刚才忘传了----基于逆向工程的车身设计与应用

man1129536 · 发表于 2007-5-27 10:53:21

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正向设计是指通过工程师对待开发产品概念的理解来进行产品的设计,即由概念到图纸或数字模型的过程.与产品的正向设计不同,逆向设计从已有产品或实物模型出发,反求出产品原始设计参数,并在此基础上进行产品的设计开发。
汽车现代设计既有别于传统设计，又是在传统设计的基础上，依赖计算机辅助技术丰富与发展起来的。传统的车身设计及开发主要基于手工设计完成的，需要美工人员、工程技术人员及其工人通力合作。这种车身设计方法是通过实物、模型、图纸和样本来传递信息的。设计过程遵循由外及内，由模型到图纸的顺序。油泥模型上任何细微的改动都将直接导致主模型和大量图纸的修改，由此产生的修改设计及其繁琐和艰辛。精度低也是传统设计方法无法克服的缺点。按照传统设计方法，其设计工作量大，设计周期长，开发成本高和产品的通用化程度低。随着科学技术的进步，一些先进的现代化设计方法应用到车身设计过程中，从而使得设计观念和方法得到了彻底的更新。与传统的车身设计方法相比，现代车身
正向设计流程图逆向设计流程图
设计方法的一个主要工作是利用CAGD(ComputerAidedGeometricDesign，计算机辅助几何设计)方法来进行车身几何造型设计，在计算机上建立一个车身数字模型，可以从数字模型的任意处得到所有曲线和曲面信息来进行设计和分析，这个模型被作为主模型来取代传统车身设计中的油泥模型。
现代逆向设计方法大量采用计算机辅助技术，由于数字模型的应用，影响了物理模型的地位，也相对地降低了物理模型的重要性(在现有的计算机辅助造型设计技术条件下，物理模型的重要地位依然是计算机模型不可能完全替代的)，某些情况下甚至可以减少油泥模型的数量，也为汽车的设计开发方式带来更为重要的改变。用数学模型和物理模型相互印证的方式进行开发设计，提高了设计质量，保证了设计品质。这是传统设计方法所无法比拟的，其优点主要表现在:
1.完成车身外形的数学模型的建立并存入数据库，经计算机管理便可以多方共享，为生产准备、工装设计制造提供方便、详细、准确的原始依据，消除了中间数据转换的误差，使后续的加工和分析的精度大大提高。
2.建立了车身的CAD数学模型后，车身的强度、刚度有限元分析、车身覆盖件成型模拟合空气动力学特性模拟就能顺利进行，使得设计的可信度大为提高。
3.车身数学模型可直接用来指导模具的设计，同时模具的制造也可以通过车身CAD模型进行数控加工，从而大大提高了模具设计和制造的速度，缩短模具设计周期。
4.在原设计基础上可以轻松实现车身的改型和优化再设计，提高产品的市场竞争力。在现代车身设计流程中，车身的油泥模型需通过反求工程将其转换成CAD数学模型是实施车身具体设计和分析的基础。通过反求工程能使油泥模型准确地在车身设计和制造中再现，使设计师的创作理念完全地表现出来;在对油泥模型进行反求的过程中，利用专业反求软件的分析功能还可以弥补油泥模型制造中的一些不足，使建立的车身CAD模型精确、光顺，从而方便后续的加工制造。
第三章车身逆向工程
3-1逆向工程技术的简单描述
传统的工业产品开发均是按照严谨的研究开发流程，从产品的构思、功能与规格预期指标的确定，进而到各个零件的设计、制造以及检验，再经过组装、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，称为正向工程(ForwardEngineering)。
所谓的逆向工程(ReverseEngineering，也称为反求工程、反向工程)是作为消化、吸收先进技术的一种手段，需要将实物样件或手工模型转化为CAD数据，以便利用快速成形、计算机辅助制造、产品数据管理等先进技术对其进行处理和管理，并进一步修改和再设计的过程。通常所说的反求工程是指对几何形状的反求，称为实物反求工程。反求工程是将实物转变为CAD模型的数字化技术，建模技术和产品制造技术的总称，其过程可分为实物模型数字化、CAD模型构建和产品制造三个阶段。
作为一种逆向思维的工作方式，反求工程技术与传统的产品正向设计方法不同，它的主要任务是将原是物理模型转化为工程设计概念或产品数字化模型。一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息。另一方面为充分利用先进的CAD/CAE/CAM技术对已有的产品进行再创新设计服务。正向工程与反求工程的二者比较，区别在于:正向工程中从抽象的概念到产品数字化模型建立是一个计算机辅助的产品物化的工程;而反求工程是对一个物化产品的再设计，强调产品数字化模型建立的快捷和效率，以满足产品更新换代和快速响应市场的要求。在反求工程中，由离散的数字化点或点云到产品数字化模型的建立是一个对复杂的设计意图理解、加工和编辑的过程。
