汽車前大燈設計

汽車前大燈設計車燈是汽車關鍵部件之一，它不僅對汽車的外觀有畫龍點睛的作用，而且直接影響行車的舒適性和安全性。車燈既是汽車的功能件，又是其外觀件，一輛車的車燈就像人的眼睛，能傳遞它的精神和內涵，也是整車設計的點睛之筆，能體現汽車的品味，其造型設計的意義就在于彰顯汽車的氣質。隨著汽車制造技術的不斷發(fā)展和進步，作為汽車主要的照明和信號裝置的汽車車燈技術不斷更新。在汽車車燈新產品的研究開發(fā)過程中，逆向工程技術和思想越來越受到重視。車燈產品的造型大致可以分為數據測量、三維建模和結構設計三個階段。目錄TOC\o"1-5"\h\z1弓I言22汽車車燈設計技術錯誤!未定義書簽。\o"CurrentDocument"2.1車燈的分類2\o"CurrentDocument"2.2車燈的發(fā)展史.2\o"CurrentDocument"3逆向工程技術概述.4\o"CurrentDocument"3.1逆向工程簡介4\o"CurrentDocument"3.2逆向工程的應用現狀4\o"CurrentDocument"3.3逆向工程的一般流程5\o"CurrentDocument"3.4逆向工程的關鍵技術5\o"CurrentDocument"4逆向工程技術及應用.7\o"CurrentDocument"4.1數據采集74.2數據處理8\o"CurrentDocument"4.3模型重構13\o"CurrentDocument"5汽車前大燈的逆向設計18\o"CurrentDocument"5.1前大燈的數據采集18\o"CurrentDocument"5.2前大燈點云數據處理19\o"CurrentDocument"5.3前大燈CAD模型構建225.3.1重構前的準備工作225.3.2以結構體為主的底座的構建22\o"CurrentDocument"5.4CAD模型檢驗.245.4.1燈罩大面的曲面品質分析245.4.2底座的拔模檢查與調整255.4.3裝配干涉檢查25

隨著汽車設計和制造工藝的進一步提高，車燈不再只是汽車的一個照明部件，還是這車設計的點睛之筆，時髦的汽車車燈集實用性和裝飾性為一體，且更注重于整車的審美風格保持一致，它最能體現汽車的品位，越是個性化車、高檔車，越注重車燈的設計及品質。本文就對車燈的分類及發(fā)展史、逆向工程的概念、應用現狀、關鍵技術和一般流程，以及汽車前大燈的逆向設計做了簡要概述，并闡述了本文的研究內容。2汽車車燈設計技術隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，各種款式的轎車不斷涌現，汽車速度不斷提高，對汽車燈具設計的要求也越來越高。尤其是前照燈系統(tǒng)，不僅要效率高，還要解決夜間行車的眩目問題。以前的車燈設計方法是依靠個人的經驗和大量的實驗，但這已遠遠跟不上燈具設計需求的速度和越來越嚴格的車燈照明標準。因此國外已有人利用計算機對汽車燈具進行仿真設計，從而大大加快了燈具的開發(fā)進度。在國內，這方面的研究還遠落后于國外。2.1車燈的分類車燈按照用說途分照明燈和信號燈兩大類。照明燈又分為外照明燈和內照明燈，信號燈也分為外信號燈和內信號燈，如圖2.1所示。汽車車燈照刖燈信號燈內信號燈內照明燈外照明燈外佶號燈R板示圖2.1車燈分類照刖燈內信號燈內照明燈外照明燈外佶號燈R板示外照明燈除了牌照燈之外，主要作用是為本車駕駛員提供路面照明，外信號燈則是為方便其它車輛駕駛員識別本車輪廓和判斷本車動向而設置的，其中轉向指示燈和動燈是極重要的信號指示燈，它對于汽車行駛安全至關重要。在這些燈中，屬于強制性檢驗的有外照明燈和外信號燈，因為這些燈是行車安全的關鍵部件。

2.2車燈的發(fā)展史汽車車燈主要指前照燈總成和后燈總成，前照燈是重點。前照燈又稱為汽車大燈，有照明、裝飾和保障汽車安全運行的功能。前照燈是車燈中要求最高、結構最復雜、設計和制造難度最大的車燈。為了使車燈照明系統(tǒng)滿足使用要求，也為了使車燈外觀更適應車身造型的變化，從汽車發(fā)展至今，前照燈的發(fā)展經過七代演變，如圖2.2所示。圖2.2車燈前照燈發(fā)展過程第一代：乙炔氣前照燈。前照燈具有高的輪廓亮度，乙炔氣火焰的亮度比當時的電光源所能達到的亮度高出一倍，因而，在1925年以前使用的汽車前照燈幾乎全是乙炔前照燈。第二代：電光源前照燈。1913年帶螺旋燈絲的充氣白熾燈泡問世，因其具有較高亮度，給電光源前照燈開辟了廣闊的前景。然而，乙炔前照燈仍然繼續(xù)使用了很長一段時間，直到1925年電氣照明才得到廣泛的應用。第三代：雙光燈絲前照燈。這種前照燈具有遠近兩種燈絲，夜間行車時采用遠光燈s以保證照明，兩車相會時采用近光燈以防炫目。第四代：不對稱近光前照燈。由于雙光燈絲前照燈在由遠光燈轉換為近光燈時，駕駛員視見距離縮短，不得不降低車速。為了解決這一問題，1932年美國發(fā)明了不對稱前照燈，它是以基準軸為中心，將光束一分為二，靠近來車一側的落地距離短以防止眩目，而另一側光束的落地距離長以增加視見。第五代：鹵鎢前照燈。