數(shù)字化就是將許多復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù),再以這些數(shù)字、數(shù)據(jù)建立起適當(dāng)?shù)臄?shù)字化模型,把它們轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗卸M制代碼,引入計算機內(nèi)部,進行統(tǒng)一處理,這就是數(shù)字化的基本過程。20世紀40年代提出的采樣定理,為數(shù)字化技術(shù)奠定了重要基礎(chǔ)。數(shù)字化是數(shù)字計算機的基礎(chǔ);數(shù)字化也是多媒體技術(shù)的基礎(chǔ);同時,數(shù)字化也是軟件技術(shù)的基礎(chǔ),是智能技術(shù)的基礎(chǔ)。車身的坐標(biāo)測量就是車身的一種數(shù)字化。數(shù)字化車身,是以車身計算機輔助技術(shù)為核心的,應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計、實驗、制造、使用、回收等一系列綜合技術(shù)的數(shù)字車身模型。數(shù)字化的車身,是虛擬技術(shù)在整個車身生命周期中應(yīng)用的基礎(chǔ)。車身虛擬設(shè)計技術(shù)可以實現(xiàn)概念設(shè)計、造型設(shè)計、總布置設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等。車身虛擬實驗技術(shù)可以實現(xiàn)對車身性能如剛度、強度、模態(tài)、疲勞、安全、NVH等的模擬分析。車身虛擬制造能夠在車身概念設(shè)計階段,模擬車身未來設(shè)計制造全過程及其對車身設(shè)計的影響,從而更有效、更經(jīng)濟、更靈活地組織生產(chǎn),提高生產(chǎn)線的效率和布局合理性。同時,數(shù)字化的車身能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬的車身駕駛、維修和回收等。數(shù)字化車身技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)為:(1)汽車造型設(shè)計思想能夠更好地在三維形體上得到體現(xiàn)。(2)提高設(shè)計及生產(chǎn)效率,縮短新車的開發(fā)周期。(3)減少新車開發(fā)中的實物模型數(shù)量,降低成本。(4)數(shù)字化的車身能夠提高設(shè)計和制造精度。(5)能夠快速實現(xiàn)設(shè)計換型和局部改型。一、光順的概念與應(yīng)用1.曲線曲面光順的概念車身外形曲線曲面的設(shè)計一方面要保證良好的空氣動力學(xué)特性,另一方面又要符合汽車造型的藝術(shù)審美原則,這兩方面都要求車身外形的曲線曲面是光順的。對于平面曲線,一般只要滿足下列三條準則,就可以稱為是光順的:(1)曲線C2

階連續(xù)。(2)沒有多余的拐點。(3)曲率變化較均勻。圖5-1所示的是曲線光順與不光順的情況對比。顯然圖5-1a)曲線滿足光順的三條準則,圖5-1b)曲線和圖5-1c)曲線不滿足準則(1)和(3),而圖5-1d)曲線三條準則都不滿足。對于空間曲線,數(shù)學(xué)上的光順準則為:(1)二階光滑性。曲線的二階導(dǎo)矢連續(xù),從而曲率連續(xù);低次樣條曲線(二次)在節(jié)點處的曲率可能有一個跳躍,此時要求躍度和盡可能小。(2)不存在多余拐點。(3)曲率變化比較均勻。當(dāng)曲線上的曲率出現(xiàn)大幅度改變時,盡管沒有多余拐點,曲線仍不光順。因此,要求光順后曲線的曲率變化比較均勻。(4)不存在多余變撓點。變撓點是指撓率為零的點,通常與撓率變號點相關(guān)。(5)撓率變化比較均勻。撓率不連續(xù)(節(jié)點處左右撓率差)躍度和足夠小;撓率的變化比較均勻,無連續(xù)變號。在滿足數(shù)學(xué)要求的基礎(chǔ)上,光順曲線還要滿足造型設(shè)計師的主觀美學(xué)要求。在實際應(yīng)用過程當(dāng)中,一般地,把空間曲線投影到三個正交平面上,可以用這三條投影曲線的光順性作為空間曲線光順性判據(jù)。

圖5-2所示的是一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)(圖5-2a)、二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)(圖5-2b)和三階導(dǎo)數(shù)連續(xù)(圖5-2c)的光順性示意圖。曲面的光順準則更為復(fù)雜,通常根據(jù)曲面上的關(guān)鍵曲線(如

