畢業(yè)設(shè)計(jì)演講稿

1、汽車造型設(shè)計(jì)的基于逆向工程的研究機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（汽車工程） 鄭凱翔揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院第一章第一章 緒論緒論n進(jìn)人20世紀(jì)90年代以來(lái),汽車作為現(xiàn)代的一種交通運(yùn)輸工具,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民生活中起著重要的作用。在繁榮的背后中國(guó)汽車業(yè)依然脆弱, 盡快建立中國(guó)汽車工業(yè)的技術(shù)開發(fā)體系,形成自主開發(fā)產(chǎn)品的能力,將關(guān)系到汽車工業(yè)發(fā)展的全局和長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃。而逆向工程技術(shù)能夠快速吸收國(guó)外汽車車身設(shè)計(jì)的先進(jìn)技術(shù)，快速響應(yīng) 市場(chǎng)，提高我國(guó)自主設(shè)計(jì)開發(fā)汽車的能力。 1.1逆向工程的學(xué)術(shù)背景逆向工程的學(xué)術(shù)背景n逆向工程，通俗的說(shuō)法叫“抄數(shù)”，它是與“正向工程”相對(duì)而言的，它是將現(xiàn)有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的

2、數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)以及產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。逆向工程從現(xiàn)有的，己經(jīng)研究開發(fā)出來(lái)的優(yōu)秀產(chǎn)品或樣件出發(fā)，在對(duì)產(chǎn)品或樣件的設(shè)計(jì)思想和理念充分吸收后，對(duì)樣件原型進(jìn)行三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，繼而對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后進(jìn)行模型重構(gòu)，得到實(shí)物樣件的數(shù)字化模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)加工或二次開發(fā)，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。逆向工程設(shè)計(jì)是有別于傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)過程的，它是一個(gè)“認(rèn)識(shí)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(jì)算機(jī)新技術(shù)的不斷應(yīng)用及人們消費(fèi)需求的不斷變更，促使汽車產(chǎn)業(yè)界要努力縮短產(chǎn)品生命周期，不斷除陳推新。這就對(duì)汽車車身及各零部件的設(shè)計(jì)工

3、作提出了更高的要求。 n在傳統(tǒng)開發(fā)中，工業(yè)產(chǎn)品均是循著序列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)流程，從功能與規(guī)格的預(yù)期目標(biāo)確定開始，構(gòu)思產(chǎn)品的零組件需求，再由各個(gè)組件的設(shè)計(jì)、制造以及檢驗(yàn)零組件組裝、檢驗(yàn)整機(jī)組裝、性能測(cè)試等程序來(lái)完成。每個(gè)組件都保留有原始的設(shè)計(jì)圖，現(xiàn)在已用電子的CAD圖檔來(lái)保存。順向設(shè)計(jì)已突顯其耗時(shí)、耗力，產(chǎn)品生命周期長(zhǎng)，成本高昂的缺點(diǎn)。 n另外，產(chǎn)品的客戶需求個(gè)性化，也使得傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法力不從心，很難直接通過數(shù)學(xué)模型來(lái)建立其結(jié)構(gòu);不能適應(yīng)對(duì)產(chǎn)品快速修改、個(gè)性多樣的特點(diǎn)。在這樣的背景下，逆向工程應(yīng)運(yùn)而生。 第二章第二章 逆向工程技術(shù)在車身設(shè)逆向工程技術(shù)在車身設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展現(xiàn)狀計(jì)中的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展現(xiàn)狀 n傳

4、統(tǒng)的車身設(shè)計(jì)主要分為初步設(shè)計(jì)和技術(shù)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段，整個(gè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過程所遵循的順序是山外及內(nèi)，山模型到圖紙。整個(gè)設(shè)計(jì)過程是通過實(shí)物、模型、圖紙和樣板來(lái)傳遞信息的。2.12.1逆向工程技術(shù)在車身設(shè)計(jì)中的逆向工程技術(shù)在車身設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)n缺點(diǎn)缺點(diǎn):任何設(shè)計(jì)細(xì)微的改變，都將導(dǎo)致主模型和大量圖紙的修改，增加工作量，延長(zhǎng)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(shí)物轉(zhuǎn)化為CAD模型數(shù)字化技術(shù)、兒何模型重構(gòu)技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。主要包括三