第一批裝有鹵鎢燈泡的汽車前照燈是由法國“斯貝”公司在1964年生產的，其燈絲允許工作溫度較普通白熾燈泡高，光效增加約50%，壽命也增加一倍。第六代：氙氣燈，又稱為HID燈。氙氣頭燈是以高壓擊穿惰性氣體電離而發(fā)光，也叫氣體放電燈。從1995年起，歐洲法規(guī)批準使用這種燈，現在奔馳、寶馬、保時捷等高檔轎車都相繼使用了這種前照燈。HID燈具有光照度強，色溫高，穿透力強，消耗能量少，壽命高，不受車上電壓波動影響等許多優(yōu)點，是當代最新型的汽車前照燈。第七代：LED前照燈。LED具有高安全性、運行平穩(wěn)、節(jié)約電力、壽命長等多種優(yōu)點，是未來車輛照明的一個發(fā)展趨勢。美國最新的研究結果表明，未來五年內，白光大功率LED技術將大幅度代替目前的各種照明產品，而且將適用于汽車的各種照明。3逆向工程技術概述逆向工程（ReverseEngineering,RE），又稱為反求工程、反向工程、抄數等，這個在20世紀90年代末期還無人知曉的技術術語，僅僅用了不到十年的時間就迅速發(fā)展成為制造業(yè)中的一項“時尚”技術，它在產品設計領域的普及速度之快，簡直可與數控技術在加工領域的普及速度相媲美。3.1逆向工程簡介逆向工程是隨計算機技術和測量技術的進步而發(fā)展起來的一門新興學科和技術。它是在無設計圖紙或圖紙不完整以及無CAD模型的情況下，從現有模型或實物出發(fā)，利用數字化及計算機輔助設計技術重新構造原形CAD模型的過程。它已發(fā)展為CAD/CAM中的一個相對獨立的范疇，促進了產品創(chuàng)新設計，縮短了產品設計制造周期，提高了產品數字化程度，成為推動先進制造的一股新興力量。逆向工程是一門跨學科、跨專業(yè)的綜合性工程。它以產品原型、實物、軟件（圖樣、程序、技術文件等）或影像（圖片、照片等）等作為研究對象，應用系統(tǒng)工程學、產品設計方法學和計算機輔助技術的理論和方法，探索并掌握支持產品全生命周期設計、制造和管理的關鍵技術，進而開發(fā)出同類的或更先進的產品。所以逆向工程不僅是仿造，而且是一個創(chuàng)新的過程。對于我國這樣一個發(fā)展中國家，引進國外的先進技術，并用逆向工程技術消化和吸收，是縮短與發(fā)達國家差距的重要手段之一。因此，逆向工程技術已經成為先進制造業(yè)發(fā)展的催化劑。同時，先進制造業(yè)的發(fā)展反過來促進逆向工程技術的完善和提高。3.2逆向工程的應用現狀在產品造型日益多元化的今天，逆向工程己經成為產品開發(fā)中不可或缺的一環(huán)，其主要包括：（1）航空航天、汽車、摩托車領域。工業(yè)設計師利用油泥、粘土或木頭等材料設計比例模型，將所要表達的意象以實體的方式呈現出來，完成產品的美學評價。然后通過應用逆向工程技術，將比例模型轉換成具有真實尺寸的CAD數字模型，以數字模型為依據得到全尺寸模型，進行空氣動力學等各種性能測試與試驗，從而為制造出符合要求的產品打下基礎。（2）產品的改良設計。例如可以直接在國內外已有的先進產品的基礎上，進行結構性能分析、設計模型重構、再設計優(yōu)化與制造，吸收并改進國內外先進的產品和技術，極大地縮短產品開發(fā)周期，降低開發(fā)風險，減少設計投入，有效快速地占領市場。（3）文物、藝術品的復制。通常文物與藝術品的造型比較復雜，很難直接使用計算機三維技術構建幾何特征，這時就需要應用逆向工程技術完成文物、藝術品等造型復雜的實物“復制”。（4）醫(yī)學及相關領域。如人體中的骨頭和關節(jié)等的復制、假肢制造、人體外形量測量、醫(yī)療器材制作等，都需要應用逆向工程技術來完成。特種服裝、頭盔的制造要以使用者的身體為原始設計依據，此時，需首先建立人體的幾何模型?，F代逆向工程技術除廣泛應用在上述的航天工業(yè)、汽車工業(yè)、消費性電子產品等幾個傳統(tǒng)應用領域外，也開始應用于休閑娛樂方面，比如用于立體動畫、廣告動畫、多媒體虛擬實境等。此外，逆向工程技術在工業(yè)產品檢測、無損探傷、發(fā)動機設計、飛輪設計以及產品快速制造等方面可以發(fā)揮巨大作用。3.3逆向工程的一般流程在工程技術人員的一般概念中，產品設計過程是一個從無到有的過程。即設計人員首先在大腦中構思產品的外形，性能和大致的技術參數等，然后通過繪制圖紙建立產品的三維數字化模型，最終將這個模型轉入到制造流程中，完成產品的整個設計制造周期。這樣的產品設計過程我們稱為“正向設計”過程。而逆向工程，則可以認為是一個“從有到有”的過程，這里第一個“有”指的是實際的產品樣件，而第二個“有”指的是產品的CAD模型。換句話說，逆向工程產品設計就是根據己經存在的產品實物模型，反向推出產品設計數據（包括設計圖紙或數字模型）的過程。逆向工程一般包括以下幾個階段：數據采集、數據處理、模型重構。其一般流程如圖3.1所示。其中數據采集是前提，數據處理和模型重構是逆向工程的關鍵，而模型重構尤為重要。圖3.1逆向工程技術的流程圖3.4逆向工程的關鍵技術逆向工程中的關鍵技術包括形狀表面數字化技術、三維模型重建技術、曲面重建技術、逆向工程集成系統(tǒng)等。