第五章-车身CAD-数字建模技术课件

第二节第二节第二节第二节 车身曲线曲面的光顺车身曲线曲面的光顺车身曲线曲面的光顺车身曲线曲面的光顺第三节第三节第三节第三节 车身车身车身车身 CAD CAD 数字建模数字建模数字建模数字建模第四节第四节第四节第四节 车身逆向工程技术车身逆向工程技术车身逆向工程技术车身逆向工程技术第一节车身数字化和数字化车身第一节车身数字化和数字化车身第一节车身数字化和数字化车身第一节车身数字化和数字化车身第一第一节 车身数字化和数字化身数字化和数字化车身身 数字化就是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据,再以这些数字、数据建立起适当的数字化模型,把它们转变为一系列二进制代码,引入计算机内部,进行统一处理,这就是数字化的基本过程。20 世纪40 年代提出的采样定理,为数字化技术奠定了重要基础。数字化是数字计算机的基础;数字化也是多媒体技术的基础;同时,数字化也是软件技术的基础,是智能技术的基础。车身的坐标测量就是车身的一种数字化。数字化车身,是以车身计算机辅助技术为核心的,应用现代数字化设计、实验、制造、使用、回收等一系列综合技术的数字车身模型。数字化的车身,是虚拟技术在整个车身生命周期中应用的基础。车身虚拟设计技术可以实现概念设计、造型设计、总布置设计、结构设计等。车身虚拟实验技术可以实现对车身性能如刚度、强度、模态、疲劳、安全、NVH 等的模拟分析。车身虚拟制造能够在车身概念设计阶段,模拟车身未来设计制造全过程及其对车身设计的影响,从而更有效、更经济、更灵活地组织生产,提高生产线的效率和布局合理性。同时,数字化的车身能够实现虚拟的车身驾驶、维修和回收等。第一第一节 车身数字化和数字化身数字化和数字化车身身 数字化车身技术的优势主要体现为:(1)汽车造型设计思想能够更好地在三维形体上得到体现。(2)提高设计及生产效率,缩短新车的开发周期。(3)减少新车开发中的实物模型数量,降低成本。(4)数字化的车身能够提高设计和制造精度。(5)能够快速实现设计换型和局部改型。第二第二节 车身曲身曲线曲面的光曲面的光顺一、光顺的概念与应用一、光顺的概念与应用1.曲线曲面光顺的概念 车身外形曲线曲面的设计一方面要保证良好的空气动力学特性,另一方面又要符合汽车造型的艺术审美原则,这两方面都要求车身外形的曲线曲面是光顺的。对于平面曲线,一般只要满足下列三条准则,就可以称为是光顺的:(1)曲线C2 阶连续。(2)没有多余的拐点。(3)曲率变化较均匀。图5-1 所示的是曲线光顺与不光顺的情况对比。显然图5-1 a)曲线满足光顺的三条准则,图5-1 b)曲线和图5-1 c)曲线不满足准则(1)和(3),而图5-1 d)曲线三条准则都不满足。第二第二节 车身曲身曲线曲面的光曲面的光顺 对于空间曲线,数学上的光顺准则为:(1)二阶光滑性。曲线的二阶导矢连续,从而曲率连续;低次样条曲线(二次)在节点处的曲率可能有一个跳跃,此时要求跃度和尽可能小。(2)不存在多余拐点。(3)曲率变化比较均匀。当曲线上的曲率出现大幅度改变时,尽管没有多余拐点,曲线仍不光顺。因此,要求光顺后曲线的曲率变化比较均匀。(4)不存在多余变挠点。变挠点是指挠率为零的点,通常与挠率变号点相关。(5)挠率变化比较均匀。挠率不连续(节点处左右挠率差)跃度和足够小;挠率的变化比较均匀,无连续变号。在满足数学要求的基础上,光顺曲线还要满足造型设计师的主观美学要求。在实际应用过程当中,一般地,把空间曲线投影到三个正交平面上,可以用这三条投影曲线的光顺性作为空间曲线光顺性判据。第二第二节 车身曲身曲线曲面的光曲面的光顺 图5-2 所示的是一阶导数连续(图5-2a)、二阶导数连续(图5-2b)和三阶导数连续(图5-2c)的光顺性示意图。