基于逆向工程现代工业的应用研究

创新周总结报告基于逆向工程现代工业的应用研究所在学院：材料科学与工程学院学生专业：材料成型及控制工程（塑性成形及模具设计方向）学生姓名：李磊学生学号：1205010316指导教师：邓子玉李建军2016年1月目录1.逆向工程在汽车业的简介..................................................11.1引言.............................................................11.2汽车车身开发方法综述.............................................12.逆向工程技术............................................................52.1逆向工程技术简介..................................................62.2逆向工程技术在车身设计中的要点....................................92.3逆向工程的设计方法................................................92.4三维测量的现状...................................................102.4.1接触式测量方法..............................................102.4.2非接触式测量方法............................................113.实体三维扫描............................................错误!未定义书签。3.1点云的分类、特征及相关处理方法....................错误!未定义书签。3.2点云相关处理技术..................................错误!未定义书签。3.3异常点的剔除.....................................................153.4.汽车侧围点云.....................................................164.总结与收获.............................................................17第一章逆向工程在汽车业的简介1.1引言自1886年第一辆汽车问世以来，汽车工业己经走过一百多年的历程，今日汽车不仅仅是普及的交通运输工具，更是一个充满动感造型特点和多姿多彩的工业艺术品，体现这种美的艺术品载体就是车身，汽车消费者在对汽车高品质高性能要求的同时，汽车的外观造型也越来越被消费者看重，有时甚至超过了对前两者的需求。近年来，在美学原理设计和人机工程学的引导下，在快速发展的CAD/CAM技术的带动下，汽车车身设计已经愈发显得日新月异。汽车车身最具变化性，车身开发蕴涵多种学科知识，同时车身开发是否成功直接影响整车的市场前景。现代的逆向工程技术就是迅速提升我们汽车车身研发水平的重要手段之一，也是消化、吸收先进技术的重要方法之一。1.2汽车车身开发方法综述传统正向设计特点:制作模型与制图以手工为主，线图、主模型以及二维图是模具、夹具制造的依据，通过实车试装来验证设计(试错)。这种设计方法是设计制造精度低、劳动强度大、设计周期长。开发一个车身需36个到48个月不等的时间。由于费用太高，没有大批量的生产规模以及巨大研发费用，无法支撑车身的开发。在传统设计方法中，车身的整体布局，包括外形曲面构成、色彩、外饰等在绘制效果图时已基本确定，由模型制作人员根据造型师的效果图制作缩比例油泥模型，这是一个反复观察与修改的过程，需要造型师、模型制作人员、美工人员甚至销售人员等的共同参与，因此，对相关人员的素质、经验等要求很局。图1-1传统正向开发过程现代的车身正向开发:上世纪70年代以来，随着计算机辅助几何设计和计算机图形学的迅速发展，车身设计过程中部分或全程引入计算机辅助系统(CAD/CAM软件)，在计算机中构建车身三维数字化模型，以“所见即所得的”交互方式完善设计方案，是现代车身设计方法的主要特点。现代的车身正向开发流程总的来说与传统正向开发流程相似，但其中应用了大量的计算机辅助技术。如今开发一辆现代化的轿车，己经远远不是人们所想象的那样，只是从图样到加工这样一种简单的技术操作流程了。一辆汽车的整套开发流程可以划分为三个主要部分:一是要开发一辆什么样的车，二是怎样设计这样的车，三是怎样将设计好的新车型批量制造出来。无论是开发全新产品还是只开发新外形和新车身，前期工作都包括:项目确立开始一战略意向一决策一总布局及主结构几何定型一项目定型及投资确立。技术层面的车身开发过程是:内外部造型效果图一内外部CAS模型一内外部软模型一内外部硬模型一主体工程设计CAD一工程分析CAE一零件图的绘制CAD一样车试制。当然，有些阶段是可以并行的，根据分析和试制的结果，也会有向上改进的步骤。利用虚拟开发技术，在设计阶段，尽可能在制造样车前，发现问题，解决问题。在产品设计完成后，后期工作包括:批量投产准备一批量投产产品定型一批量投产一最终结果。这其中的工作也不是顺序的，在整个项目规划中都有详细的阶段。图1-2现代汽车车身设计方法流程现代车身正向设计特点:从上述流程图可以看出，现代车身正向设计比车身传统设计更加复杂，更加精细，其中最大特点应用计算机辅助技术，在造型阶段应用CAS(ComputerAidedStyling计算机辅助造型)技术，在模型制作阶段应用计算机NC(NumericalControl数字化控制)技术，在总布置及结构设计阶段采用三维CAD(ComputerAidedDesign计算机辅助设计)技术，在设计验证阶段采用了CAE(ComputerAidedEngineering计算机辅助工程)技术以及RP(RapidPrototyping快速成型)技术，在制造段采用CAM(ComputerAidedManufacturing计算机辅助制造)技术等等。