5、個(gè)過程:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、曲面擬合重構(gòu)。避免傳統(tǒng)的車身設(shè)計(jì)方法中每個(gè)設(shè)計(jì)階段都要反復(fù)進(jìn)行的平面圖形和立體模型制作的過程，以致新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、工作量大。 2.2逆向工程的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀逆向工程的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀n逆向工程這一概念是在20世紀(jì)80年代初分別由美國(guó)3M公司、日本名古屋工業(yè)研究所和美國(guó)UVP公司提出的。自從20世紀(jì)80年代產(chǎn)生以來(lái)，逆向工程技術(shù)以其顯著的優(yōu)勢(shì)收到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的越來(lái)越多的重視。n在測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備方面，傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，在速度和精度方面不斷提高。 n在曲線曲面重構(gòu)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(shè)計(jì)方

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

7、乏產(chǎn)品樣件實(shí)物的情況下，可以利用現(xiàn)有的軟件信息(如使用說(shuō)明書、技術(shù)文件、圖紙、關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范說(shuō)明的文檔等)進(jìn)行分析研究，最終獲得產(chǎn)品的幾何模型。n3、影像反求:所謂影像反求就是根據(jù)產(chǎn)品照片或影視畫面等影像信息，生成產(chǎn)品的三維幾何模型。影像反求技術(shù)目前發(fā)展還不太成熟，處于成長(zhǎng)階段。2.4逆向工程研究意義與研究?jī)?nèi)容逆向工程研究意義與研究?jī)?nèi)容n意義 (1）在CAD模型設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用逆向工程可以快速設(shè)計(jì)出符合市場(chǎng)需求的車身外形。n(2)在CAD設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)車身的輕量化設(shè)計(jì)，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(chǎng)定位對(duì)汽車進(jìn)

8、行必要的更改。n內(nèi)容 n（1）基于逆向工程的汽車車身數(shù)據(jù)測(cè)量技術(shù)。n（2）基于逆向工程的汽車車身數(shù)據(jù)處理技術(shù)及CAD模型重構(gòu)。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(guān)鍵技術(shù)逆向工程及其關(guān)鍵技術(shù)n“逆向工程”這個(gè)名詞最早出現(xiàn)在對(duì)硬件產(chǎn)品的分析中。人們分析硬件產(chǎn)品以便改進(jìn)自己的產(chǎn)品,或出于軍事目的分析敵方的產(chǎn)品,或者出于商業(yè)目的分析競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品,從而產(chǎn)生了關(guān)于硬件產(chǎn)品的逆向工程這個(gè)概念. M.G.RekoffJr 將逆向工程定義為:對(duì)一個(gè)復(fù)雜的硬件系統(tǒng)實(shí)施有條理的檢查,以開發(fā)出關(guān)于這個(gè)系統(tǒng)的一組規(guī)范說(shuō)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(guān)的三個(gè)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(shuō)明的是,在對(duì)一個(gè)系統(tǒng)實(shí)施逆向工程時(shí),并不改變這個(gè)系統(tǒng)本身,也不包括在此系統(tǒng)上構(gòu)建新的系統(tǒng)的過程。逆向工程對(duì)系統(tǒng)實(shí)施的是一個(gè)檢查過程,它把正向工程作為要逆轉(zhuǎn)的對(duì)象。 3.1.2逆向工程在引進(jìn)技術(shù)中的應(yīng)用逆向工程在引進(jìn)技術(shù)中的應(yīng)用n所謂逆向工投(Reverse Engineering, RE)，是指用一定的測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物的CAD模型的過程，它的設(shè)計(jì)流程如圖2所示。n概括地說(shuō)，正向設(shè)計(jì)工程是由概