第二第二节 车身曲身曲线曲面的光曲面的光顺 曲面的光顺准则更为复杂,通常根据曲面上的关键曲线(如 两个方向的等参线,或曲面与某一组平行平面的一系列截线等)是否光顺以及曲面的曲率(主曲率、高斯曲率、平均曲率等)的变化是否均匀等来判断。曲面光顺准则是:(1)关键曲线(曲面的骨架线)光顺。(2)网格线无多余拐点(或平点)及变挠点。(3)主曲率变化均匀。(4)高斯曲率变化均匀。2.车身曲线曲面光顺的应用 目前,CAD/CAM 系统广泛应用参数B 样条曲线曲面,构造参数曲线曲面的最重要的一种方法是对给定的型值点进行插值或拟和。所生成的曲线曲面不光顺的原因主要有两种情况:(1)型值点序列是比较好的,但由于曲线曲面的生成方式或所采用的曲线曲面表达形式不合适,因而导致所生成的曲线曲面不光顺。(2)型值点序列本身不是很好,因而导致生成的曲线曲面不光顺。因此,为了使生成的曲线曲面具有良好的光顺性,通常采用以下的方法:(1)采用合适的曲线曲面生成和表达方式。第二第二节 车身曲身曲线曲面的光曲面的光顺(2)适当调整型值点(或控制顶点)的空间位置。二、车身曲线的光顺二、车身曲线的光顺 对曲线的光顺处理的方法主要有选点修改法和优化法等。优化法又可以分为整体优化法和局部优化法。1.选点修改法 选点修改法首先要判断影响曲线光顺性的坏点。选点修改法的关键是“坏点”的判别和“坏点”的修改。坏点的判断可由用户根据观察来决定,这种方法称为交互方式,也可以根据一定的光顺准则来判断,由程序自动地来判断哪些点是坏点,这种方式称为自动方式。在处理实际问题时,自动和交互两种方式相结合是比较切实可行的,主要是针对实际情况具体问题具体分析。选点修改法一般都包含有初光顺、精光顺两个阶段。圆率法是一种选点修改法。圆率法的特点是,不需要插值曲线,可以从离散型值点分布的几何位置出发直接判断型值点序列的光顺性,进而挑出坏点给以光顺修改。圆率法在数学处理过程中,不必引进坐标系。第二第二节 车身曲身曲线曲面的光曲面的光顺 在平面上给出了型值点序列 和两边界切向 ,过相邻三 点 所作圆的相对曲率 称为在点 处的圆率。当圆弧 走向为逆时针时 取正号,顺时针时 取负号。边界点 处的圆率 则以过两点P0,P1 和 处的切向 所作的圆来确定。也是这样确定。这样我们便得到对应于型值点序列 的圆率序列 。初光顺阶段:在符号序列 中,凡使连续变号的点为坏点。初光顺的目标是要达到圆率符号序列无连续变号。精光顺阶段:在圆率差分 的符号序列 中,凡使连续变号的点为坏点。精光顺的目标是要达到圆率差分符号序列无连续变号。圆率法采用圆率的二次差变最小作为光顺目标。2.整体优化法(1)能量法和最小二乘法光顺都是将曲线曲面的光顺问题转化为最优化问题进行求解。能量法的力学模型很直观。由给定一组待光顺的型值点 ,插值作一条光顺的曲线,型值点被修正为曲线上的点 ,而在 与 两点之间挂一条弹性系数为 的小弹簧,如图5-3 所示。第二第二节 车身曲身曲线曲面的光曲面的光顺 因此,包含样条和小弹簧在内的整个系统的能量为式中,常数 为弹性线的刚度,为曲线在弧长 处的曲率。使 达到极小的曲线 就是用能量法光顺后的曲线。(2)最小二乘法只能对函数样条进行光顺,是一种整体优化方法。最小二乘法和能量法的主要区别是所采用的目标函数不同。能量法采用样条的应变能作为目标函数,光顺的目标是使样条的应变能较小。曲线的应变能较小,可以粗略地说成绝对曲率较小。但曲率较小并不能保证曲率的变化比较均匀。此外,如采用能量法光顺,不论原来的曲线是什么形状,光顺后的曲线均趋于直线段变化。这也是能量法的一个缺点。最小二乘法采用样条的剪力跃度的平方和作为目标函数,光顺的目标是使样条的剪力跃度平方和较小。因而可以使样条的曲率变化比较均匀。3.局部优化法 通常的能量法和最小二乘法光顺都属于整体优化方法。即将曲线的所有控制顶点均作为未知量,通过求解优化问题的解来确定。