（1）形狀表面數字化技術。零件的數字化是通過特定的測量設備和測量方法獲取零件表面離散點的幾何坐標數據，在這個基礎上進行復雜曲面的建模、評價、改進、制造。所以作為逆向工程的第一步，如何高效、高精度的獲得實物表面數據成為了逆向工程實現的基礎和關鍵技術之一?，F有的數據采集方法主要分為三大類：接觸式測量、非接觸式測量和逐層測量技術。（2）數據處理技術：CAD模型重建之前應進行數據預處理，目的是獲得完整準確的測量數據以方便以后的造型工作。其主要的處理工作包括數據格式的轉換、數據平滑及過濾、數據精簡、數據分割、多次測量數據及圖像的數據定位對齊和對稱零件的對稱基準重建。（3）曲面重建技術：根據曲面的數據采集信息來恢復原始曲面的幾何模型，稱為曲面重構。根據曲面重構方法的不同，可以分為：函數曲面擬合法、矩形域參數曲面擬合法、三角曲面擬合法、神經網絡擬合法。（4）模型分析和評價技術。模型的分析主要指的是對模型進行結構工程分析，包括有限元分析、注塑分析和運動模擬。模型的評價主要指的是對模型的精度進行評價，一般來說是在造型的數據上取一個參考點，以參考點到評價曲面的偏差為目標函數，對模型的精度進行評價。逆向工程的一個很重要的特點就是進行模型的評價，我們實際制造中生產的產品到底是不是能符合設計的要求，這全靠最后的模型檢測和評價。（5）集成的逆向工程技術。重建實物的CAD模型的目的是為后續(xù)應用提供幾何支持，逆向工程技術往往和其他先進制造技術相結合，應用于產品設計和制造，如80年代初發(fā)展起來的快速原型制造技術、基于數字及網絡的快速模具設計及制造技術等。由于逆向工程技術和計算機輔助測量（CAT）、輔助設計（CAD）、輔助制造（CAM）以及計算機輔助工程分析（CAE）密切相關，因此其成功應用的關鍵不僅僅在于各計算機輔助子模塊和系統(tǒng)是否能較好地獨立完成各項工作，很大程度上還取決于各個子模塊和系統(tǒng)的計算機集成程度。可以說逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE等先進的計算機輔助技術集成應用的一個典型例子。4逆向工程技術及應用4.1數據采集數據采集即實物數字化，是通過特定的測量設備和方法獲取模型表面離散點的幾何坐標數據，又稱點云(PointCloud)數據，并在此基礎上進行復雜曲面的建模、評價、改進和制造。測量得到的點云數據正確與否，直接關系到最后的CAD模型的精度及最終產品能否符合要求。因此，高效、高精度地實現實物表面的數據采集，是逆向工程的基礎和關鍵技術之一。目前數據的測量方法有很多種，而不同的測量方法也決定了測量的精度。按照數據的獲取方式劃分，主要有接觸式和非接觸式兩種。在接觸測量和非接觸測量中，三坐標測量機(CMM)是廣泛采用的一種測量設備。接觸式數據采集方法接觸式數據采集方法中應用最廣的是三坐標測量法。傳統(tǒng)的三坐標測量機(CoordinateMeasuringMachineCMM)是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型精密測量儀器。由于三坐標測量機具有對連續(xù)曲面進行掃描來制備數控加工程序的功能，因此一開始就被選作逆向工程的主要數字化設備，并一直使用至今。其測量原理是：將被測物體置于三坐標機的測量空間，可獲得被測物體上各測點的坐標位置，根據這些點的空間坐標值，經計算可求出被測的幾何尺寸、形狀和位置。三坐標測量機具有精度高、重復性好等優(yōu)點，但測量速度慢，對微細部分的測量受限制，測量前后需做半徑補償，適用于精密測量。目前，美國Sheffield公司、英國雷尼紹(Renishaw)公司、意大利DEA公司、德國Zess公司等公司的三坐標測量機應用范圍較廣。接觸式測量方法的技術比較成熟，突出的優(yōu)點是可以達到很高的測量精度(±0.5頃)，對樣件的材質、色澤無特殊要求，特別適合于產品的誤差檢測，還可以人工對樣件進行測量規(guī)劃以減小數據處理的難度和工作量。缺點是測量效率低，不適合于測量具有復雜內部型腔、特征幾何尺寸少及特征曲面較多的樣件模型，也不適合于復雜外形產品大規(guī)模數據采集。一般垂直向下使用，與被測表面有摩擦、磨損以及彈性變形，不能測量柔性和極薄物體，且需要進行測頭半徑補償。非接觸式數據采集方法非接觸式數據采集方法主要運用光學原理進行數據的采樣，例如激光三角形法、結構光法、圖像分析法等。也有核磁共振法、超聲波測量法等非光學式數據采集方法。激光三角形法(LaserTriangulationMethods)激光三角形法是目前最成熟，也是應用最廣泛的一種方法。其基本原理為：激光二極管所發(fā)出的激光，經過透鏡聚焦投射到樣件表面，被表面反射或漫射，反射或漫射的激光通過收集透鏡聚焦，光斑按照一定的三角關系成像于光電檢測器件的不同位置，從而探測出被測表面的位置。激光三角形法的優(yōu)點是測量速度快、精度高，探針不與樣件接觸，因此既能測量硬質工件，也能測量柔軟工件。