第五章逆向工程在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

第五章逆向工程在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用第一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五2.逆向工程流程實(shí)物樣件數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)分塊曲線重構(gòu)曲面重構(gòu)CAD模型CAE系統(tǒng)CAM系統(tǒng)快速成型RP產(chǎn)品樣件模具新產(chǎn)品點(diǎn)云拼合降噪、除雜過濾網(wǎng)格化快速成型RP第二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五二.逆向工程常用軟件第三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.geomagic

（常用于點(diǎn)云處理）第四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五2.Imageware

（常用于曲線構(gòu)造）第五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五3.Catia

（常用于曲面創(chuàng)建）第六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五4.Cloudform

（常用于點(diǎn)云處理）

第七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五

數(shù)據(jù)獲取技術(shù)是反求工程建模的第一步，它是用一定的設(shè)備對實(shí)物進(jìn)行測量來獲取實(shí)物的表面數(shù)據(jù)（有時(shí)也包括內(nèi)部數(shù)據(jù)）。測量的方法有很多，如圖所示。數(shù)據(jù)獲取方法非接觸式接觸式三角形法距離法結(jié)構(gòu)光法圖象分析法機(jī)械手坐標(biāo)測量機(jī)干涉測量法1.常用數(shù)據(jù)采集方法

激光掃描照相掃描斷層處理第八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五2.接觸式與非接觸式測量接觸式測量過程中測頭與模型表面接觸進(jìn)行掃描測量，其測量精度高，缺點(diǎn)是測量速度慢，摩擦力和彈性變形的存在易引起模型變形產(chǎn)生測量誤差。對微細(xì)部分的測量受到限制，不適于軟質(zhì)材料或薄形物件進(jìn)行掃描。非接觸式測量速度快、精度高，排除了由測量摩擦力和接觸壓力造成的測量誤差，精密測量獲得的密集點(diǎn)云信息量大，精度高，最大限度地反映被測表面的真實(shí)形狀，適用于各種軟硬材料的各種復(fù)雜曲面模型的三維高速測量。

第九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五2.激光掃描法激光掃描法保證物件不動(dòng)，通過移動(dòng)鏡頭在物件上勻速掃過來完成掃描過程。大約每0.01s掃出一條掃描線，若干掃描線連成一體形成點(diǎn)云激光掃描對操作者的操作水平要求非常高：

1.鏡頭與樣件保持恒定的距離

2.掃描速度恒定

3.盡量避免重復(fù)掃描激光掃描的最大缺點(diǎn)是掃描精度低第十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五4.工業(yè)CT和逐層切削照相測量技術(shù)工業(yè)CT技術(shù)是一種基于X射線的CT掃描機(jī)測量方法，利用測量物體對X射線的衰減系數(shù)，由計(jì)算機(jī)重建物體的斷層圖像。它適合于測量復(fù)雜的內(nèi)部幾何形狀，利用它可以直接獲取物體的截面數(shù)據(jù)，根據(jù)CT圖像來重構(gòu)三維模型，然后轉(zhuǎn)化為STL或CLI文件格式。它是目前唯一的一種既測量了零件復(fù)雜的內(nèi)部幾何形狀，又不破壞零件的技術(shù)。但是該方法也存在很大的缺點(diǎn)：成本高、在Z軸方向測量精度差，目前最小厚度達(dá)0.1mm。逐層切削照相測量是一種新興的斷層測量技術(shù)，它以極小的厚度去逐層切削實(shí)物（最小可達(dá)0.01mm），并對每一斷面進(jìn)行照相，獲取截面圖像數(shù)據(jù)，其測量精度達(dá)±0.02mm，是目前斷層測量精度最高的方法，且成本較低，與工業(yè)CT相比，價(jià)格便宜70‰～80‰，但它的致命缺點(diǎn)是破壞了零件。從發(fā)展趨勢看，工業(yè)CT和逐層切削照相測量將占反求工程測量方法主導(dǎo)地位，應(yīng)用范圍也會(huì)廣泛。第十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五照相式掃描激光掃描儀坐標(biāo)測量機(jī)