这种方法具有很好的整体光顺效果,但计算量大,计算速度慢。第二第二节 车身曲身曲线曲面的光曲面的光顺 为减少计算量,我们自然希望每次光顺处理中只将少数控制顶点(或型值点)作为未知量,采用最优化的方法对其进行调整,而其他控制顶点(或型值点)则保持不变。这种方法称为局部优化法。三、车身曲面的光顺三、车身曲面的光顺1.车身曲面光顺的方法 一种方式是,将曲面的光顺性转换成网格线的光顺性问题进行处理,即只要对曲面上的两族或三族曲线进行了光顺处理,就认为曲面已经光顺,这个过程称为网格线光顺。但对三族剖面线独立地进行光顺时,必须满足网格的协调条件,即分属于两族的每对曲线在空间必须是相交的,不允许出现间隙。这个过程称为三向光顺。另一方式则根据曲面特有的一些量对曲面进行光顺处理,而并不仅仅考虑曲面的网格线,如能量法。2.车身曲面的光顺性检查1)基于曲率的实际应用分析方法(1)曲率的颜色映射。所谓的曲率颜色映射,就是把曲面上每一点处的曲率值用颜色和亮度信息直观地表示出来。(2)绘制等曲率线。由曲面上具有相同曲率(如高斯曲率、平均曲率、绝对曲率等)的点连成的线称作等曲率线。第二第二节 车身曲身曲线曲面的光曲面的光顺绘制曲面的等曲率线也是一种常用的曲面分析方法,这种方法和曲率的颜色映射方法本质上是相同的,只是显示的方式不同而已。两者都可反映曲面曲率的分布,从中得到有关曲面光顺性的信息。(3)绘制聚焦曲面。通过绘制曲面的聚焦曲面可以反映曲面曲率(或曲率半径)的变化情况。也可以在曲面上的每一点处,以曲面的法矢为方向、以曲面的某种曲率半径为长度画一有向线段来反映曲面曲率(或曲率半径)的变化情况。两种方法的实质是完全一样的。(4)绘制反映截面线曲率变化的直线段。用一组平行的平面去截给定的曲面。在每一条截线上,画出表示曲率半径变化趋向的直线段。即在每一点处,以该点的单位法矢为方向、以截线的曲率半径为长度画一有向线段。若截线的曲率半径变化比较均匀,则曲面比较光顺。(5)绘制主曲率线。由于计算机主曲率线很烦琐,并且很难根据主曲率线的形状做出恰当的解释,所以至今对主曲率线的使用很有限。2)基于光照模型的实际应用分析方法(1)绘制真实感图形。采用先进的真实感图形绘制技术绘制曲面的真实感图形,对曲面的光顺性分析有很大帮助。第二第二节 车身曲身曲线曲面的光曲面的光顺(2)绘制等照度线。由曲面上具有相同照度的点连成的线称为等照度线。(3)绘制反射线。可以利用一束平行的、等间距的日光灯在曲面上的反射线检查曲面的光顺性。(4)绘制高亮线。高亮线和反射线类似。高亮线具有的性质:不依赖于视点;曲面的不连续性在高亮线上被扩大1 阶。3)等高线法曲面和一组平行平面的交线称为曲面的等高线,亦称轮廓线或等值线。4)基于线性变换的方法(构造辅助曲面)基于线性变换的方法是指通过对原曲面做一定的线性变换,得到另一曲面(称为辅助曲面)而将原曲面的不规则性放大,以帮助我们判断原曲面的光顺性。5)各种方法的比较 各种方法都有一定的特点。基于曲率的方法可以使我们方便地观察曲面曲率的分布情况。绘制等高线可以帮助我们了解曲面的形状、找出峰、谷、最大、最小值点,通过等高线的光顺性帮助我们判断曲面的光顺性。基于线性变化的方法可以帮助我们识别高斯曲率为零的区域,但对于其他信息则很难判断。第二第二节 车身曲身曲线曲面的光曲面的光顺图5-4 为前风窗玻璃表面光顺性的反射线检查图;图5-5 为前风窗玻璃表面光顺性的等照度线检查图。实际应用当中,对于车身曲面光顺性的评价,一般可以将反射线的变化情况作为评价依据,实际上这也是对曲面的曲率变化情况的评价。应用较多的,还有用任意一组平面与曲面的相交曲线的光顺性,及绘制车身曲面等照度线等,作为评价曲面光顺性的依据。第二第二节 车身曲身曲线曲面的光曲面的光顺图5-6 所示是等照度线法评价车身曲面的光顺性示意图。图5-7 所示是等照度线法评测车身翼子板曲面的光顺性示意图。