其缺點是對被測表面的粗糙度、漫反射率和傾角過于敏感，限制了測頭的使用范圍。（2）結構光法（StructureLightMethods）將一定模式的光照射到被測樣件的表面，然后攝得反射光的圖像，通過對比不同模式之間的差別來獲取樣件表面點的位置。這種方法中最典型的是ShadowMoire干涉條紋法。其優(yōu)點是不需要坐標測量機等精密設備，造價比較低，便攜性好，但精度較低，操作復雜。（3）圖像分析法（ImageAnalysisMethods）與結構光方法的區(qū)別在于它不采用投影模板，而是通過匹配確定物體從一點在兩幅圖像中的位置，由視差計算距離。由于匹配精度的影響，圖像分析法對形狀的描述主要是形狀上的特征點、邊界線與特征描述物體的形狀，故較難精確描述復雜曲面的三維形狀。（4）工業(yè)CT法（IndustrialComputedTomography）工業(yè)CT法以測量物體對X射線的衰減系數為基礎，用數學方法經計算機處理而重建斷層圖像。因此適合于測量復雜的內部幾何形狀，利用它可直接獲取物體的截面數據，正好與快速造型方法匹配。這種方法是目前最先進的非接觸測量方法，它可以對物體的內部形狀、壁厚尤其是內部結構進行測量，但是它的空間分辨率低，重建圖像計算量大，造價高。（5）核磁共振法（MagneticResonanceImaging）和CT一樣可以提供物體的斷層影像。不同于已有的成像術，它能深入物體內部而不破壞物體。但其造價高，空間分辨率不及頃，且目前對非生物材料不適用。（6）超聲波測量法（UltrasonicMethods）其原理是當超聲波脈沖到達被測物體時，在物體和空氣兩種介質分界面會發(fā)生回波反射，通過測量回波與零點脈沖的時間間隔計算出被測點與零點的距離。這種方法相對于CT和MRI而言，成本低、量程大，但速度慢、精度低且不穩(wěn)定。以上方法都有各自的特點、原理和應用范圍，在實際測量中，測量方法的選用需根據被測物體的形狀特征和應用目的決定。在未來的發(fā)展趨勢中，非接觸式測量將越來越占據主要地位，但三坐標測量機在精度方面仍具有優(yōu)勢。對一些具有特殊的數字化要求的實物（如內部結構），基于CT和MRI的測量依然是一種不可替代的測量手段?？梢哉f，迄今為止還沒有一種完全適合于逆向技術的快速、精確的全能測量方法。4.2數據處理數據處理是逆向工程的一項重要的技術環(huán)節(jié)，它決定了后續(xù)CAD模型重建過程能否方便、準確地進行。數據處理工作主要包括：測量數據格式的轉換、變形處理、多視拼合、噪聲去除、數據插補、數據精簡和數據分割等。測量數據格式轉換每個CAD/CAM系統(tǒng)都有自己的數據格式，目前流行的CAD/CAM軟件的產品數據結構和格式各不相同，不僅影響了設計和制造之間的數據傳輸和程序銜接，而且直接影響了CMM與CAD/CAM系統(tǒng)的數據通訊。為了解決上述問題，目前已制定了幾個主要數據交換標準，如IGES格式、STEP格式以及AutoCAD的DXF圖形數據交互文件等。由于CMM的數據簡單，通過IGES格式轉換比較簡便，并且?guī)缀跛袊H上知名的CAD系統(tǒng)都配置了IGES接口，因此，在CMM和CAD/CAM系統(tǒng)之間以IGES格式傳輸數據就成為標準的選擇和配置。變形處理許多產品，尤其是塑料制品，在拆下后存在著相當嚴重的外觀變形，并且在測量裝夾時很難完全將變形消除，結果使得測量數據無法正確反映產品的實際形狀。因此，必須將變形樣件的測量數據進行“糾正”，使其“恢復”到沒有變形時的狀態(tài)，才能確保逆向造型結果是可靠的和有效的。常見的基本變形類型有三種，即伸縮、扭轉和彎曲，如圖4.1所示。產品的復雜變形一般可以看作是這三種基本變形的組合。（a）拉伸（b）扭轉（c）彎曲圖4.1常見的變形類型為預防產品的變形所有零部件應盡可能在裝配狀態(tài)下測量，在裝配狀態(tài)下無法測量的部分可分兩種情況處理：一是零件之間互相遮擋的部分，可采取逐層拆卸逐層測量的方法進行。二是零件的背面，應采用重定位的方法進行。在拆卸任何零件之前均應測量其重定位基準，并注意在拆卸過程中盡可能保證產品上的所有零件不發(fā)生變形。在各種測量誤差中，以產品變形引導致的誤差最大，也最難解決。變形矯正的方式有兩種：一是矯正產品的裝夾。可以利用三坐標測量檢驗產品是否在裝夾過程中發(fā)生變形，并對裝夾進行相應的調整。對重要的產品甚至可以制作專用的測量裝夾工具，以消除產品的變形。二是利用軟件對產品的三坐標測量數據進行“反變形”，從而抵消產品的變形。不過，采用軟件進行反變形操作的前提是根據三坐標測量數據，正確地判斷產品變形的類型、范圍和大小，并制訂出正確的反變形方案。否則，不僅難以消除原有的變形，還會帶來新的變形。因此，該操作需要測量人員有較高的分析能力和豐富的實踐經驗。在實際工程中，要測量的范圍經常是被測件的全部輪廓，即整體外形和內部形腔（若有）。對于接觸式三坐標測量機，由于產品尺寸超出測量機的行程，以及部分區(qū)域測量探頭受被測實物幾何形狀的干涉阻礙，這時就需要在不同的定位狀態(tài)（即不同的坐標系）下測量產品的各個部分，得到的數據為多次測量數據。