反求工程技术的出现为制造业提供了一个全新、高效的构建手段，实现从实物到数字模型的直接转换。目前，这种从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已成为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。随着计算机技术的发展，反求工程技术和先进制造技术的结合日趋紧密，如快速原型技术、基于网络的异地设计及制造技术等，产品再设计和制造阶段都需要反求工程技术的支持。同时，反求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有着密切相关的联系。产品的数字化和三维模型重建是反求工程的两项关键技术，有关反求工程建模方法的研究主要也集中在这两个方面。在复杂自由曲面测量、曲面逼近和拟合等曲面重建技术的研究上已经有许多方法被提出，并相应开发了一些试验和商用软件。
反求工程的产生并不是偶然的。由于产品多样化和生产周期的缩短，为了提高自身的竞争力，缩短产品的研发时间就显得十分重要。反求工程作为一种新兴的技术在缩短产品研发时间方面具有很好的发展前景。它己经成为各国在设计制造技术进步和发展的动力，尤其是发展中国家迅速改变技术落后状况，提高综合设计与制造水平，赶超世界先进水平的捷径。
3-2车身逆向工程中数据获取技术
（1）测量方法
目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多各多样，原理也各不相同。不同的测量方式，不但决定了测量的精度、速度和经济性，还造成了测量数据类型及后续处理方式的不同。根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中物体表面三维数据的获取方法基本上可分为两大类，即接触式和非接触式。测量方法的分类如下表所示。
表一数据获取方法
数据获取方法
接触方法非接触方法其他
机器手
CMM光学法声波法电磁法层析法
三角测量法距离测量法结构光法干涉法图像分析法
接触式测量方法通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面的坐标位置。接触式测量的精度一般比较高,但测量效率很低。应用最广泛的是坐标测量机。三坐标测量机技术主要以测量点为主，主要用于测量定位尺寸、相对尺寸等线性尺寸。
非接触式的测量方法主要是基于光学、声和磁学等领域中的基本原理,将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。如声纳测量仪利用声音遇到被测物体产生回声的时间计算点与声源间的距离。下面简述几种光学测量法:
1)干涉法通过测最两束相干光的光程差来计算物体的高度分布，测量精度相当高，但测量范围小，抗干扰能力弱，不适合测量凹凸变化大的复杂曲面，激光衍射法的情况与干涉法基本相同
2)激光三角法。采用的原理是采用激光作为光源，照射到被测物体上。利用CCD接受漫射光成像点，根据光源、物体表面反射点、成像点之间的三角关系计算出表面反射点的三维坐标。此方法已经成熟，目前已走向实用。如果采用线光源，激光扫描测量方法可以达到很高的测最速度。
3)结构光投影测量法。被认为是目前三维形状测量中最好的方法，它的原理是将具有一定模式的光源,如栅状光条投射到物体表面，然后用两个镜头获取不同角度的图像，通过图像处理的方法得到整幅图像上像素的三维坐标。这种方法具有速度快、无需运动平台的优点。
5)距离法。利用光线飞行的时问来计算距离，常采用激光和脉冲光束。比较典型的应用就是电子经纬仪交绘测量法。这种方法测速慢，工作量大，测量相当困难，但它可以测量很大的物体。
6)图像法。类似于结构光法以图像帧来确定被测物体的空间形态，但它采用的分析方法并不仅限于投影图案。两幅图像上的标记点或图案的相关分析常用来确定被测空间点的二维坐标。
非接触式测量方法中，结构光法是被认为是目前最成熟的测量方法，在工业界广泛应用，而ATOS测量系统是这种方法的典型代表。ATOS测量系统是德国GOM公司研发的产品，自1989年问世以来，经过多年的发展，已成为世界上使用最为成功的扫描测量系统，广泛应用于汽车、航空航天、消费品、艺术品及科学研究等领域。目前，全球保有量超过1000套，中国内地也有超过120套。