第三第三节 车身身 CAD 数字建模数字建模一、车身一、车身CAD 数字模型的分类数字模型的分类1.线框模型线框模型是CAD 技术发展过程中最早应用的一种三维模型。2.曲面模型把线框模型中线框包围的部分定义为面,所形成的模型就是曲面模型。3.实体模型如果处理完整的三维形体,最终必须实现实体模型,才能准确无误地反映物体的三维形状。4.特征模型特征造型技术是为了在设计阶段能够捕捉除了产品几何拓扑信息以外的设计和制造意图的高层描述而产生的。5.产品模型产品在生命周期的不同阶段,如设计、分析、修改、规划、制造及装配等,所涉及到的产品特征和参数不尽相同,使得信息的自动传递和交换难以进行。6.仿生模型根据仿生学原理建立的产品模型,使得产品的模型具有能相互约束、自决策性、分散管理和柔性等特点,以减少再设计的工作量,目前这种建模方法还处于研究阶第三第三节 车身身 CAD 数字建模数字建模二、车身二、车身CAD 的曲面建模的曲面建模1.车身CAD 建模的步骤 车身CAD 建模主要指的是车身曲面建模和车身实体建模,其一般步骤为:(1)造型的前期准备,收集同类型造型资料和相关总布置资料等。(2)二维效果图,是造型创意的图面表达,是初步造型方案的评审依据。(3)车身CAD 三维曲面造型,是造型效果的数字化体现,是进一步结构设计和空气动力学分析的基础,也是造型方案的确定。(4)实体结构设计,在曲面模型的基础上,可做进一步的结构设计和工程分析等。(5)实物模型,采用快速原型技术或NC 加工制作实物造型模型。2.车身CAD 曲面模型 车身曲面模型是车身CAD 三维曲面造型的结果,是车身CAD 的重要内容。在车身曲面建模过程中,造型师的设计思想是造型的基础。以此为基础,得到最终的车身CAD 曲面模型。一般情况下,在车身曲面建模过程中,车身曲线曲面的光顺都是在造型设计师或工程师的指令下,由CAD 软件来完成的。在车身曲面建模过程中,曲线的光顺和曲面的光顺是密不可分的两个部分,它们之间存在着一定的制约和相辅相成的关系。第三第三节 车身身 CAD 数字建模数字建模 在车身曲面建模过程中,需要造型设计师和工程师通力合作,使得造型设计师的设计意图能够在数字模型上得到充分的体现,并且能够有很好的制造工艺保证。在车身曲面建模过程中,CAD 软件提供了广泛实用的应用工具。车身曲面建模的一般过程是:(1)根据汽车造型二维效果图,生成三维光顺曲线。(2)由光顺曲线生成汽车造型的基础曲面。(3)基础曲面的裁剪与过渡。(4)车身CAD 曲面模型的质量检查。在车身CAD 曲面建模过程中,曲线曲面的光顺处理与光顺性检查是车身CAD 曲面建模的关键步骤,其曲面的光顺性情况关系到曲面模型的成败。车身曲面建模过程中还要考虑的两个问题是对称模型的处理和过渡曲面的处理。三、车身三、车身A 级曲面级曲面 A 级曲面,即是Class A 曲面。A 级曲面是既满足几何光滑要求又满足审美需求的曲面,专指车身模型中对曲面质量有较高要求或特殊要求的一部分曲面,如外形曲面、仪表板和内饰件的表面等。第三第三节 车身身 CAD 数字建模数字建模 为了达到A 级曲面的要求,从工业设计及美学的角度考虑,A 级曲面在多数情况下需要满足下面几点技术要求:(1)A 级曲面应是具有二阶几何连续性的光顺曲面。(2)A 级曲面的特征网格均匀合理分布。(3)A 级曲面的曲率方向应尽量指向一致。(4)在拼接线的垂直方向上,两个相邻曲面的阶数应一致,避免产生不必要的曲面扭曲变形。车身外部大表面和车身装饰件一般都要求必须是A 级曲面。实际上,车身上的零部件也并不是都需要A 级曲面,对于绝大多数的车身内部钣金件和非金属结构件来说,一阶连续就达到了结构设计的要求。现在广泛应用的大型三维CAD 软件都提供生成A 级曲面的工具,如CATIA、NX 等。图5-8 是车身从曲面测量、建模、光顺到实时渲染全过程的示意图。