兩個方向的等參線,或曲面與某一組平行平面的一系列截線等)是否光順以及曲面的曲率(主曲率、高斯曲率、平均曲率等)的變化是否均勻等來判斷。曲面光順準則是:(1)關(guān)鍵曲線(曲面的骨架線)光順。(2)網(wǎng)格線無多余拐點(或平點)及變撓點。(3)主曲率變化均勻。(4)高斯曲率變化均勻。2.車身曲線曲面光順的應(yīng)用目前,CAD/CAM系統(tǒng)廣泛應(yīng)用參數(shù)B樣條曲線曲面,構(gòu)造參數(shù)曲線曲面的最重要的一種方法是對給定的型值點進行插值或擬和。所生成的曲線曲面不光順的原因主要有兩種情況:(1)型值點序列是比較好的,但由于曲線曲面的生成方式或所采用的曲線曲面表達形式不合適,因而導(dǎo)致所生成的曲線曲面不光順。(2)型值點序列本身不是很好,因而導(dǎo)致生成的曲線曲面不光順。因此,為了使生成的曲線曲面具有良好的光順性,通常采用以下的方法:(1)采用合適的曲線曲面生成和表達方式。(2)適當(dāng)調(diào)整型值點(或控制頂點)的空間位置。二、車身曲線的光順對曲線的光順處理的方法主要有選點修改法和優(yōu)化法等。優(yōu)化法又可以分為整體優(yōu)化法和局部優(yōu)化法。1.選點修改法選點修改法首先要判斷影響曲線光順性的壞點。選點修改法的關(guān)鍵是“壞點”的判別和“壞點”的修改。壞點的判斷可由用戶根據(jù)觀察來決定,這種方法稱為交互方式,也可以根據(jù)一定的光順準則來判斷,由程序自動地來判斷哪些點是壞點,這種方式稱為自動方式。在處理實際問題時,自動和交互兩種方式相結(jié)合是比較切實可行的,主要是針對實際情況具體問題具體分析。選點修改法一般都包含有初光順、精光順兩個階段。圓率法是一種選點修改法。圓率法的特點是,不需要插值曲線,可以從離散型值點分布的幾何位置出發(fā)直接判斷型值點序列的光順性,進而挑出壞點給以光順修改。圓率法在數(shù)學(xué)處理過程中,不必引進坐標(biāo)系。在平面上給出了型值點序列

和兩邊界切向,過相鄰三點

所作圓的相對曲率

稱為在點

處的圓率。當(dāng)圓弧

走向為逆時針時

取正號,順時針時

取負號。邊界點

處的圓率則以過兩點P0,P1

和

處的切向

所作的圓來確定。

也是這樣確定。這樣我們便得到對應(yīng)于型值點序列

的圓率序列

。初光順階段:在符號序列

中,凡使連續(xù)變號的點為壞點。初光順的目標(biāo)是要達到圓率符號序列無連續(xù)變號。精光順階段:在圓率差分

的符號序列

中,凡使連續(xù)變號的點為壞點。精光順的目標(biāo)是要達到圓率差分符號序列無連續(xù)變號。圓率法采用圓率的二次差變最小作為光順目標(biāo)。2.整體優(yōu)化法(1)能量法和最小二乘法光順都是將曲線曲面的光順問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題進行求解。能量法的力學(xué)模型很直觀。由給定一組待光順的型值點,插值作一條光順的曲線,型值點被修正為曲線上的點,而在

與

兩點之間掛一條彈性系數(shù)為

的小彈簧,如圖5-3所示。因此,包含樣條和小彈簧在內(nèi)的整個系統(tǒng)的能量為式中,常數(shù)