對于激光掃描測量，需要從不同的角度對樣件的各個面，以及樣件局部進行放大掃描，得到的數據也是多次測量數據。在這兩種情況下，產品的數字化不能在同一坐標系下完成，而在模型重建的時候又必須將這些不同坐標下的數據統(tǒng)一到一個坐標系里，這個數據處理過程就是多視拼合。多視拼合有兩種方法，一是對點進行處理，即直接對點云進行拼合，再重構出原型；二是對各數據點云局部構造幾何形體，然后拼合形體。由于各數據點的集合特征不一致，第二種方法帶來的幾何形體之間的布爾運算將涉及到許多CAD中曲面的拼接、求交、拓延和過渡等目前尚未解決或解決不甚圓滿的難題?；邳c拼合的最大優(yōu)點是能對物體所求得的各個面有總體把握，能獲得拓撲上一致的數據結構，所以比較常用。許多產品是幾何對稱的，如汽車、摩托車等。對稱產品的測量和造型都只需要完成對稱面的一側就行，另一側則可通過鏡像操作生成。所以，對稱產品測量數據處理的一個關鍵點就是要根據測量數據精確地找到產品的對稱面，稱為對稱基準重建。一般情況下可以通過不斷變換坐標系的位置和角度來完成對稱基準的重建。季勁松等人設計并實現了專用的軟件工具箱，可快速有效地完成基準重建，同時在實現過程中有效地控制了誤差的積累，保證了重建質量。在數據采集過程中，由于受測量設備的精度、掃描速度、操作者的經驗和被測零件表面質量等諸多因素的影響，難免采集到一些噪聲點、壞點，這些點都要在模型建立之前進行剔除。判斷噪聲點的方法有：（1）直觀檢查法。通過圖形終端，用肉眼直接將與掃描線數據偏離較大的點或存在于屏幕上的孤點剔除。這種方法適合于數據的初步檢查，可從數據點集中篩選出一些偏差較大的異常點，如圖4.2所示。

圖4.2直觀檢查法剔除噪聲點曲線檢查法。通過掃描數據的首尾點，用最小二乘法擬合得到一條擬合曲線。曲線的階次可根據曲面截面的形狀確定，通常為3?4階。然后分別計算中間數據點到樣條曲線的距離，如果|8|日|8。|,其中|8。|為給定的誤差，則認為是噪聲點，應以剔除，如圖4.3所示。圖4.3曲線檢查法(設定的|eo|=0.5)弦高公差法。連接檢查點的前后兩點，計算Pi到弦的距離，同樣如果|8|N|eo|，其中|8。|為給定的誤差，則認為Pi是壞點，應以剔除。這種方法使用于測量點均布且點較密集的場合，特別是在曲率變化較大的位置，如圖4.4所示。圖4.4弦高公差法由于被測模型本身的幾何拓撲原因或因遮擋效應、破損等原因，會存在部分表面無法測量、采集的數字化模型存在數據缺損的現象，如深孔類零件或內部尖角處就無法測全；又如在測量過程中，常需要一定的支撐或夾具，模型與夾具接觸的部分就無法獲得真實的數據；再如用于數據拼合的固定球和標簽處的數據也無法測量，因而需對數據進行補缺。目前應用于逆向工程的數據插補方法或技術主要有實物填充法、造型設計法和曲線、曲面插值補充法。（1）實物填充法。在實踐中通常用生石膏加水后將孔或槽的缺口補好，要求填充表面盡量光滑、與周圍區(qū)域光滑連接。石膏在短時間內固化，待其表面較硬時就可以開始測量。測量完畢后，將填充物去除，再測出孔或槽的邊界，用來確定裁剪邊界。失誤填充法雖然原始，但不失為一種簡單方便而又行之有效的方法。（2）造型設計法。在實際中，如果實物中的缺口區(qū)域難以用實物填充，可以在模型重建過程中運用CAD軟件或逆向工程軟件的曲面編輯功能，如延伸、連接和插入等功能，根據實物外形曲面的幾何特征，設計出相應的曲面，再通過裁剪，離散出須插補的曲面，得到測量點。（3）曲線、曲面插值補充法。曲線、曲面插值補充法主要用于插補面積不大，周圍數據信息完善的場合。其中曲線插補主要適用于具有規(guī)則數據點或采用截面掃描測量的曲面，而曲面插補既適用于規(guī)則數據點也適用于散亂點。無論是基于曲線還是曲面插補，兩種情況得到的數據點都需要在生成曲面后，根據曲面的光順和邊界情況反復調整，以達到最佳插補效果。運用點云數據進行造型處理的過程中，由于海量數據點的存在，使存儲和處理這些點云數據成了不可突破的瓶頸。實際上并不是所有的數據點都對模型的重建起作用，因此，可以在保證一定的精度的前提下減少數據量，對點云數據進行精簡。不同類型的點云可采用不同的精簡方式，散亂點云可通過隨機采樣的方法來精簡；對于掃描線點云和多邊形點云可采用等距離縮減、倍率縮減、等量縮減、弦偏差等方法；網格化點云可采用等分布密度法和最小包圍區(qū)域法進行數據縮減。對測量數據進行分割，可將復雜的數據處理問題簡化，使后期的曲面局部修正變得方便零活，有利于提高精度。數據分割方法可以分為基于測量的分割和自動分割兩種方法?；跍y量的分割方法是指在測量過程中，操作人員根據實物的外形特征，將外形曲面劃分為不同的子曲面并對曲面的輪廓、孔、槽邊界、表面脊線等特征進行標記，在此基礎上進行測量路徑規(guī)劃，這樣不同的曲面特征數據將保存在不同的文件中，輸入CAD軟件時，可以實現對不同數據類型的分層處理及顯示，為造型提供極大的方便。這種方法適合于曲面特征比較明顯的實物外形和接觸式測量。