图5-9 是车身A 级曲面示意图。第三第三节 车身身 CAD 数字建模数字建模四、车身四、车身CAD 实体建模实体建模 在车身A 级曲面冻结、车身外形曲面建模完成之后,下一步的工作就是进行具体结构设计。一般车身钣金件的结构设计,只要充分考虑总成装配时的配合关系,做无厚度的曲面结构设计就能够很好地将车身三维结构表示清楚,车身钣金结构件的二维工程图也能够达到工程要求。如果车身钣金件的结构设计也用实体结构来建模,无疑这样能够更加明晰地表达结构,装配设计中也不必考虑板厚的影响,零件之间的装配位置关系直接表明。第三第三节 车身身 CAD 数字建模数字建模 一般可采用曲面偏置厚度(Thickness)操作得到钣金件的实体模型,有时也可以由曲面钣金设计(Sheet Metal Design)直接得到实体模型。对于车身的塑料件等结构件都是采用实体结构设计,建模过程中采用曲面与实体复合建模方式。图5-10车身数字实体模型实体数字模型可以很直观地表达零件的结构,并且可以用于装配分析(Assembly Design)与运动校核(Motion Analysis)等。五、车身数字样机五、车身数字样机 汽车产品更新换代速度越来越快,现有的样机制造周期和制造成本已很难适应产品开发的需要,使用计算机三维设计技术的数字样机(Digital Mock-up,简称DMU),可仿真实物样机的作用,有效缩短产品开发周期,降低成本。数字样机技术是一种新的产品开发技术,可生成一部虚拟现实的数字样机,其具有物理真实样机的很多特征,可在一定程度上取代物理真实模型。第三第三节 车身身 CAD 数字建模数字建模 一般的DMU 模块都带有优化工具条(Optimizer)、检查工具条(Check)和环境设定(CustomizingSetting)等,相应地可完成DMU 模型的数字再现、检查和评估等功能。1.DMU 的作用 首先是提供各类、各种档次的可视化功能,用不同方式对电子样车的全部部位进行审视、评估、漫游和模拟真实的视觉效果。其次是提供各类对车型或部件间进行功能性分析的手段,包括机构运动、干涉分析、拆装分析、空间分析和管理等。三是应用相关性设计,按照自上而下的设计方式,实现总成之间、零部件之间、一个模型文件中的多个几何实体之间、曲面模型和实体模型中间、特征之间等多种层次的各种相关关系。2.DMU 静态干涉检查 根据项目周期情况,可以分为设计过程中的干涉检查、后期的验证干涉检查和设计变更后干涉检查。从整车角度分析,可以分为系统内部零件的干涉检查,系统与系统之间的干涉检查。一般整车可以分为七大系统,如车身、底盘、动力总成、内饰、外饰、开闭件以及线束等,也可以根据企业的设计情况来进行分类。对于零件更新后,零部件的干涉检查又分为单个零件与系统之间的干涉检查和一组零件与周围零件的干涉检查。第三第三节 车身身 CAD 数字建模数字建模 干涉检查后要出检查报告,报告中包括:干涉件所属位置、涉及干涉的零部件名称、干涉量的大小、干涉过滤和干涉解决状态。3.DMU 运动分析 机构运动分析是在虚拟的环境中模拟产品实际的运动状况,在动态过程检验机构设计是否符合概念设计阶段对机构所做的定义。在DMU 环境下进行机构运动分析时,首先根据机构的实际运动状态,运用相应的机构运动副来创建两个零部件之间的相对运动关系,然后创建机构运动的参照物和驱动机构进行运动的驱动源。在定义完机构运动所必需的条件之后,就可以对机构运动进行仿真和分析了。4.可拆装性分析 产品拆装分析是对产品拆装过程的演示,和在拆装过程中动态地检查产品同周围零部件之间的关系,包括产品拆装路径的定义和优化,拆装过程中的动态干涉检查和工具空间校核等。在进行产品拆装分析时,首先要规划产品拆装方案,对产品的拆卸要有清晰的思路,然后需要定义产品拆装路径,最后通过定义拆装路径的序列,对整个产品的拆装过程进行模拟和分析。