為彈性線的剛度,為曲線在弧長

處的曲率。使

達到極小的曲線

就是用能量法光順后的曲線。(2)最小二乘法只能對函數(shù)樣條進行光順,是一種整體優(yōu)化方法。最小二乘法和能量法的主要區(qū)別是所采用的目標(biāo)函數(shù)不同。能量法采用樣條的應(yīng)變能作為目標(biāo)函數(shù),光順的目標(biāo)是使樣條的應(yīng)變能較小。曲線的應(yīng)變能較小,可以粗略地說成絕對曲率較小。但曲率較小并不能保證曲率的變化比較均勻。此外,如采用能量法光順,不論原來的曲線是什么形狀,光順后的曲線均趨于直線段變化。這也是能量法的一個缺點。最小二乘法采用樣條的剪力躍度的平方和作為目標(biāo)函數(shù),光順的目標(biāo)是使樣條的剪力躍度平方和較小。因而可以使樣條的曲率變化比較均勻。3.局部優(yōu)化法通常的能量法和最小二乘法光順都屬于整體優(yōu)化方法。即將曲線的所有控制頂點均作為未知量,通過求解優(yōu)化問題的解來確定。這種方法具有很好的整體光順效果,但計算量大,計算速度慢。為減少計算量,我們自然希望每次光順處理中只將少數(shù)控制頂點(或型值點)作為未知量,采用最優(yōu)化的方法對其進行調(diào)整,而其他控制頂點(或型值點)則保持不變。這種方法稱為局部優(yōu)化法。三、車身曲面的光順1.車身曲面光順的方法一種方式是,將曲面的光順性轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格線的光順性問題進行處理,即只要對曲面上的兩族或三族曲線進行了光順處理,就認為曲面已經(jīng)光順,這個過程稱為網(wǎng)格線光順。但對三族剖面線獨立地進行光順時,必須滿足網(wǎng)格的協(xié)調(diào)條件,即分屬于兩族的每對曲線在空間必須是相交的,不允許出現(xiàn)間隙。這個過程稱為三向光順。另一方式則根據(jù)曲面特有的一些量對曲面進行光順處理,而并不僅僅考慮曲面的網(wǎng)格線,如能量法。2.車身曲面的光順性檢查1)基于曲率的實際應(yīng)用分析方法(1)曲率的顏色映射。所謂的曲率顏色映射,就是把曲面上每一點處的曲率值用顏色和亮度信息直觀地表示出來。(2)繪制等曲率線。由曲面上具有相同曲率(如高斯曲率、平均曲率、絕對曲率等)的點連成的線稱作等曲率線。繪制曲面的等曲率線也是一種常用的曲面分析方法,這種方法和曲率的顏色映射方法本質(zhì)上是相同的,只是顯示的方式不同而已。兩者都可反映曲面曲率的分布,從中得到有關(guān)曲面光順性的信息。(3)繪制聚焦曲面。通過繪制曲面的聚焦曲面可以反映曲面曲率(或曲率半徑)的變化情況。也可以在曲面上的每一點處,以曲面的法矢為方向、以曲面的某種曲率半徑為長度畫一有向線段來反映曲面曲率(或曲率半徑)的變化情況。兩種方法的實質(zhì)是完全一樣的。(4)繪制反映截面線曲率變化的直線段。用一組平行的平面去截給定的曲面。在每一條截線上,畫出表示曲率半徑變化趨向的直線段。即在每一點處,以該點的單位法矢為方向、以截線的曲率半徑為長度畫一有向線段。若截線的曲率半徑變化比較均勻,則曲面比較光順。(5)繪制主曲率線。由于計算機主曲率線很煩瑣,并且很難根據(jù)主曲率線的形狀做出恰當(dāng)?shù)慕忉?所以至今對主曲率線的使用很有限。2)基于光照模型的實際應(yīng)用分析方法(1)繪制真實感圖形。采用先進的真實感圖形繪制技術(shù)繪制曲面的真實感圖形,對曲面的光順性分析有很大幫助。(2)繪制等照度線。由曲面上具有相同照度的點連成的線稱為等照度線。(3)繪制反射線。可以利用一束平行的、等間距的日光燈在曲面上的反射線檢查曲面的光順性。(4)繪制高亮線。高亮線和反射線類似。高亮線具有的性質(zhì):不依賴于視點;曲面的不連續(xù)性在高亮線上被擴大1階。3)等高線法曲面和一組平行平面的交線稱為曲面的等高線,亦稱輪廓線或等值線。4)基于線性變換的方法(構(gòu)造輔助曲面)基于線性變換的方法是指通過對原曲面做一定的線性變換,得到另一曲面(稱為輔助曲面)而將原曲面的不規(guī)則性放大,以幫助我們判斷原曲面的光順性。5)各種方法的比較各種方法都有一定的特點?；谇实姆椒梢允刮覀兎奖愕赜^察曲面曲率的分布情況。繪制等高線可以幫助我們了解曲面的形狀、找出峰、谷、最大、最小值點,通過等高線的光順性幫助我們判斷曲面的光順性?；诰€性變化的方法可以幫助我們識別高斯曲率為零的區(qū)域,但對于其他信息則很難判斷。圖5-4為前風(fēng)窗玻璃表面光順性的反射線檢查圖;圖5-5為前風(fēng)窗玻璃表面光順性的等照度線檢查圖。