逆向工程在车身覆盖件造型方法与检测中的应用研究

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硕士学位论文逆向工程在车身覆盖件造型方法与检测中的应用研究简正伟2005年4月燕山大学国内图书分类号：U463.83国际图书分类号：629工学硕士学位论文逆向工程在车身覆盖件造型方法与检测中的应用研究硕 士 研 究 生导 师副 导 师申 请 学 位 级 别学 科、专 业所 在 单 位授 予 学 位 单 位：：：：：：：简正伟孙惠学教授王连东教授工学硕士车辆工程车辆与能源学院燕山大学Classified Index: U463.83U.D.C.: 629Dissertation for the Master Degree in EngineeringAPPLICATION AND STUDY OFREVERSE ENGINEERING IN THE CARBODY COVERING SCULPTEDMETHOD AND INSPECTIONCandidate:Supervisor:Vice-Supervisor:Academic Degree Applied for:Speciality:University:Jian ZhengweiProf. Sun HuixueProf. Wang LiandongMaster of EngineeringVehicle EngineeringYanshan University摘 要I摘 要由于汽车车身覆盖件传统的设计和检测方法效率低、难度大，如何采用有效的方法取代传统的设计与检测方法，缩短设计周期，提高检测精度是生产厂急待解决的问题。通过对逆向工程软件 Geomagic 的功能和基本原理的分析，本文研究了复杂曲面实物逆向工程的关键技术，对逆向工程中的点云数据获取、数据预处理、曲面重构和曲面分析方法进行了详细的阐述，总结了 Geomagic在曲面重构和曲面检测中的方法、步骤和经验，为后续的车身覆盖件的逆向造型设计和在线检测提供了理论和操作技术保障。本文以逆向工程在车身覆盖件造型方法中的实现为宗旨，针对车身覆盖件自由曲面在散乱点基础上重塑问题进行了初步研究，并在理论及应用中得到了相应的结论和实现。通过对车身覆盖件应用逆向设计，实现了车身覆盖件 3D 曲面重构，为后续的 CAD/CAM 及在此基础上新产品的二次开发奠定了基础。在逆向工程和误差检测理论的基础上，提出了将逆向工程应用于车身覆盖件的数字化检测方法。将所得的点云数据与数学模型，通过建立精确的曲面匹配，在逆向工程检测软件 Geomagic Qualify 中进行形位误差比较，得出检测报告。该方法能够检测出传统方法难以达到足够精度要求的复杂曲面误差，对于实现生产的在线检测的自动化、数字化具有重要的应用前景。关键词 逆向工程；车身覆盖件；Geomagic；曲面重构；曲面匹配；数字化检测燕山大学工学硕士学位论文IIAbstractBecause of automobile body covering are inefficient and great difficult tothe traditional design and inspecting method. How to use another effectivemethod to replace traditional way and to increase inspecting precision becomesan urgent problem to be solved for manufacturers.

Through analyzing the software “Geomagic” function and fundamental,this paper studies the key technology of complicated surface, described indetail the reverse engineering technology: point data obtaining, surfacereconstruction, surface analysis etc, provides theory and technology foundationfor applying reverse engineering to the model design and inspection of carbody covering.This paper takes the achievement of reverse engineering which applies onthe car body covering model as a goal, carries out research aim at thereconstruction problem of free curved surfaces of body coverings based onscattered points. Through applying reverse design to car body covering, obtains3D curved surface reconstruction of car body covering. this project establishesthe base of further design of successive CAD/CAM systems.On the basis of reverse engineering and error inspection theory, this projectbrings forward digitized inspection method which applies reverse engineeringto car body covering. Through establishing curved surface mating , puttingpoints data and theory model to error comparison and obtains inspect report.This method can inspect sufficient accuracy complicated surface error thattraditional method can’t meet sufficient accuracy requirements. It has importantapplication prospect to carry out the manufactured on-line automation anddigitization.Keywords reverse engineering; car body covering; Geomagic; surfacereconstruction; surface matching; digitized inspection目 录III目 录摘要 ⅠAbstract Ⅱ第 1 章 绪论 11.1 本课题研究的学术背景 11.2 车身造型工业中的逆向工程与检测技术 21.2.1 车身造型工业中的逆向工程 21.2.2 检测技术 31.3 国内外文献综述 31.4 课题来源及主要研究内容 5第 2 章 汽车制造检测技术与“2 mm”工程 62.1 汽车制造检测技术 62.1.1 现代质量观的建立与发展 62.1.2 检测技术在汽车制造中的作用与地位 82.1.3 测量误差和精度评定 92.2 “2 mm”工程与亚毫米冲压 112.2.1 “2 mm”工程 112.2.2 亚毫米冲压 152.3 本章小结 16第 3 章 逆向工程及其关键技术 173.1 逆向工程概述 173.1.1 逆向工程的应用 193.1.2 逆向工程与技术引进 203.2 数字化方法与技术 213.2.1 接触式数据采集方法 223.2.2 非接触式数据采集方法 223.3 测量数据格式转换 233.4 逆向工程后处理 243.4.1 点云 243.