第三第三节 车身身 CAD 数字建模数字建模 为了检查产品在拆装过程中是否符合产品预定的拆装方案,是否为工具留下足够的空间,以及拆装过程中是否会同周围产品存在着一定的干涉问题等,根据各个项目的实际需求,应进行如下的内容检查和校核:(1)首先进行动态干涉检查。动态干涉检查就是校核物体在拆装过程中是否同周围的零部件存在着数据上的干涉情况。(2)其次是进行工具空间检查。工具干涉检查是产品拆装分析的一项重要内容,通过检查工具空间来检查产品拆装的方便性和可行性。第四第四节 车身逆向工程技身逆向工程技术一、逆向工程的概念一、逆向工程的概念1.正向工程 传统的工业产品开发均是按着严谨的研究开发流程,从确定功能与规格的预期指标开始,构思产品的零件,然后进行各个零件的设计、制造以及检验,再经过组装、整机检验、性能测试等程序来完成。此类传统的产品开发,通常是从概念设计到图样,再制造检验产品,通常称为正向工程(Forward Engineering)。对每一个零件来说,其正向工程的流程如图5-11 所示。2.逆向工程 逆向工程(Reverse Engineering)也称为反求工程、反向工程等。逆向工程起源于精密测量和质量检验,它是设计下游向设计上游反馈信息的回路 广义的逆向工程包括形状(几何)逆向、工艺逆向和材料逆向等诸多方面,是一个复杂的系统工程。第四第四节 车身逆向工程技身逆向工程技术 通常所说的逆向工程即指对几何形状的逆向,称为实物逆向工程,是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。这种从实物样件获取产品数字模型并制造得到新产品的相关技术,已经成为CAD/CAM系统中的一个研究及应用热点,并发展成为一个相对独立的领域。图5-12 所示为逆向工程流程图。第四第四节 车身逆向工程技身逆向工程技术 逆向工程是随着计算机CAD/CAM 技术与测量技术的发展而出现和发展起来的。20 世纪90 年代,逆向工程技术受到了各国工业和学术界的高度重视,成为CAD/CAM 领域的一个研究热点。目前逆向工程已发展成为CAD/CAM 系统中的一个相对独立的研究分支,其相关领域包括几何测量、图像处理、计算机视觉、几何造型和数字化制造等。计算机的高度集成以及先进的测量技术,使得逆向工程中的数据采集、数据处理、曲面造型及实物造型成为可能。随着计算机技术的发展,逆向工程技术和先进制造技术的结合日趋紧密,如20 世纪80 年代初发展起来的快速原型技术、基于网络的异地设计及制造技术等,在产品设计和制造阶段都需要逆向工程技术的支持。同时,逆向工程技术也和计算机辅助检测、辅助设计、辅助制造以及计算机辅助工程分析密切相关。逆向工程成功应用的关键不仅在于一个计算机辅助子模块能较好地独立完成各项工作,很大程度上还取决于各个子模块的计算机集成程度。可以说,逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE 等先进的计算机辅助技术集成应用的一个典型例子,也是计算机集成制造系统研究的一个分支。第四第四节 车身逆向工程技身逆向工程技术 产品的数字化和三维模型重建是逆向工程的两项关键技术,有关逆向工程建模方法的研究主要也集中在这两个方面。得到CAD 模型后,其下游过程主要是利用成熟的CAD/CAE/CAM 系统的强大功能,组成一个完整的检测、设计、分析和制造系统,这也体现了集成的逆向工程系统。如果将CAD/CAM 先进制造技术看作正向技术,则逆向工程技术与它的区别有两点:一是实物外形的数字化;二是基于离散测量数据的三维模型重建。几何模型建立后,其下游的过程基本与正向技术相同。图5-13 所示是逆向工程与计算机辅助产品开发过程。第四第四节 车身逆向工程技身逆向工程技术 简单地,只要将实物数字化、模型重建与现有的CAD/CAE/CAM 系统相连接,即可构成集成逆向工程系统。