實際應(yīng)用當(dāng)中,對于車身曲面光順性的評價,一般可以將反射線的變化情況作為評價依據(jù),實際上這也是對曲面的曲率變化情況的評價。應(yīng)用較多的,還有用任意一組平面與曲面的相交曲線的光順性,及繪制車身曲面等照度線等,作為評價曲面光順性的依據(jù)。圖5-6所示是等照度線法評價車身曲面的光順性示意圖。圖5-7所示是等照度線法評測車身翼子板曲面的光順性示意圖。一、車身CAD數(shù)字模型的分類1.線框模型線框模型是CAD技術(shù)發(fā)展過程中最早應(yīng)用的一種三維模型。2.曲面模型把線框模型中線框包圍的部分定義為面,所形成的模型就是曲面模型。3.實體模型如果處理完整的三維形體,最終必須實現(xiàn)實體模型,才能準確無誤地反映物體的三維形狀。4.特征模型特征造型技術(shù)是為了在設(shè)計階段能夠捕捉除了產(chǎn)品幾何拓撲信息以外的設(shè)計和制造意圖的高層描述而產(chǎn)生的。5.產(chǎn)品模型產(chǎn)品在生命周期的不同階段,如設(shè)計、分析、修改、規(guī)劃、制造及裝配等,所涉及到的產(chǎn)品特征和參數(shù)不盡相同,使得信息的自動傳遞和交換難以進行。6.仿生模型根據(jù)仿生學(xué)原理建立的產(chǎn)品模型,使得產(chǎn)品的模型具有能相互約束、自決策性、分散管理和柔性等特點,以減少再設(shè)計的工作量,目前這種建模方法還處于研究階二、車身CAD的曲面建模1.車身CAD建模的步驟車身CAD建模主要指的是車身曲面建模和車身實體建模,其一般步驟為:(1)造型的前期準備,收集同類型造型資料和相關(guān)總布置資料等。(2)二維效果圖,是造型創(chuàng)意的圖面表達,是初步造型方案的評審依據(jù)。(3)車身CAD三維曲面造型,是造型效果的數(shù)字化體現(xiàn),是進一步結(jié)構(gòu)設(shè)計和空氣動力學(xué)分析的基礎(chǔ),也是造型方案的確定。(4)實體結(jié)構(gòu)設(shè)計,在曲面模型的基礎(chǔ)上,可做進一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程分析等。(5)實物模型,采用快速原型技術(shù)或NC加工制作實物造型模型。2.車身CAD曲面模型車身曲面模型是車身CAD三維曲面造型的結(jié)果,是車身CAD的重要內(nèi)容。在車身曲面建模過程中,造型師的設(shè)計思想是造型的基礎(chǔ)。以此為基礎(chǔ),得到最終的車身CAD曲面模型。一般情況下,在車身曲面建模過程中,車身曲線曲面的光順都是在造型設(shè)計師或工程師的指令下,由CAD軟件來完成的。在車身曲面建模過程中,曲線的光順和曲面的光順是密不可分的兩個部分,它們之間存在著一定的制約和相輔相成的關(guān)系。在車身曲面建模過程中,需要造型設(shè)計師和工程師通力合作,使得造型設(shè)計師的設(shè)計意圖能夠在數(shù)字模型上得到充分的體現(xiàn),并且能夠有很好的制造工藝保證。在車身曲面建模過程中,CAD軟件提供了廣泛實用的應(yīng)用工具。車身曲面建模的一般過程是:(1)根據(jù)汽車造型二維效果圖,生成三維光順曲線。(2)由光順曲線生成汽車造型的基礎(chǔ)曲面。(3)基礎(chǔ)曲面的裁剪與過渡。(4)車身CAD曲面模型的質(zhì)量檢查。在車身CAD曲面建模過程中,曲線曲面的光順處理與光順性檢查是車身CAD曲面建模的關(guān)鍵步驟,其曲面的光順性情況關(guān)系到曲面模型的成敗。車身曲面建模過程中還要考慮的兩個問題是對稱模型的處理和過渡曲面的處理。三、車身A級曲面A級曲面,即是ClassA曲面。A級曲面是既滿足幾何光滑要求又滿足審美需求的曲面,專指車身模型中對曲面質(zhì)量有較高要求或特殊要求的一部分曲面,如外形曲面、儀表板和內(nèi)飾件的表面等。為了達到A級曲面的要求,從工業(yè)設(shè)計及美學(xué)的角度考慮,A級曲面在多數(shù)情況下需要滿足下面幾點技術(shù)要求:(1)A級曲面應(yīng)是具有二階幾何連續(xù)性的光順曲面。(2)A級曲面的特征網(wǎng)格均勻合理分布。(3)A級曲面的曲率方向應(yīng)盡量指向一致。(4)在拼接線的垂直方向上,兩個相鄰曲面的階數(shù)應(yīng)一致,避免產(chǎn)生不必要的曲面扭曲變形。車身外部大表面和車身裝飾件一般都要求必須是A級曲面。