系統(tǒng)體積小一般大系統(tǒng)重量輕，便攜重重，不可移點(diǎn)云密度超高高、不均勻低測量精度高較低高測量范圍大一般大測量時(shí)間0.01－0.4s數(shù)10秒數(shù)小時(shí)彩色信息有無無安裝裝置簡單一般需要調(diào)試操作過程簡單需掌握技巧難，嚴(yán)格工作環(huán)境一般一般嚴(yán)格適用范圍非常廣泛較廣泛硬質(zhì)物體第十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五四.點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理點(diǎn)云的多視拼合點(diǎn)云的降噪、勻化點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過濾點(diǎn)云數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化第十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.點(diǎn)云的多視拼合混合式拼合逐步式拼合321拼合手動(dòng)＋自動(dòng)拼合基于骨架點(diǎn)的拼合第十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五2.點(diǎn)云的降噪、勻化■噪聲去除：數(shù)據(jù)噪聲主要由振動(dòng)、鏡面反射或零件粗糙的表面等因素引起，是測量中很難避免的。噪聲不僅會(huì)增加曲率或法矢的估算誤差，影響數(shù)據(jù)分塊，而且會(huì)破壞曲面模型的光順性，這是一個(gè)不容忽視的問題。

●線掃描－－改進(jìn)的能量法對曲線光順，也叫變形光順；●圖象數(shù)據(jù)（濾波）－－平滑濾波方法,包括空間域方法（低通空間濾波、中值濾波、取多幅圖象平均值）和頻率域方法（低通濾波）；●人機(jī)交互。第十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五■數(shù)據(jù)勻化：樣件本身復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和固定樣件所用的夾具都會(huì)引起測量數(shù)據(jù)的局部缺失，這可能會(huì)給特征提取和曲面重構(gòu)帶來很大困難。在進(jìn)行特征提取前，應(yīng)通過一定的方法恢復(fù)丟失的測量信息，這就是數(shù)據(jù)勻化或數(shù)據(jù)補(bǔ)全技術(shù)。數(shù)據(jù)補(bǔ)全過程和實(shí)例第十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五3.點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過濾■數(shù)據(jù)壓縮：隨著激光測量技術(shù)的廣泛應(yīng)用，測量結(jié)果往往是大規(guī)模的，因此可能存在大量的冗余數(shù)據(jù)，在曲面造型前需要按一定要求減少測量點(diǎn)的數(shù)量，即進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。不同類型的數(shù)據(jù)其壓縮方法也不同。均勻壓縮（8298個(gè)點(diǎn)）掃描點(diǎn)（68531個(gè)點(diǎn)）均勻壓縮處理（0.31mm壓縮至1.13mm）第十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五原始點(diǎn)云均勻法弦差分法包圍盒法空間法第十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五4.點(diǎn)云數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化點(diǎn)云處理的最后一步是生成網(wǎng)格化點(diǎn)云，網(wǎng)格化點(diǎn)云質(zhì)量的好壞直接影響到下一步的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊，而對最終生成的曲面也有一定的影響。正確建立各點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系，形成三角平面片是網(wǎng)格化點(diǎn)云的關(guān)鍵。另外在曲面較平坦的范圍內(nèi)要合理減少三角平面片數(shù)量，在曲面曲率比較大的范圍內(nèi)合理增加三角平面片的密度。第十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.特征提取特征提取主要針對平面、柱面、球面、錐面等二次曲面的識(shí)別第二十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五2.數(shù)據(jù)的分塊在逆向設(shè)計(jì)中，由點(diǎn)云一次性生成符合要求的曲面不僅實(shí)現(xiàn)起來有一定困難，而且即便是生成了曲面在光順性上也得不到保證，因此將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，分別構(gòu)造曲面再通過橋接、過渡、裁剪等細(xì)節(jié)特征處理而最終生成全部曲面就顯得十分必要了。對于規(guī)則數(shù)據(jù)點(diǎn)常用的分塊方法是曲率法，通過計(jì)算點(diǎn)云的曲率找到尖邊區(qū)域，以此作為邊界進(jìn)行區(qū)域劃分。

第二十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五擬采用的構(gòu)面方法汽車內(nèi)附板點(diǎn)云分塊結(jié)果第二十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.曲線的構(gòu)建NURBS（非均勻有理B樣條）（Not－UniformrationalB－Spline）曲線擬合方法

1.均勻擬合2.公差擬合3.插值擬合曲線構(gòu)建的原則（三個(gè)盡量）

1.盡量使用均勻擬合方式來擬合曲線

2.在保證曲線形狀前提下盡量減少控制點(diǎn)數(shù)量

3.盡可能地對曲線進(jìn)行均勻參數(shù)化第二十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五2.曲面的創(chuàng)建