操作者的水平和經驗對結果將產生直接影響。目前常用的自動分割方法有：M.Yang等1999年提出的基于參數二次曲面逼近、改進的基于面的數據分割方法；HuangJianbing等2001年提出的針對無規(guī)則的3D數據點的自動數據分割方法；用于CT數據的基于面得數據分割方法。4.3模型重構在整個逆向工程中，產品的三維模型重建是最關鍵、最復雜的環(huán)節(jié)。因為只有獲得了產品的CAD模型我們才能夠在此基礎上進行后續(xù)產品的加工制造、快速成型制造、虛擬仿真制造和進行產品的再設計等。因此，一個有經驗的造型人員，在模型重建之前，應詳細了解模型的前期信息和后續(xù)應用要求。前期信息包括實物樣件的幾何特征、數據特點等；后續(xù)應用包括結構分析、加工、制作模具、快速原型等，以選擇正確有效的造型方法、支撐軟件、模型精度和模型質量。目前使用的造型方法主要有：基于曲線的模型重建技術，基于曲面的模型重建技術，基于特征的模型重建技術?；谇€的模型重構技術曲線是構建曲面的基礎，在逆向工程中，一種常用的模型重構方法是：先將數據點通過插值或逼近擬合成樣條曲線（或參數曲線），再利用造型工具，如掃掠、N邊曲面、網格曲面、直紋面等完成曲面片造型，最后通過延伸、剪裁和過渡等曲面編輯，得到完整的曲面模型。如圖4.5所示為基于曲線的模型重構過程。下市應川圖4.5基于曲線的模型重構過程下市應川常用的基本曲線主要有Bezier曲線、B-Spline曲線和NURBS曲線這三種。Bezier曲線Bezier方法是一種以逼近為基礎的參數曲線。P.E.Bezier以這種方法為主，完成了一種曲線和曲面的設計系統(tǒng)UNISURF，并于1972年在法國雷諾汽車公司應用。這使得設計師在計算機上運用起來就像使用常規(guī)作圖工具設計一樣得心應手。Bezier曲線是對控制多邊形的首尾兩個控制點進行插值。通常使用的Bezier表達式也是使用Bernstein多項式來表示的，如下式所示。戶"）=￡（）京G耳."二廣其中“是bernstein多項式它構成的是Bezier曲線的基函數；Pi(i=0,1，???n)為Bezier曲線控制多邊形的n+1個控制點，且n表示的是Bezier曲線的階數。如圖4.6所示為三次Bezier曲線。圖4.6三次Bezier曲線Bezier曲線具有很多優(yōu)良特性，如對稱性、凸包性、幾何不變性等，用戶通過調整曲線的控制點便可以直觀的對Bezier曲線進行修改。但有兩點不足：一是Bezier曲線或曲面不能作局部修改；二是Bezier曲線或曲面的拼接比較復雜。B-Spline曲線1972年，Gordon、Riesenfeld等人提出了B-Spline方法，在保留Bezier方法全部優(yōu)點的同時，克服了Bezier方法的不足。與Bezier曲線采用Bernstein多項式作為基函數不同，它采用樣條函數作為其基函數，這可以允許在保持曲線階數不變的情況下而使用更多數量的控制點來進行曲線的構建。樣條是分段連續(xù)的參數曲線，每段曲線以特定的參數值(稱為參數節(jié)點)相連接。B樣條曲線方程可寫為：山心1其中，di(i=0,1，???n)為控制頂點，順序連接成的折線稱為B樣條控制多邊形。Nj，k(u)(i=0,1，???n)稱為k次規(guī)范B樣條基函數，而有MA牛,(砰十%FN｛時KYz)〔"j)L'B樣條曲線具有能描述復雜形狀的功能和局部性質，是最廣泛流行的形狀數學描述的方法之一，已成為關于工業(yè)產品幾何定義國際標準的有理B樣條方法的基礎。NURBS曲線B樣條曲線在表示與設計自由型曲線、曲面形狀時顯示了強大的威力，然而在表示與設計初等曲線、曲面時卻遇到了困難。因為B樣條曲線不能精確表示除拋物線外的二次曲線，B樣條曲面不能精確表示除拋物面外的二次曲面，而只能給出近似的表示。為了找到與描述自由型曲線、曲面的B樣條方法既相統(tǒng)一，又能精確表示二次曲線孤與二

次曲面的數學方法，提出了NURBS方法。NURBS是非均勻有理B樣條（Non-UniformRationalB-Spline）的簡稱。NURBS曲線是由分段有理B樣條多項式基函數來定義的：￡皿,叫」蘇）q尸[計）=<i工心;："其中：3i（i=0,1,???n）是控制頂點的權重系數，Nj，k（u）是k次規(guī)范B樣條基函數，P是控制頂點?；谇娴哪Ｐ椭貥嫾夹g上面研究的基于曲線的模型重構技術僅適合處理數據量不大而且數據呈有序排列的情況。而基于曲面的模型重構技術既可以處理有序點，也能處理點云數據（散亂點）?；谇娴哪Ｐ椭貥嫾夹g直接對測量點數據進行曲面片擬合，獲得曲面片經過過渡、混合、連接形成最終的曲面模型，其過程如圖4.7所示。的IE模型M建數搪姓理曲面片擬合教據采集模型評的IE模型M建數搪姓理曲面片擬合教據采集模型評fR下游成用目前比較常用的曲面重構方法有以下幾種：利用三角Bernstein-Bezier曲面模型方法來進行曲面重構，利用B-Spline方法來進行曲面重構，用NURBS方法來進行曲面重構等?