實際上,車身上的零部件也并不是都需要A級曲面,對于絕大多數(shù)的車身內(nèi)部鈑金件和非金屬結(jié)構(gòu)件來說,一階連續(xù)就達到了結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的大型三維CAD軟件都提供生成A級曲面的工具,如CATIA、NX等。圖5-8是車身從曲面測量、建模、光順到實時渲染全過程的示意圖。圖5-9是車身A級曲面示意圖。四、車身CAD實體建模在車身A級曲面凍結(jié)、車身外形曲面建模完成之后,下一步的工作就是進行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計。一般車身鈑金件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,只要充分考慮總成裝配時的配合關(guān)系,做無厚度的曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計就能夠很好地將車身三維結(jié)構(gòu)表示清楚,車身鈑金結(jié)構(gòu)件的二維工程圖也能夠達到工程要求。如果車身鈑金件的結(jié)構(gòu)設(shè)計也用實體結(jié)構(gòu)來建模,無疑這樣能夠更加明晰地表達結(jié)構(gòu),裝配設(shè)計中也不必考慮板厚的影響,零件之間的裝配位置關(guān)系直接表明。一般可采用曲面偏置厚度(Thickness)操作得到鈑金件的實體模型,有時也可以由曲面鈑金設(shè)計(SheetMetalDesign)直接得到實體模型。對于車身的塑料件等結(jié)構(gòu)件都是采用實體結(jié)構(gòu)設(shè)計,建模過程中采用曲面與實體復(fù)合建模方式。圖5-10車身數(shù)字實體模型實體數(shù)字模型可以很直觀地表達零件的結(jié)構(gòu),并且可以用于裝配分析(AssemblyDesign)與運動校核(MotionAnalysis)等。五、車身數(shù)字樣機汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代速度越來越快,現(xiàn)有的樣機制造周期和制造成本已很難適應(yīng)產(chǎn)品開發(fā)的需要,使用計算機三維設(shè)計技術(shù)的數(shù)字樣機(DigitalMock-up,簡稱DMU),可仿真實物樣機的作用,有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低成本。數(shù)字樣機技術(shù)是一種新的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù),可生成一部虛擬現(xiàn)實的數(shù)字樣機,其具有物理真實樣機的很多特征,可在一定程度上取代物理真實模型。一般的DMU模塊都帶有優(yōu)化工具條(Optimizer)、檢查工具條(Check)和環(huán)境設(shè)定(CustomizingSetting)等,相應(yīng)地可完成DMU模型的數(shù)字再現(xiàn)、檢查和評估等功能。1.DMU的作用首先是提供各類、各種檔次的可視化功能,用不同方式對電子樣車的全部部位進行審視、評估、漫游和模擬真實的視覺效果。其次是提供各類對車型或部件間進行功能性分析的手段,包括機構(gòu)運動、干涉分析、拆裝分析、空間分析和管理等。三是應(yīng)用相關(guān)性設(shè)計,按照自上而下的設(shè)計方式,實現(xiàn)總成之間、零部件之間、一個模型文件中的多個幾何實體之間、曲面模型和實體模型中間、特征之間等多種層次的各種相關(guān)關(guān)系。2.DMU靜態(tài)干涉檢查根據(jù)項目周期情況,可以分為設(shè)計過程中的干涉檢查、后期的驗證干涉檢查和設(shè)計變更后干涉檢查。從整車角度分析,可以分為系統(tǒng)內(nèi)部零件的干涉檢查,系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的干涉檢查。一般整車可以分為七大系統(tǒng),如車身、底盤、動力總成、內(nèi)飾、外飾、開閉件以及線束等,也可以根據(jù)企業(yè)的設(shè)計情況來進行分類。對于零件更新后,零部件的干涉檢查又分為單個零件與系統(tǒng)之間的干涉檢查和一組零件與周圍零件的干涉檢查。干涉檢查后要出檢查報告,報告中包括:干涉件所屬位置、涉及干涉的零部件名稱、干涉量的大小、干涉過濾和干涉解決狀態(tài)。