由于是数字化设计、计算机技术的应用，因此整车开发过程，可以采用CE(ConcurrentEngineering并行工程)技术。正是这些技术的应用，使得今天的汽车车身正向开发变得更加复杂，车身产品更具美感与差异化，同时大幅度降低车身开发周期和开发费用。我国大部分厂家在车身开发上多采用传统方式，即在车身设计和工艺装备的设计及制造中，首先塑造汽车外形的油泥模型，然后根据油泥模型制造主样板、主图板、主模型，再完成汽车的结构设计车身工艺装备的设计与制造，以主图板、主样板、主模型三者结合作为确定形状和尺寸的依据。由于上述三者都是实物，制作成本高，周期长，其形状尺寸在开发过程各环节之间的多次移形传递会造成严重的累积误差，精度无法保证，严重影响了车身的开发。还有部分厂家在设计过程中，应用了部分CAD/CAM技术，但在产品仿制或面对以轻手工进行局部修改(光顺处理)后的模型和实物样件(包括用CAD/CAM系统设计和加工生产的模型)时，仍用传统的测量技术采集特征线上离散的坐标点，然后输入计算机，建立CAD模型的处理步骤，它有以下多方面的技术和工艺上的限制:测量速度慢，周期长而且精确度难以保证，特别是针对很复杂的曲面，离散点不能准确地定义它的形状，工程师简单重复劳动工作量巨大。对测绘人员的要求高，他必须掌握设计的要求和一般CAD/CAM软件对有效处理坐标点数量的限制。既不能充分发挥CAD/CAM技术和计算机速度的优势，又不能发挥最新扫描技术，如激光扫描仪等的优势，最终建立的CAD模型与实际数值偏差大，质量难以控制。国外先进汽车制造企业在成熟应用CAD/CAM技术的基础上，还将逆向工程、并行工程、虚拟制造等先进的技术应用到车身设计制造上面，并设计了一系列强有力的逆向工程处理和开发工具，用来缩短开发周期和提高设计质量。日本将逆向工程作为一种设计方法，成功地引入他们的新产品设计中。日本人应用逆向工程对竞争对手的产品进行改进，以便避开艰苦的原型设计阶段，进行所谓的再设计过程，就是通过观察和测试某一种产品，对其进行初始化，然后，拆开产品，逐一分析单个零件的组成、功能，装配公差和制造过程。近年来，欧美地区设计了一系列强有力的逆向工程处理和开发工具，用来缩短开发周期和提高设计质量。逆向工程不只是简单地重构Sample，而是要通过各种方法手段去吃透它，去改进它，去提高它。故广义上的逆向工程包括形状(几何)反求、工艺反求和材料反求等诸多方面，进行这些反求的目的，就是要完全理解产品的制造过程，以这种理解为基础，那么，无论是在系统级别还是在零件级别的设计生产上，都会产生一种更好的产品。所以说，逆向工程是一项集技术性、开拓性和综合性于一体的系统工程。第二章逆向工程技术传统的产品设计过程是在市场调研的基础上，根据功能和用途来设计产品，得到图纸或CAD模型，然后根据图纸和CAD模型制造模具，最终到产品。这种开发模式被称为“规范模式”(PrescriptiveModel)，此类开发工程亦被称为“正向工程”(SequentialEngineering)。然而，在实际生产中，产品设计者往往面临的是零件或实物模型，需要根据该零件或实物模型进行复制或仿制加工，或进行产品的再设计和改进。在仿真开发研究时，若采用传统的方法，则需要大量人力、物力、财力及时间。而采用逆向工程技术，则可节约产品开发成本，缩短产品开发周期。2.1逆向工程技术简介近十几年来，随着测量技术、计算机软、硬件技术的发展，有别于传统正向工程的一门新技术正在蓬勃兴起，这种技术在东南亚工业界己广泛应用，它就是RE(ReverseEngineering逆向工程)技术。逆向工程又称反求工程，它与传统的设计开发过程存在质的不同。狭义上，它是指在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，利用三维数字化测量仪(3DDigitalScanner俗称抄数机)，测量出Sample(即零件原形或者塑造出的模型)表面的点云数据，传至CAD/CAM系统，进行数据处理，生成所需要的CAD模型和设计图纸，并由CAD/CAM系统计算出加工路径，最后通过CNC(ComputerNumericalControl计算机数字控制)机械加工设备制作模具生产成品。其另一种批量生产方式则是先用快速成形制造技术((RapidPrototyping快速成形，简称RP)将样品模型制作出来，然后再以快速模具((RapidTooling)进行产品量产。“顺向工程”和“逆向工程”的基本设计流程如图2-1所示。逆向工程的理论研究起于20世纪60年代，其广泛应用则是20世纪90年代随着计算机软、硬件以及计算机图形学等相关技术的成熟而深入开展的。在东南亚尤其是台湾，在80年代广泛应用逆向工程技术摸拟欧美产品，再给予改良设计，一度使得台湾的产品在欧美市场上具有很强的竞争力，为台湾经济的腾飞做出了重要贡献。传统的逆向工程是利用传统测量技术、采集样件扫描线上离散的坐标点，输入计算机后手工建立CAD模型，最后利用传统的加工与制造方一法进行评估与加工，存在着工作量大、开发设计成本高、开发周期较长而且质量难以保证等问题。随着计算机技术、快速仿形测量与数据处理技术、曲面重构技术、快速成型技术等相关理论的发展与兴起，快速逆向工程技术应运而生，并迅速发展而趋向成熟，逐渐应用到生产实践中。较之于传统的逆向工程技术，它的特点是速度大大提高，使产品开发周期大为缩短。此技术主要包括以下三方面:快速仿形测量在满足既定要求(如功能关系、装配关系、精度要求等)的条件下，用三维数字化测量仪器或其他测量系统对模型表面进行三维快速扫描测量，得到大量的模型表面的离散点云数据;曲面重构技术首先将仿形测量的模型表面数据进行处理，然后进行曲面拟合，实现模型