4.2 点数据预处理 253.4.3 曲面重构技术 293.4.4 曲面光顺 383.5 模型精度评价及量化指标 39燕山大学工学硕士学位论文IV3.5.1 模型精度评价指标 403.5.2 曲面品质分析方法 403.5.3 精度量化指标 413.6 本章小结 42第 4 章 逆向工程在车身覆盖件开发中的研究 434.1 引言 434.1.1 覆盖件基本概念及其应满足条件 434.1.2 Geomagic Studio 软件简介 444.2 逆向工程在车身覆盖件开发中的研究 464.2.1 车身覆盖件数据采集的前期准备 464.2.2 车身覆盖件数据采集 474.2.3 车身覆盖件数据预处理 484.2.4 车身覆盖件点数据网格化 494.2.5 车身覆盖件的曲面重构 494.3 本章小结 55第 5 章 逆向工程在车身覆盖件检测中的研究 565.1 引言 565.1.1 A 级曲面介绍 565.1.2 Geomagic Qualify 软件简介 565.2 面轮廓度误差的检测 575.2.1 面轮廓度误差基本概念 575.2.2 面轮廓度误差的评定方法 585.2.3 面轮廓度误差的检测 585.3 车身覆盖件曲面匹配与误差检测方法研究 605.3.1 曲面匹配方法研究 605.3.2 误差检测方法研究 655.4 本章小结 72结论 73参考文献 74攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 79致谢 80作者简介 81第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 本课题研究的学术背景随着现代计算机技术及测试技术的发展，利用 CAD/CAM 技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工程和检测，已成为 CAD/CAM 领域的一个研究热点，并成为逆向工程技术应用的主要内容[1]。自改革开放以来，汽车尤其是轿车生产工业有了突飞猛进的发展，，汽车工业已成为我国国民经济的支柱产业。虽然国内几家大汽车厂先后与国外著名的汽车制造企业合作生产了许多新型轿车，但我国汽车工业还处在发展的初期阶段，在“引进－组装－再引进”的汽车生产实践中，制造企业往往缺乏 CAD 模型。无论新产品设计，还是新产品仿制，主要是以实物模型为设计与生产的主要依据，成功地应用逆向工程技术对我国汽车工业的发展具有重要的现实意义。目前，逆向工程技术在我国汽车工业的生产过程的应用主要从实物模型或油

泥模型到基于三坐标测量的空间点云数据，再利用逆向工程软件得出其 CAD 模型，最后通过 CAD 软件进行参数化设计，形成优化及系列化的 CAD 模型。只有建立了基于逆向工程的 CAD 模型，才能利用先进的CAD/CAM 技术，进行新产品设计、工艺设计、模具设计、模具制造和质量检验等后续生产过程。汽车车身覆盖件不仅要具有设计所规定的使用功能，而且很大程度上要体现整车的艺术性和个性风格。车身覆盖件多是由尺寸大，形状复杂的三维曲面构成，不能用简单的数学解析来表示。它不仅要求外观质量高来满足汽车造型的要求，而且要求配合精度高和形状、尺寸的一致性以及互换性好来保证其焊接和装配质量[2]。由于车身覆盖件传统设计和检测具有效率低以及其局限性，因此有效地解决这一问题具有重要的现实意义，本课题正是在这一背景下设立的。本课题以车身覆盖件为研究对象，结合逆向工程技术，研究了车身覆燕山大学工学硕士学位论文2盖件曲面重构的几种方法，特别是以轿车发动机罩作为实例，运用基于三角域曲面重构方法进行了发动机罩的曲面构造，得到高质量的 NURBS 曲面。并针对车身覆盖件质量检测存在诸多问题的背景下，提出了将逆向工程应用于车身覆盖件的数字化检测，使用海量检测点来提高检测精度，将海量检测点和三维数学模型通过精确匹配，然后进行对比，判断其是否在公差范围内。1.2 车身造型工业中的逆向工程与检测技术1.2.1 车身造型工业中的逆向工程尽管目前计算机造型软件具有越来越逼真的模型上光着色功能，但由于汽车车身外形设计的特点，在概念设计或工程设计过程中还是要做成小比例或全尺寸的立体模型，才能鉴定其外观。在车身覆盖件、装饰部件的设计中，当前的基本做法是：对以手工或数控方法进行制作或进行局部修改后的车身模型或实物样件，用三坐标测量仪采集其数据点，然后输入计算机，再用逆向造型软件进行曲面构造，最后反复光顺后，建立 CAD 模型[3]。随着逆向工程技术的迅速发展，逆向工程在车身造型现在及未来的设计方法中占有举足轻重的地位。将逆向工程运用于车身设计中不仅可以弥补传统设计上存在的技术缺陷，而且缩短了产品设计周期，节省了生产成本，同时逆向工程与快速成型技术的结合将使汽车制造业产生前所未有的本质变化。对此，法国、美国、德国和日本都投入了大量的人力和物力，先后成功地开发了实物扫描测量、点数据记录、曲面编辑，然后进行加工的复杂模具快速成型系统。目前，许多汽车制

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