10、念到CAD模型，再到實(shí)物模型的開發(fā)過程;而逆向工程則是由實(shí)物模型到CAD模型的過程，對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行三維數(shù)字化處理，構(gòu)造實(shí)物的CAD模型，并利用各種成熟的CAD/ACE/CAM以及CIMS等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行再創(chuàng)新設(shè)計(jì)。n關(guān)步驟和方法關(guān)步驟和方法n一、車身模型的測(cè)量一、車身模型的測(cè)量n比如對(duì)于圖1所示的吉普車車身，采用非接觸測(cè)量的方法只需要一兩天的時(shí)間即可。為了提高測(cè)量的效果和精度，一般要在車身上噴上顯影增強(qiáng)劑，如圖2所示。n1.車身模型坐標(biāo)系的確定n對(duì)于轎車車身，一般以汽車前軸的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，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(jī)(三坐標(biāo)測(cè)量機(jī))，如圖3

11、所示。 n2.貼車身Mark點(diǎn)nMark標(biāo)記點(diǎn)實(shí)際上是后序測(cè)量的點(diǎn)云片的拼接所用的定位點(diǎn)，如圖4所示。n3.測(cè)量車身Mark點(diǎn)n4.車身曲面片測(cè)量n二、車身點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理n1.數(shù)據(jù)預(yù)處理n2.點(diǎn)云的渲染點(diǎn)云的渲染圖9 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)圖10 渲染效果n三、車身曲面逆向工程設(shè)計(jì)三、車身曲面逆向工程設(shè)計(jì)n(1)車身坐標(biāo)系的確定n(2)分析被測(cè)量車身的部位與功用n(3)分析是否變形n(4)要從全局來(lái)分析曲面的大小n(5)整體考慮n(7)車身曲面的細(xì)節(jié)處理n(6)車身曲面的評(píng)價(jià)與修改3.1.3逆向工程關(guān)鍵技術(shù)分析逆向工程關(guān)鍵技術(shù)分析n逆向工程設(shè)計(jì)方法是汽車車身設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是一種快速設(shè)計(jì)的工

12、程方法。逆向工程設(shè)計(jì)主要包括如下過程：三維測(cè)量獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、特征的提取、曲面重構(gòu)和曲面評(píng)價(jià)等。 3.2逆向工程分析技術(shù)與測(cè)量方法逆向工程分析技術(shù)與測(cè)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(guān)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集方法動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集方法n動(dòng)態(tài)分析部分主要有3種實(shí)現(xiàn)方式（1）采用在源代碼中植入(instrument) 語(yǔ)句我們稱之為植入法

13、。目前各種工具中收集動(dòng)態(tài)信息主要采用這種方法。n（2）采用調(diào)試器獲取動(dòng)態(tài)信息 n（3）在二進(jìn)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(cè)量方法概述數(shù)據(jù)測(cè)量方法概述n反求技術(shù)所采用的測(cè)量方法主要有兩種:接觸式測(cè)量法和非接觸式測(cè)量法。n接觸式測(cè)量方法 ：接觸式測(cè)量是指利用接觸式測(cè)量設(shè)備對(duì)實(shí)物外表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 接觸式測(cè)量方法根據(jù)測(cè)量原理的不同分為點(diǎn)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(cè)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(cè)量、深度圖像三維測(cè)量法、核磁共振法(MRI)、自動(dòng)斷層掃描法等。 3. 3數(shù)據(jù)采

14、集的測(cè)量規(guī)劃數(shù)據(jù)采集的測(cè)量規(guī)劃n1、建立統(tǒng)一的測(cè)量坐標(biāo)系。n 2、對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行分塊測(cè)量時(shí)，按照規(guī)則與不規(guī)則曲面進(jìn)行劃分。n 3、重點(diǎn)進(jìn)行自由曲面部分的測(cè)量規(guī)劃。3.4逆向工程測(cè)量設(shè)備逆向工程測(cè)量設(shè)備n三維掃描儀的主要代表為：德國(guó)GOM公司獨(dú)家研制的ATOS流動(dòng)式光學(xué)掃描儀，是目前市場(chǎng)上最為先進(jìn)的非接觸式三坐標(biāo)掃描設(shè)備。 圖2. 1所示為本課題所采用的全自動(dòng)三坐標(biāo)激光測(cè)量機(jī)。3.4逆向工程測(cè)量原理逆向工程測(cè)量原理nComet 3D 掃描儀結(jié)合了結(jié)構(gòu)光技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)而形成的復(fù)合三維非接觸 測(cè)量技術(shù)，其工作原理圖如圖2-2所示。3.5.1點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)處理點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)處理n基于離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維建模過