3.DMU運動分析機構(gòu)運動分析是在虛擬的環(huán)境中模擬產(chǎn)品實際的運動狀況,在動態(tài)過程檢驗機構(gòu)設(shè)計是否符合概念設(shè)計階段對機構(gòu)所做的定義。在DMU環(huán)境下進行機構(gòu)運動分析時,首先根據(jù)機構(gòu)的實際運動狀態(tài),運用相應(yīng)的機構(gòu)運動副來創(chuàng)建兩個零部件之間的相對運動關(guān)系,然后創(chuàng)建機構(gòu)運動的參照物和驅(qū)動機構(gòu)進行運動的驅(qū)動源。在定義完機構(gòu)運動所必需的條件之后,就可以對機構(gòu)運動進行仿真和分析了。4.可拆裝性分析產(chǎn)品拆裝分析是對產(chǎn)品拆裝過程的演示,和在拆裝過程中動態(tài)地檢查產(chǎn)品同周圍零部件之間的關(guān)系,包括產(chǎn)品拆裝路徑的定義和優(yōu)化,拆裝過程中的動態(tài)干涉檢查和工具空間校核等。在進行產(chǎn)品拆裝分析時,首先要規(guī)劃產(chǎn)品拆裝方案,對產(chǎn)品的拆卸要有清晰的思路,然后需要定義產(chǎn)品拆裝路徑,最后通過定義拆裝路徑的序列,對整個產(chǎn)品的拆裝過程進行模擬和分析。為了檢查產(chǎn)品在拆裝過程中是否符合產(chǎn)品預(yù)定的拆裝方案,是否為工具留下足夠的空間,以及拆裝過程中是否會同周圍產(chǎn)品存在著一定的干涉問題等,根據(jù)各個項目的實際需求,應(yīng)進行如下的內(nèi)容檢查和校核:(1)首先進行動態(tài)干涉檢查。動態(tài)干涉檢查就是校核物體在拆裝過程中是否同周圍的零部件存在著數(shù)據(jù)上的干涉情況。(2)其次是進行工具空間檢查。工具干涉檢查是產(chǎn)品拆裝分析的一項重要內(nèi)容,通過檢查工具空間來檢查產(chǎn)品拆裝的方便性和可行性。一、逆向工程的概念1.正向工程傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)均是按著嚴謹?shù)难芯块_發(fā)流程,從確定功能與規(guī)格的預(yù)期指標(biāo)開始,構(gòu)思產(chǎn)品的零件,然后進行各個零件的設(shè)計、制造以及檢驗,再經(jīng)過組裝、整機檢驗、性能測試等程序來完成。此類傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā),通常是從概念設(shè)計到圖樣,再制造檢驗產(chǎn)品,通常稱為正向工程(ForwardEngineering)。對每一個零件來說,其正向工程的流程如圖5-11所示。2.逆向工程逆向工程(ReverseEngineering)也稱為反求工程、反向工程等。逆向工程起源于精密測量和質(zhì)量檢驗,它是設(shè)計下游向設(shè)計上游反饋信息的回路廣義的逆向工程包括形狀(幾何)逆向、工藝逆向和材料逆向等諸多方面,是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。通常所說的逆向工程即指對幾何形狀的逆向,稱為實物逆向工程,是將實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。這種從實物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)字模型并制造得到新產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù),已經(jīng)成為CAD/CAM系統(tǒng)中的一個研究及應(yīng)用熱點,并發(fā)展成為一個相對獨立的領(lǐng)域。圖5-12所示為逆向工程流程圖。逆向工程是隨著計算機CAD/CAM技術(shù)與測量技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)和發(fā)展起來的。20世紀90年代,逆向工程技術(shù)受到了各國工業(yè)和學(xué)術(shù)界的高度重視,成為CAD/CAM領(lǐng)域的一個研究熱點。目前逆向工程已發(fā)展成為CAD/CAM系統(tǒng)中的一個相對獨立的研究分支,其相關(guān)領(lǐng)域包括幾何測量、圖像處理、計算機視覺、幾何造型和數(shù)字化制造等。