从功能和应用的目标考虑,一个完整的集成逆向工程系统应该具有以下特点和要求：(1)逆向工程与CAD/CAE/CAM 系统采取一种柔性集成的方案,支持不同应用的要求。(2)实物的数字化(包括模型检测)应在技术指导下完成。(3)系统具有统一的数据模型。(4)支持异地过程。二、车身逆向工程系统 逆向工程系统主要由三部分(或三个子系统)组成:产品实物几何形状的数字化及数据处理子系统、模型重建子系统、产品或模具制造子系统。图5-14 所示是集成逆向工程系统框架。第四第四节 车身逆向工程技身逆向工程技术第四第四节 车身逆向工程技身逆向工程技术 数字化及数据处理子系统的任务是规划、测量和数据处理转换。模型重建子系统主要包括模型重建、模型分析、模型评价等模块,其功能包括从测量点云重建曲面模型、实体结构设计和重建模型评价等。产品或模具制造子系统主要是加工制造设备,包括各种机床和快速成型机等。组成逆向工程系统的设备和软件主要包括:(1)坐标测量机。是进行实物数字化的关键设备。(2)数据处理软件。由坐标测量机得到的外形点云数据在进行CAD 模型重构之前,必须进行格式转换、噪声点滤除、数据精简、多视测量数据对齐、点云数据坐标定位和对称基准重建等处理。(3)模型重构软件。如Imageware、ICEM Surf、Pro/ENGINEER、CATIA、NX 等软件,还有产品数据管理软件,以及支撑软件的硬件平台个人计算机和工作站等。(4)CAE 软件。用于计算机辅助工程分析,包括机构运动分析、结构仿真、流场及温度场分析等,目前流行的分析软件有Ansys、MSC Nastran、ADAMS、Moldflow 等。(5)快速成型机。产生模型样件,按制造工艺原理分为立体光刻、分层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积造型、三维喷涂粘结、焊接成型和数字累积成型等方法。第四第四节 车身逆向工程技身逆向工程技术(6)NC 加工设备。用于零件原型和模具的制作。(7)产品制造设备。包括各种注塑成型机、扎出机、钣金成型机等。三、车身逆向工程流程三、车身逆向工程流程 车身逆向工程的一般步骤为:(1)前期准备。对产品进行剖析,确定产品结构的主要特征、合理的建模顺序和设计的整体思路。(2)数据获取。即应用坐标测量机对车身、车身零件或模型进行测量。在车身逆向工程中,多采用非接触式的光学坐标测量机,测得被测件的点云数据,并存储为标准的文件格式*.asc 或*.stl 等。(3)数据处理。包括噪声点的剔除、点云数据的精简、点云数据的车身坐标定位等。(4)曲面模型重构。这个过程一般分为点云的分块、基础曲面的构建、过渡曲面的构建、曲面质量分析、表面模型的完善等。(5)实体结构设计。(6)零件实物模型的制作。曲面模型的重构是车身逆向工程中的关键步骤。车身逆向工程中构建A 级曲面的方法与步骤为:第四第四节 车身逆向工程技身逆向工程技术(1)先用阶数较小的曲面进行拟合,一般是4 4 阶曲面,这样就能较容易地调整出一个较为近似的曲面。曲面拟合时可以给定一定的边界约束条件。(2)若4 4 阶曲面不能很好地拟合点云数据,则采用提高曲面阶数的方法来提高曲面的拟合精度。(3)精细调整曲面时,应该将曲面上所有的横向、纵向网格线投影到不同平面上,调整均匀合理分布,以生成高质量的曲面。(4)单个曲面生成后,对相邻曲面进行匹配处理,以生成曲率连续的曲面组。(5)采用各种曲面质量检查工具判断曲面的生成质量,以便做出相应的修改来满足技术要求。(6)对曲面进行修剪处理,以生成给定大小与范围的曲面形状与边界。目前利用车身逆向工程技术进行产品设计主要有两种方式:一种是由造型师设计制作的产品油泥模型,经坐标测量机将模型数字化,得到测量点云数据,再建立CAD 模型;另一种是针对已有的产品实物零件(通常是国内外一些最新的设计产品),这种产品逆向设计方法也就是我们通常所说的仿制。