15、程,實(shí)質(zhì)上就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理過程。其通用手段有數(shù)據(jù)調(diào)整、復(fù)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(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、修剪、密度修改、優(yōu)化(包括數(shù)據(jù)調(diào)整、數(shù)據(jù)光順和尖角保留) 等操作,最后得到 很精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。3.5.2三維曲面重構(gòu)技術(shù)、曲面光順、三維曲面重構(gòu)技術(shù)、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(diǎn)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(zhǔn)則, 最后利用光順的 縱向、橫向樣條 曲線構(gòu)造

16、出光順曲面。 n建模后可通過Pro/ E 中的View/advanced Photorender 進(jìn)行渲染處理及Analysis Model Analysis/ Curve Analysis/ Surface Analysis 分析方法來(lái)檢驗(yàn)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(dòng)檢查設(shè)備(如激光測(cè)量?jī)x) 對(duì)成品進(jìn)行檢查,取得數(shù)據(jù),再利用Pro/ Verify 模塊對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比較,檢查復(fù)雜產(chǎn)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括實(shí)物樣品模型表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

17、技術(shù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)和車身覆蓋件曲面重建技術(shù)。 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(duì)象，結(jié)合逆向工程技術(shù)，研究了車身覆蓋件測(cè)量和三維重構(gòu)的方法。針對(duì)車身覆蓋件曲面造型和數(shù)字化檢測(cè)這兩個(gè)熱點(diǎn)，通過激光掃描獲取點(diǎn)云，以轎車翼子板為例，分別介紹了對(duì)于覆蓋件的測(cè)量、點(diǎn)云的獲取、點(diǎn)云預(yù)處理及曲面重構(gòu)。 4.1.2逆向工程技術(shù)在汽車覆蓋件開發(fā)中的作用n1. 在汽車車身造型設(shè)計(jì)的應(yīng)用中，逆向汽車產(chǎn)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(jié)后，使用三維掃描儀對(duì)油泥模型進(jìn)行測(cè)量，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，工程師根據(jù)點(diǎn)云使用逆向工程軟件來(lái)構(gòu)建外表面 。n2.在逆向汽車產(chǎn)品開發(fā)中，逆向

18、工程技術(shù)應(yīng)用在對(duì)標(biāo)桿樣車的數(shù)字化上。 n3. 逆向工程技術(shù)應(yīng)用于夾具、檢具的制造驗(yàn)收檢驗(yàn)。n5. 數(shù)字化模型的檢測(cè)。n4. 逆向工程技術(shù)在汽車模具中的應(yīng)用。n4.2逆向工程在汽車覆蓋件開發(fā)中的應(yīng)用研逆向工程在汽車覆蓋件開發(fā)中的應(yīng)用研究究n4.2.1汽車覆蓋件數(shù)據(jù)采集的前期準(zhǔn)備汽車覆蓋件數(shù)據(jù)采集的前期準(zhǔn)備n(1) 準(zhǔn)備工作掃描的部位進(jìn)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(diǎn)、數(shù)碼點(diǎn)和放置經(jīng)過標(biāo)定的長(zhǎng)度尺（如圖1）。利用所有參考點(diǎn)的三維坐標(biāo)準(zhǔn)確定位，從而減少拼合誤差。 n(2) ATOS 系統(tǒng)的校準(zhǔn)n(3) 車身覆蓋件點(diǎn)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(yù)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(yù)處理車身覆蓋件數(shù)據(jù)預(yù)處