計算機的高度集成以及先進的測量技術(shù),使得逆向工程中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、曲面造型及實物造型成為可能。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,逆向工程技術(shù)和先進制造技術(shù)的結(jié)合日趨緊密,如20世紀80年代初發(fā)展起來的快速原型技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的異地設(shè)計及制造技術(shù)等,在產(chǎn)品設(shè)計和制造階段都需要逆向工程技術(shù)的支持。同時,逆向工程技術(shù)也和計算機輔助檢測、輔助設(shè)計、輔助制造以及計算機輔助工程分析密切相關(guān)。逆向工程成功應(yīng)用的關(guān)鍵不僅在于一個計算機輔助子模塊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的計算機集成程度?？梢哉f,逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE等先進的計算機輔助技術(shù)集成應(yīng)用的一個典型例子,也是計算機集成制造系統(tǒng)研究的一個分支。產(chǎn)品的數(shù)字化和三維模型重建是逆向工程的兩項關(guān)鍵技術(shù),有關(guān)逆向工程建模方法的研究主要也集中在這兩個方面。得到CAD模型后,其下游過程主要是利用成熟的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的強大功能,組成一個完整的檢測、設(shè)計、分析和制造系統(tǒng),這也體現(xiàn)了集成的逆向工程系統(tǒng)。如果將CAD/CAM先進制造技術(shù)看作正向技術(shù),則逆向工程技術(shù)與它的區(qū)別有兩點:一是實物外形的數(shù)字化;二是基于離散測量數(shù)據(jù)的三維模型重建。幾何模型建立后,其下游的過程基本與正向技術(shù)相同。圖5-13所示是逆向工程與計算機輔助產(chǎn)品開發(fā)過程。簡單地,只要將實物數(shù)字化、模型重建與現(xiàn)有的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)相連接,即可構(gòu)成集成逆向工程系統(tǒng)。從功能和應(yīng)用的目標(biāo)考慮,一個完整的集成逆向工程系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特點和要求：(1)逆向工程與CAD/CAE/CAM系統(tǒng)采取一種柔性集成的方案,支持不同應(yīng)用的要求。(2)實物的數(shù)字化(包括模型檢測)應(yīng)在技術(shù)指導(dǎo)下完成。(3)系統(tǒng)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型。(4)支持異地過程。二、車身逆向工程系統(tǒng)逆向工程系統(tǒng)主要由三部分(或三個子系統(tǒng))組成:產(chǎn)品實物幾何形狀的數(shù)字化及數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、模型重建子系統(tǒng)、產(chǎn)品或模具制造子系統(tǒng)。圖5-14所示是集成逆向工程系統(tǒng)框架。數(shù)字化及數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的任務(wù)是規(guī)劃、測量和數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換。模型重建子系統(tǒng)主要包括模型重建、模型分析、模型評價等模塊,其功能包括從測量點云重建曲面模型、實體結(jié)構(gòu)設(shè)計和重建模型評價等。產(chǎn)品或模具制造子系統(tǒng)主要是加工制造設(shè)備,包括各種機床和快速成型機等。組成逆向工程系統(tǒng)的設(shè)備和軟件主要包括:(1)坐標(biāo)測量機。是進行實物數(shù)字化的關(guān)鍵設(shè)備。(2)數(shù)據(jù)處理軟件。由坐標(biāo)測量機得到的外形點云數(shù)據(jù)在進行CAD模型重構(gòu)之前,必須進行格式轉(zhuǎn)換、噪聲點濾除、數(shù)據(jù)精簡、多視測量數(shù)據(jù)對齊、點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)定位和對稱基準重建等處理。