元分析后，汽車公司可以根據(jù)自己的市場定位對汽車進

8、行必要的更改。n內容 n（1）基于逆向工程的汽車車身數(shù)據(jù)測量技術。n（2）基于逆向工程的汽車車身數(shù)據(jù)處理技術及CAD模型重構。n（3）車身有限元建模。n（4）汽車車身有限元分析 。第三章第三章 逆向工程及其關鍵技術逆向工程及其關鍵技術n“逆向工程”這個名詞最早出現(xiàn)在對硬件產品的分析中。人們分析硬件產品以便改進自己的產品,或出于軍事目的分析敵方的產品,或者出于商業(yè)目的分析競爭對手的產品,從而產生了關于硬件產品的逆向工程這個概念. M.G.RekoffJr 將逆向工程定義為:對一個復雜的硬件系統(tǒng)實施有條理的檢查,以開發(fā)出關于這個系統(tǒng)的一組規(guī)范說明的過程。軟件工程的概念是大家熟知的,與軟件工程密切相

9、關的三個概念是正向工程、逆向工程、再工程。這些概念由Cross and Chik of sky 1990 年提出。 3.1逆向工程概述逆向工程概述值得說明的是,在對一個系統(tǒng)實施逆向工程時,并不改變這個系統(tǒng)本身,也不包括在此系統(tǒng)上構建新的系統(tǒng)的過程。逆向工程對系統(tǒng)實施的是一個檢查過程,它把正向工程作為要逆轉的對象。 3.1.2逆向工程在引進技術中的應用逆向工程在引進技術中的應用n所謂逆向工投(Reverse Engineering, RE)，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構實物的CAD模型的過程，它的設計流程如圖2所示。n概括地說，正向設計工程是由概

10、念到CAD模型，再到實物模型的開發(fā)過程;而逆向工程則是由實物模型到CAD模型的過程，對實物模型進行三維數(shù)字化處理，構造實物的CAD模型，并利用各種成熟的CAD/ACE/CAM以及CIMS等先進技術進行再創(chuàng)新設計。n關步驟和方法關步驟和方法n一、車身模型的測量一、車身模型的測量n比如對于圖1所示的吉普車車身，采用非接觸測量的方法只需要一兩天的時間即可。為了提高測量的效果和精度，一般要在車身上噴上顯影增強劑，如圖2所示。n1.車身模型坐標系的確定n對于轎車車身，一般以汽車前軸的中心為坐標原點，向后為X軸，向右為Y軸，向上為Z軸。具體的做法是將車身支撐固定在單臂或雙臂的劃線機(三坐標測量機)，如圖3

11、所示。 n2.貼車身Mark點nMark標記點實際上是后序測量的點云片的拼接所用的定位點，如圖4所示。n3.測量車身Mark點n4.車身曲面片測量n二、車身點云的數(shù)據(jù)處理n1.數(shù)據(jù)預處理n2.點云的渲染點云的渲染圖9 點云數(shù)據(jù)精簡圖10 渲染效果n三、車身曲面逆向工程設計三、車身曲面逆向工程設計n(1)車身坐標系的確定n(2)分析被測量車身的部位與功用n(3)分析是否變形n(4)要從全局來分析曲面的大小n(5)整體考慮n(7)車身曲面的細節(jié)處理n(6)車身曲面的評價與修改3.1.3逆向工程關鍵技術分析逆向工程關鍵技術分析n逆向工程設計方法是汽車車身設計過程中的一個重要環(huán)節(jié)，也是一種快速設計的工

12、程方法。逆向工程設計主要包括如下過程：三維測量獲得點云數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、特征的提取、曲面重構和曲面評價等。 3.2逆向工程分析技術與測量方法逆向工程分析技術與測量方法n3.2.1靜態(tài)數(shù)據(jù)采集方法n靜態(tài)信息的獲取多數(shù)逆向工程工具中靜態(tài)分析部分都是采用現(xiàn)成的工具完成的。有關這方面的工具很多,如Rigi ,Rational Rose，Panorama 提供的OO2Browser, OO2Diagrammer, OO2Analyzer及OO2SQA各類編譯器。n3.2.2動態(tài)數(shù)據(jù)采集方法動態(tài)數(shù)據(jù)采集方法n動態(tài)分析部分主要有3種實現(xiàn)方式（1）采用在源代碼中植入(instrument) 語句我們稱之為植入法

13、。目前各種工具中收集動態(tài)信息主要采用這種方法。n（2）采用調試器獲取動態(tài)信息 n（3）在二進制碼中植入信息 這方面的工具如The Atom Instrumentor 3.2.3數(shù)據(jù)測量方法概述數(shù)據(jù)測量方法概述n反求技術所采用的測量方法主要有兩種:接觸式測量法和非接觸式測量法。n接觸式測量方法 ：接觸式測量是指利用接觸式測量設備對實物外表面進行數(shù)據(jù)采集。 接觸式測量方法根據(jù)測量原理的不同分為點位觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集和連續(xù)式數(shù)據(jù)采集兩種。n非接觸式測量方法 主要有以下幾種:投影光柵法、超聲波法、工業(yè)CT掃描法、逐層切削照相測量、深度圖像三維測量法、核磁共振法(MRI)、自動斷層掃描法等。 3. 3數(shù)據(jù)采