在产品的逆向工程技术中,经过数字化测量和模型重构,获得了产品的数字化模型,这个数字化模型和CAD 技术为产品的再设计和创新设计提供了实现基础和一个支持平台。第四第四节 车身逆向工程技身逆向工程技术四、快速原型技术四、快速原型技术 在车身CAD 中,快速原型技术主要用于对车身及其零件的造型效果的真实评价。1.快速原型技术的概念 快速原型(Rapid Prototyping,简称RP)技术是一种集机械、电子、光学、材料等多学科为一体的新型综合制造技术。快速原型技术是一种基于离散堆积成形思想的新型成型技术,它首先借助计算机辅助设计,或用实物逆向工程方法,采集得到有关原型或零件的几何形状、构造和材料的组合信息,从而获得目标原型的CAD 模型,然后将这些信息输入到计算机控制的机电集成制造系统,通过逐点、逐面进行材料的“三维堆砌”成型,再经过必要的处理,使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求,所以是一种快速、准确地制造原型或实际零件、部件的先进制造方法。其技术原理如图5-15 所示。第四第四节 车身逆向工程技身逆向工程技术 快速原型的制作流程主要包括下列步骤:(1)设计三维模型或用扫描点云数据构建网格面。(2)将模型转换为STL 格式数据文件。(3)利用软件进行分层处理并生成加工路径。(4)输入快速成型机,制作原型件。(5)原型后处理,如抛光、固化等。与传统的切削加工方法相比,快速原型技术具有以下优点:(1)高度柔性。(2)CAD 模型直接驱动。(3)成型过程中信息过程和材料过程的一体化。(4)成型的快速性。(5)技术的高度集成性。2.快速原型技术的工艺1)立体光刻 立体光刻(Stereo Lithography,简称SL)也称为立体光造型,是研究最早和较为成熟的一项快速原型制造技术。第四第四节 车身逆向工程技身逆向工程技术2)分层实体制造 分层实体制造(Laminated Object Manufacturing,简称LOM)技术是利用分层叠加原理制成原型或模型。3)熔融沉积制造 熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling,简称FDM)技术是靠数控挤出头将细丝状热塑材料加热,在制造平台上沿水平面首先沉积制造模型的第一层,然后下移工作台,挤出头再沉积制造第二层,直至制成模型。4)选择性激光烧结 选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,简称SLS)技术是利用激光束将粉末材料,如尼龙、合成橡胶或金属等,选择性烧结成固体件。5)三维喷涂粘结 三维喷涂粘结(Three Dimension Printing and Gluing)原理类似于喷墨打印机原理,首先铺粉或铺基底薄层(如纸张),利用喷嘴按指定路径将液态粘结剂喷在预先铺好粉层或薄层上的特定区域,逐层粘结后去除多余的材料便得到所需的形状制件。另外,还有实体磨削固化(Solid Ground Curing,简称SGC)、冲击微粒制造(Ballistic ParticleManufacturing,简称BPM)、焊接成型(Welding Forming)、数字累积成型(Digital-Brick Laying)等快速原型制造工艺。第四第四节 车身逆向工程技身逆向工程技术3.快速模具 应用快速原型方法快速制作模具的技术一般称为快速模具技术(Rapid Tooling,简称RT)。其主要制作的模具有:低熔点合金模具、喷涂成形模具、实型铸造模具、电铸模具、环氧树脂模具等 快速模具制造一般分为直接制模法和间接制模法,主要用于制造塑料模具、冲压模具和铸造模具等。