基于點(diǎn)云的曲面擬合第二十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五

NURBS曲面設(shè)計(jì)掃掠曲面截面線拉伸曲面拉伸曲線默認(rèn)方向直紋面旋轉(zhuǎn)曲面母線蒙皮截面線第二十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五局部孔斯曲面混合在NURBS曲面邊界圍成的矩形區(qū)域中，采用孔斯混合方式構(gòu)造一張與周圍曲面光滑連接的NURBS曲面

孔斯混合前孔斯混合后第二十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五某汽車前圍曲面重構(gòu)結(jié)果第二十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五七.曲面連續(xù)性第二十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.曲面連續(xù)性概念曲面連續(xù)性可以理解為相互連接的曲面之間過渡的光滑程度。提高連續(xù)性級(jí)別可以使表面看起來更加光滑、流暢。曲面連續(xù)性級(jí)別

1.G0-位置連續(xù)

2.G1-切線連續(xù)

3.G2-曲率連續(xù)

4.G3-曲率變化率連續(xù)

第二十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五

G0-位置連續(xù)圖中所示的兩組線都是位置連續(xù)，他們只是端點(diǎn)重合，而連接處的切線方向和曲率均不一致。這種連續(xù)性的表面看起來會(huì)有一個(gè)很尖銳的接縫，屬于連續(xù)性中級(jí)別最低的一種。第三十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五

G1-切線連續(xù)圖中所示的兩組曲線屬于切線連續(xù)，他們不僅在連接處端點(diǎn)重合，而且切線方向一致(可以看到相連的兩條線段梳子圖的刺在接觸點(diǎn)位置是在一條直線上的)。這種連續(xù)性的表面不會(huì)有尖銳的連接接縫，但是由于兩種表面在連接處曲率突變，所以在視覺效果上仍然會(huì)有很明顯的差異。會(huì)有一種表面中斷的感覺。第三十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五

G2-曲率連續(xù)圖中的兩組曲線屬于曲率連續(xù)。他們不但符合上述兩種連續(xù)性的特征，而且在接點(diǎn)處的曲率也是相同的。如圖中所示，兩條曲線相交處的梳子圖的刺長度和方向都是一致的。這種連續(xù)性的曲面沒有尖銳接縫，也沒有曲率的突變，視覺效果光滑流暢，沒有突然中斷的感覺。這通常是制作光滑表面的最低要求。也是制作A級(jí)面的最低標(biāo)準(zhǔn)。第三十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五

G3-曲率變化率連續(xù)圖中的兩組曲線的連續(xù)性屬于曲率變化率連續(xù)。這種連續(xù)級(jí)別不僅具有上述連續(xù)級(jí)別的特征之外，在接點(diǎn)處曲率的變化率也是連續(xù)的，這使得曲率的變化更加平滑。曲率的變化率可以用一個(gè)一次方程表示為一條直線。這種連續(xù)級(jí)別的表面有比G2更流暢的視覺效果。但是由于需要用到高階曲線或需要更多的曲線片斷所以通常只用于汽車設(shè)計(jì)。第三十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五曲面連續(xù)性總結(jié)G0由于使模型產(chǎn)生了銳利的邊緣，所以平時(shí)都極力避免，甚至想盡辦法擺脫這種效果。——不常用G1由于制作簡單，成功率高，而且在某些地方極其實(shí)用，比如兩個(gè)面之間的倒角就用這種連續(xù)級(jí)別?！容^常用G2由于視覺效果非常好，是大家追求的目標(biāo)，但是這種連續(xù)級(jí)別的表面并不容易制作，它是Nurbs建模中的一個(gè)難點(diǎn)。這種連續(xù)性的表面主要用于制作模型的主面和主要的過渡面?！Ｓ肎3這種連續(xù)級(jí)別通常不使用，因?yàn)樗麄兊囊曈X效果和G2幾乎相差無幾，而且消耗更多的計(jì)算資源。這種連續(xù)級(jí)別的優(yōu)點(diǎn)只有在為了得到完美的反光效果而要求表面曲率變化非常平滑的時(shí)候才會(huì)體現(xiàn)出來。第三十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五2.ClassA曲面A級(jí)曲面定義

滿足相鄰曲面間之間隙在0.005mm以下，切率改變(tangencyChange)在0.16度以下，曲率改變(curvaturechange)在0.005度以下，且符合以下條件：

1.所有特征都必須分解成單凸或單凹特征。

2.所有特征線（面）階數(shù)必須小于6階。

3.零件邊界線必須光順。

4.與點(diǎn)云誤差±5mm以內(nèi)。的曲面稱為A級(jí)曲面第三十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五八.曲面品質(zhì)第三十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五高斯曲率檢測法1.曲面光順性檢測