(3)模型重構(gòu)軟件。如Imageware、ICEMSurf、Pro/ENGINEER、CATIA、NX等軟件,還有產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件,以及支撐軟件的硬件平臺個人計算機和工作站等。(4)CAE軟件。用于計算機輔助工程分析,包括機構(gòu)運動分析、結(jié)構(gòu)仿真、流場及溫度場分析等,目前流行的分析軟件有Ansys、MSCNastran、ADAMS、Moldflow等。(5)快速成型機。產(chǎn)生模型樣件,按制造工藝原理分為立體光刻、分層實體制造、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積造型、三維噴涂粘結(jié)、焊接成型和數(shù)字累積成型等方法。(6)NC加工設(shè)備。用于零件原型和模具的制作。(7)產(chǎn)品制造設(shè)備。包括各種注塑成型機、扎出機、鈑金成型機等。三、車身逆向工程流程車身逆向工程的一般步驟為:(1)前期準備。對產(chǎn)品進行剖析,確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要特征、合理的建模順序和設(shè)計的整體思路。(2)數(shù)據(jù)獲取。即應(yīng)用坐標(biāo)測量機對車身、車身零件或模型進行測量。在車身逆向工程中,多采用非接觸式的光學(xué)坐標(biāo)測量機,測得被測件的點云數(shù)據(jù),并存儲為標(biāo)準的文件格式*.asc或*.stl等。(3)數(shù)據(jù)處理。包括噪聲點的剔除、點云數(shù)據(jù)的精簡、點云數(shù)據(jù)的車身坐標(biāo)定位等。(4)曲面模型重構(gòu)。這個過程一般分為點云的分塊、基礎(chǔ)曲面的構(gòu)建、過渡曲面的構(gòu)建、曲面質(zhì)量分析、表面模型的完善等。(5)實體結(jié)構(gòu)設(shè)計。(6)零件實物模型的制作。曲面模型的重構(gòu)是車身逆向工程中的關(guān)鍵步驟。車身逆向工程中構(gòu)建A級曲面的方法與步驟為:(1)先用階數(shù)較小的曲面進行擬合,一般是4×4階曲面,這樣就能較容易地調(diào)整出一個較為近似的曲面。曲面擬合時可以給定一定的邊界約束條件。(2)若4×4階曲面不能很好地擬合點云數(shù)據(jù),則采用提高曲面階數(shù)的方法來提高曲面的擬合精度。(3)精細調(diào)整曲面時,應(yīng)該將曲面上所有的橫向、縱向網(wǎng)格線投影到不同平面上,調(diào)整均勻合理分布,以生成高質(zhì)量的曲面。(4)單個曲面生成后,對相鄰曲面進行匹配處理,以生成曲率連續(xù)的曲面組。(5)采用各種曲面質(zhì)量檢查工具判斷曲面的生成質(zhì)量,以便做出相應(yīng)的修改來滿足技術(shù)要求。(6)對曲面進行修剪處理,以生成給定大小與范圍的曲面形狀與邊界。目前利用車身逆向工程技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計主要有兩種方式:一種是由造型師設(shè)計制作的產(chǎn)品油泥模型,經(jīng)坐標(biāo)測量機將模型數(shù)字化,得到測量點云數(shù)據(jù),再建立CAD模型;另一種是針對已有的產(chǎn)品實物零件(通常是國內(nèi)外一些最新的設(shè)計產(chǎn)品),這種產(chǎn)品逆向設(shè)計方法也就是我們通常所說的仿制。在產(chǎn)品的逆向工程技術(shù)中,經(jīng)過數(shù)字化測量和模型重構(gòu),獲得了產(chǎn)品的數(shù)字化模型,這個數(shù)字化模型和CAD技術(shù)為產(chǎn)品的再設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計提供了實現(xiàn)基礎(chǔ)和一個支持平臺。四、快速原型技術(shù)在車身CAD中,快速原型技術(shù)主要用于對車身及其零件的造型效果的真實評價。1.快速原型技術(shù)的概念快速原型(RapidPrototyping,簡稱RP)技術(shù)是一種集機械、電子、光學(xué)、材料等多學(xué)科為一體的新型綜合制