；贐ezier曲線的討論，我們可以方便地給出Bezier曲面的定義和性質。Bezier曲線的一些算法也可以很容易地擴展到Bezier曲面的情況。"」?（i=0,1，???n；j=0,1，???m）為（n+1）X（m+1）個空間點列，則mXn次張量積形式的Bezier曲線為：尸S-m.句》一1]SO>0其中是7,Jlrl（ll-!-是Bernstein基函數。依次用線段連接點列氏，j（i=0,1，???n；j=0,1，???m）中相鄰兩點所形成的空間網格稱之為特征網格。在一般實際應用中，m,n不大于4,且與Bezier曲線控制點修改的全局性相同，通過Bezier曲面控制網格頂點的移動將該網格定義的曲面整體形狀產生影響。三角曲面又叫三邊曲面，其特點是首先自動生成三角形網格，然后提取曲面特征，根據提取結果精化三角形網格，最后構造三角Bezier曲面，保證曲面片之間G1光滑連接此種方法最適合表現無規(guī)則復雜型面的物體，特別是人面、地貌等自然物體以及玩具等產品，具有構造靈活、適應性好的特點，因而在數據為散亂點類的曲面擬合中能有效應用。缺點是采用Bezier曲面模型，與采用拓撲矩形曲面的CAD/CAM系統(tǒng)兼容性差。為與其它CAD/CAM系統(tǒng)進行數據交換，此類系統(tǒng)通常還需要將三角曲面片轉化為NURBS曲面?；贐-Spline曲面的模型重構方法B-Spline曲面是B-Spline曲線在曲面空間的推廣，它的數學表達式如下式所示。7虬?')=XE&(p：.%E。-1]卜。.上口其中，m,n分別為u,v參數方向上B-Spline曲線的次數；k,l分別為u,v參數方向上B-Spline曲線的階數；pi?j為曲面的控制點。B-Spline曲面重構是逆向工程、計算機圖形學及CAD/CAM中的重要重構方法。這種方法是通過無序的B樣條曲線，減少曲線的約束條件，允許這些曲線在任意方向相交；再利用曲線在曲面上的性質生成曲面。它繼承了Bezier方法的一切優(yōu)點，又克服了它的缺點，較成功地解決了局部控制和參數連續(xù)問題上的拼接問題。但是也有以下問題：二次項難以精確表達；需定義矩形拓撲網格；難以用單一B-Spline曲面片重建任意拓撲曲面；難以同時滿足相鄰B樣條面片間的切面連續(xù)和保持面片網與數據點的擬合。基于NURBS曲面的模型重構方法NURBS曲面是NURBS曲線在曲面空間的推廣，它的數學表達式如下式所示。kll?>0其中，m,n分別為u,v參數方向上NURBS曲線的次數；k,l分別為u,v參數方向上NURBS曲線的階數；3j，」.是曲面各控制點對應的權重系數；pi?」.為曲面的控制點。特點是先構造特征曲線，包括輪廓線、截面線等，進行曲面片的劃分，然后根據特種曲線構造NURBS曲面。為保證曲面的整體品質，必須對曲面進行拼接和光順。由于NURBS曲面時當前工業(yè)界CAD數據交換標準，所以此類系統(tǒng)與目前商品化CAD/CAM系統(tǒng)的數據交換非常方便。缺點是對于復雜形體，特征曲線的構造相當困難，不適于既有自由曲面又有大量簡單的解析曲面和平面的情況。從目前的研究現狀和應用情況來看，曲面模型重建方法的研究相對比較成熟，以后研究的重點將逐漸轉移到如何減少曲面模型重建過程中的人機交互、提高曲面模型重建的精度和效率等方面?；谔卣鞯哪Ｐ椭貥嫾夹g無論是基于曲線還是基于曲面片的直接擬合的模型重構方法，都將模型重建分割為孤立的曲面片造型，忽略了產品模型的整體屬性。而大多數機械零件產品都是按一定特征設計制造的，幾何特征是幾何造型的關鍵要素，它對控制幾何形體的形狀有著極為重要的作用，同時特征之間還具有確定的幾何約束關系。因此，在產品的模型重構過程中，一個重要的目標是還原這些特征以及它們之間的約束。特征是一個抽象的概念，在CAD/CAM領域，特征可以定義為與零件設計、制造相關的若干屬性的攜帶者，特征具有明顯的工程意義和嚴格的性質。特征可分為設計特征、制造特征、裝配特征、材質特征、精度特征等各種類別。從逆向工程模型重建的角度出發(fā)，通常只考慮與造型相關的幾何特征，目的在于還原模型的各種幾何特征以及它們之間約束關系，實現更高的特征層次上的模型重構。從當前的研究看，基于特征的模型重構方法主要可以分為基于曲面特征和實體特征重構兩大類?；谇嫣卣鞯哪Ｐ椭貥嫹椒ㄊ紫韧ㄟ^自動或交互的方式對模型表面進行功能分解，識別出各個數據集對應的曲面特征類型（平面、二次曲面、旋轉面、自由曲面等）；然后用某種曲面特征擬合給定的數據集，確定其幾何參數并通過參數判定曲面間的約束關系；建立滿足約束條件下逼近測量數據點的最優(yōu)化數學模型，求解得到滿足約束關系的曲面集；最后通過曲面延伸、求交、裁剪和縫合得到實物樣件的B-rep實體模型。英國愛丁堡大學的Fisher、Robertson、Werghi等人主要研究了平面、二次曲面和自由曲面間的約束擬合問題。但他們沒有研究曲面間約束的自動識別，需要用戶識別約束作為先決條件，而且還存在約束方程的表達復雜、需保證曲面同步擬合的目標函數和約束方程是線性可微等缺點，因此適用性不強?