14、集的測量規(guī)劃數(shù)據(jù)采集的測量規(guī)劃n1、建立統(tǒng)一的測量坐標系。n 2、對復雜零件進行分塊測量時，按照規(guī)則與不規(guī)則曲面進行劃分。n 3、重點進行自由曲面部分的測量規(guī)劃。3.4逆向工程測量設備逆向工程測量設備n三維掃描儀的主要代表為：德國GOM公司獨家研制的ATOS流動式光學掃描儀，是目前市場上最為先進的非接觸式三坐標掃描設備。 圖2. 1所示為本課題所采用的全自動三坐標激光測量機。3.4逆向工程測量原理逆向工程測量原理nComet 3D 掃描儀結合了結構光技術和計算機視覺技術而形成的復合三維非接觸 測量技術，其工作原理圖如圖2-2所示。3.5.1點數(shù)據(jù)預處理點數(shù)據(jù)預處理n基于離散點云數(shù)據(jù)的三維建模過

15、程,實質上就是點云數(shù)據(jù)的處理過程。其通用手段有數(shù)據(jù)調整、復制區(qū)域修剪、數(shù)據(jù)密度修改、數(shù)據(jù)光順、尖角保留等。通過此模塊可以對點云數(shù)據(jù)進行識別、修剪、密度修改、優(yōu)化(包括數(shù)據(jù)調整、數(shù)據(jù)光順和尖角保留) 等操作,最后得到 很精確的點云數(shù)據(jù)。3.5.2三維曲面重構技術、曲面光順、三維曲面重構技術、曲面光順、曲面拼接曲面拼接n建立模型的好壞取決于曲線、曲面擬合是否光順及曲面連接是否光滑,曲線、曲面的光順特別重要。光順曲面的方法是:先光順曲面的縱向曲線,然后通過新型值點生成橫向樣條曲線并光順,重新生成縱向樣條曲線并光順,直至所有縱向、橫向 樣條曲線都滿足光順準則, 最后利用光順的 縱向、橫向樣條 曲線構造

16、出光順曲面。 n建模后可通過Pro/ E 中的View/advanced Photorender 進行渲染處理及Analysis Model Analysis/ Curve Analysis/ Surface Analysis 分析方法來檢驗所建立的模型、曲線和曲面的合理性和精確度。 n在用快速成形方法制成成品后,利用自動檢查設備(如激光測量儀) 對成品進行檢查,取得數(shù)據(jù),再利用Pro/ Verify 模塊對設計模型進行比較,檢查復雜產品的制造精度。 第四章第四章 逆向工程在汽車覆蓋件開發(fā)逆向工程在汽車覆蓋件開發(fā)中的研究中的研究n車身覆蓋件逆向設計的關鍵技術主要包括實物樣品模型表面點云數(shù)據(jù)獲取

17、技術、數(shù)據(jù)預處理技術和車身覆蓋件曲面重建技術。 n4.1.1汽車覆蓋件基本概念汽車覆蓋件基本概念n車身覆蓋件為研究對象，結合逆向工程技術，研究了車身覆蓋件測量和三維重構的方法。針對車身覆蓋件曲面造型和數(shù)字化檢測這兩個熱點，通過激光掃描獲取點云，以轎車翼子板為例，分別介紹了對于覆蓋件的測量、點云的獲取、點云預處理及曲面重構。 4.1.2逆向工程技術在汽車覆蓋件開發(fā)中的作用n1. 在汽車車身造型設計的應用中，逆向汽車產品開發(fā)流程中，油泥模型師根據(jù)效果圖制作的油泥模型凍結后，使用三維掃描儀對油泥模型進行測量，生成點云數(shù)據(jù)，工程師根據(jù)點云使用逆向工程軟件來構建外表面 。n2.在逆向汽車產品開發(fā)中，逆向

18、工程技術應用在對標桿樣車的數(shù)字化上。 n3. 逆向工程技術應用于夾具、檢具的制造驗收檢驗。n5. 數(shù)字化模型的檢測。n4. 逆向工程技術在汽車模具中的應用。n4.2逆向工程在汽車覆蓋件開發(fā)中的應用研逆向工程在汽車覆蓋件開發(fā)中的應用研究究n4.2.1汽車覆蓋件數(shù)據(jù)采集的前期準備汽車覆蓋件數(shù)據(jù)采集的前期準備n(1) 準備工作掃描的部位進行表面處理，n在物體外表面均勻地噴灑乳白色顯像劑，然后在上面貼參考點、數(shù)碼點和放置經過標定的長度尺（如圖1）。利用所有參考點的三維坐標準確定位，從而減少拼合誤差。 n(2) ATOS 系統(tǒng)的校準n(3) 車身覆蓋件點云數(shù)據(jù)獲取4.2.2汽車覆蓋件數(shù)據(jù)處理工作方面汽車覆蓋件數(shù)據(jù)處理工作方面 n數(shù)據(jù)處理過程包括以下幾方面的工作:n（1）數(shù)據(jù)預處理; n（ 2 ） 數(shù)據(jù)分塊; n（ 3 ） 數(shù)據(jù)光順; n（ 4 ） 數(shù)據(jù)優(yōu)化。 4.2.3車身覆蓋件數(shù)據(jù)預處理車身覆蓋件數(shù)據(jù)預處