；趯嶓w特征融合的模型重建的基本思想是從測量數據中提取幾何特征信息，構建實體特征，將實體特征進行正確約束后利用實體布爾操作將各個重構特征進行融合，得到重構的實體模型。目前此方面的研究很少，尤它大學的Owen、Germain、Thompson針對兩軸半機加工零件的實體模型重建進行了探索性的研究，并開發(fā)了軟件原型系統(tǒng)REFAB。南京航空航天大學的吳敏、任樸林研究了拉伸、旋轉、薄板、圓管特征的重建。但是，他們的研究更多地關注于特征重構的理論，在軟件系統(tǒng)實現以及數值計算的穩(wěn)定性方面還有諸多欠缺。綜上所述，基于約束和特征的實體模型重建方面已有的研究成果離實際工程應用還有較大差距。為了滿足逆向工程中實體模型重建的需要，必須拓寬實體模型重建的理論和方法，對測量數據的特征分解、自動特征識別、特征參數提取、重構特征管理以及實體模型創(chuàng)建等關鍵技術進行系統(tǒng)和深入的研究。5汽車前大燈的逆向設計5.1前大燈的數據采集在進行測量前，一般需要做好以下的一些準備工作：（1）挑選缺陷最少，實際狀態(tài)最好的產品作為測量的產品原型。（2）仔細了解被測產品的關鍵部位，以確保采集到的數據是足夠的和有效的。（3）對設備進行標定，確保設備本身的測量精度。前大燈作為汽車前臉的“眼睛”，要與汽車配合得渾然一體（燈罩曲面與汽車的外表曲面要一致），所以外形測量采用激光測量的方式，以獲取足夠的點數據。為了取得比較好的測量結果，在激光測量前首先將車前大燈處理成最佳取像顏色。測量前需對原件進行噴漆處理，漆的顏色要有利于光的反射。為了整燈與車體的配合精度，整燈輪廓采用精度比激光測量要高的接觸式測量方式，內部零件也采用接觸式測量以減少數據量。另外，不管是激光測量還是接觸式測量，一次不可能測出所有表面的點數據，為此在測量前必須設置定位點，作為多次測量時點云數據的重定位用。重定位點設置時，不同測量方式所需做的標志不一樣，但不管采用何種方式目的都是為了測量完成后有利于找到這些定位點。如圖5.1所示即為項目的實測照片，其中帶中空的小黑方塊為激光測量的重定位點，油性筆標記的地方為接觸式測量時的重定位點。如圖5.2所示為采用激光測量法測得的汽車前大燈的點云數據。圖5.1汽車前大燈實測過程圖5.2汽車前大燈的點云數據5.2前大燈點云數據處理壞點、雜點去除由于受外部環(huán)境影響及設備振動、裝夾等原因，不可避免地會引入噪聲數據。因此，首先對原始數據進行去噪處理，刪去外界干擾形成的點及不在掃描線上的雜點，減少其對重建模型精度的影響。在項目中要通過UG軟件，用肉眼進行初步檢查，直接將與掃描線數據偏離較大的點或存在于屏幕上的孤點剔除。誤差處理產品在測量是總會出現誤差，在逆向工程中測量數據點誤差主要表現為：對齊誤差，變形誤差和測量誤差。對齊誤差。在產品未發(fā)生變形情況下，三點重定位誤差超過0.2mm時就需要對兩次測量的數據進行相關處理。先采用多次測量重定位點，取平均值，然后再分析誤差。如果誤差仍然超過規(guī)定值，可以對第二次測量的數據點進行微調減少其誤差。當產品發(fā)生變形時，應利用產品的表面測量數據手工進行重定位整合，整合精度不超過0.3mm，重定位點需要多測量幾次取平均值。變形誤差。在前大燈測量中，由于零件材料為塑件，其內部的零件要拆卸下來測量，不可避免會出現變形情況，特別是副放射器。為此在零件裝配情況下的第一次測量盡量多測量，并以第一次測量的數據點為依據調整拆卸下來的第二次測量數據點，以減少變形對零件CAD重構時的影響。測量誤差。為了保證測量精度，需要對測量數據進行復核，分析其測量誤差。如果測量誤差過大需要對數據進行重測。例如燈罩表面兩組掃描線之間的誤差大于0.1mm，燈座表面兩組掃描線大于0.2mm，證明測量誤差較大，出現這種情況時，可以

進行重測，以滿足精度要求。如圖5.3所示副反射器曲面掃描線之間的測量誤差大于0.1mm。圖5.3副反射器曲面測量誤差分析數據分塊處理為了后續(xù)CAD造型的方便，在數據測量時結合實際物體的表面形狀，識別其曲面特征，進行數據分割測量。根據組成實物外形曲面的類型，分別采用不同的顏色、存放在不同數據層中以利于區(qū)別。在該項目中將輪廓線采用紅色和白色放置在一層，曲面的掃描點以綠色（橫向）和粉紅色（縱向）標識放置在不同層，小特征采用其他顏色處理（如圓角輪廓采用藍色、燈花采用橙黃色等）數據整合和對齊實際工程測量中，很難一次測量整個樣件，通常是對其重新定位獲取不同方位的表面信息。在車燈的測量過程中，共進行了近十次裝夾。本項目采用三點對齊方式即點位法，燈罩和底座的對齊和整合過程如圖5.4、圖5.5、圖5.6、圖5.7所示。所有零件測量完成后整合的數據點云如圖5.8所示。圖5.4對齊前大燈燈罩數據

圖5.5對齊前大燈底座數據圖5.6燈罩和底座數據導入軟件后的狀態(tài)圖5.7燈罩和底座數據對齊整合后的效果圖5.8整合后的前大燈數據5.3前大燈CAD模型構建5.3.1重構前的準備工作逆向工程設計不是簡單的復制和抄襲，逆向設計的目的是復制、改進并超越現有產品。因此在進行造型前