摩托車覆蓋件的三維數字化設計

1、摩托車覆蓋件的三維數字化設計第23卷vo1.23第11期no.11重慶工學院(自然科學)journalofchongqinginstituteoftechnology(naturalscience)2009年11月nov.2009摩托車覆蓋件的三維數字化設計陳旭,徐磊,王喻,賀娜(重慶理工大學,重慶400050)摘要:針對摩托車覆蓋件設計時難度大,精度要求高的情況,闡述了cax產品設計技術在摩托車覆蓋件產品開發(fā)中的重要作用.對三維cad設計,逆向反求設計2種覆蓋件設計方法進行具體介紹,并結合一個典型的逆向反求設計實例介紹了摩托車覆蓋件三維模型的設計.關鍵詞:摩托車覆蓋件;cad設計;逆向反求中

2、圖分類號:u483文獻標識碼:a文章編號:16710924(2009)11000105three-dimensionaldesignofmotorcyclecoverchenxu,xulei,wangyu,hena(chongqinguniversityoftechnology,chongqing400050,china)abstract:inviewofhighdifficultyandaccuracyrequirementindesigningmotorcyclecover,thispaperelaboratestheimportantrolethatcaxproductdesigntec

3、hnologyplaysinthemotorcyclecoverproductdevelopment,introducestwocoverdesignmethods,thethreedimensionalcaddesignandreverseengineeringdesign,andgivesanapplicationexampleofreverseengineeringdesigntointroducethethreedimensionaldesignofmotorcyclecover.keywords:motorcyclecover;caddesign;reverseengineering

4、漂亮的外觀,新穎的款式已經成為消費者購買摩托車時考慮的主要因素之一,而摩托車覆蓋件又是摩托車外觀的主體,直接影響著摩托車的總體視覺效果.但摩托車結構復雜,通常由大量非常復雜的曲面幾何體構成,不但要滿足高的外觀質量要求,還要綜合考慮它們之間的相互裝配關系,與車架的配合,后續(xù)模具的設計以及數控加工工藝等.摩托車覆蓋件的設計一直以來都是摩托車產品設計中的難點.在我國摩托車業(yè)發(fā)展的初期,覆蓋件的設計方法是由曲面設計工程師按尺寸和技術要求在二維圖紙上進行手工繪圖,按圖紙建成油泥或者石蠟的實物模型,然后采用多截面視圖,特征緯線的方法對手工繪制的圖形進行修改,再對實物模型進行修正,此過程要重復數次,甚至幾十

5、次,工作量大,費時,費力,而且設計與加工之間也存在很大的誤差,從而使設計出的覆蓋件的外觀和質量都難以達到預期效果.隨著計算機技術的發(fā)展,尤其是三維cax(cadcamcae等)技術的應用,能夠很好地解決傳統(tǒng)設計方法的弊端,已成為新產品開發(fā)不可缺少的現(xiàn)代技術手段之一卜.收稿日期:20090925基金項目:重慶市教委科研基金資助項目(kj080626);留學人員科技活動項目擇優(yōu)資助項目作者簡介:陳旭(1969一),男,博士后,教授,主要從事數字化產品設計,精益研發(fā)方面的研究2重慶工學院1三維cad設計catia是法國達索公司的品牌軟件,其強大的自由曲面建模功能被廣泛應用于汽車制造,航空航天等行業(yè).

6、另外,ug/nx,pro/e等cad軟件也被廣泛應用于各制造業(yè).針對不同的信息來源(設計思維,二維圖,實物和電子數據)可采取不同的特征方式進行自由曲面建模,但建模方法沒有本質區(qū)別.1.1曲面建模自由曲面又叫表面造型.表面造型是通過在線框模型的基礎上添加面信息.利用表面模型,就可以對物體做刨面,消隱操作,獲得nc加工所需的表面信息等.自由曲面建模的關鍵是曲線的生成,編輯和調整.曲面一旦擬合完后,能做的工作就只剩下裁減,控制邊界處的曲率連續(xù)性,圓角過渡與橋接等.一般不采用曲面控制點編輯,這樣建出的曲面質量很難保證.1.2曲面建模方法1)直紋面.給定2條形狀相似的nurbs曲線,兩者有相同的階次和節(jié)

7、點矢量.將2條曲面上參數相同的對應點用直線連接,構成直紋面.直紋面可以看作是對2條已知邊界曲面的線性插值,它的特點是根據實際曲面的要求生成直紋方向的等參數曲線.2)掃面曲面.掃面曲面在曲面造型中應用很廣泛.它是發(fā)生母線沿導向控制線運動而生成的曲面.根據掃描方向的不同可分為平行掃描,旋轉掃描.在選擇掃描曲面造型時,要根據實際需要選取掃描方式,分析構成曲面的曲線之間的相互關系,方向控制線要平滑,不能有尖點,否則要重新擬合.3)蒙皮面.蒙皮面造型就是采用一定的控制手段使曲面通過一組有序界面曲線進行造型的方法.為了得到較高質量的曲面,要求截面線分布盡量均勻,而且截面線的屬性盡可能保持一致,同時還要注意

8、截面線的有序性.另外,過渡曲面和邊界曲面的應用也很廣泛.在覆蓋件的設計中還經常用到曲面變形與重組,曲面簡化,曲面轉換等.隨著圖形技術和制造技術向一體化,集成化方向邁進,曲面造型技術已經從傳統(tǒng)的研究曲面表示,曲面求交和曲面拼接,擴充到曲面變形,曲面建模,曲面簡化,曲面轉化和曲面等距性各個方面,為覆蓋件的設計拓展了新的空間.2逆向反求設計逆向工程技術是從實物原型樣機或樣件快速獲取三維數字信息和工程信息的一系列的工作方法和技術的總和.逆向工程技術也被廣泛應用于覆蓋件的設計當中.它涉及三維光學掃描,點云處理,曲線的架構及光順,曲面的構建及光順等,其間穿插曲線,曲面的評估i4j.逆向反求設計流程如圖1所

9、示.下面結合一個前大燈設計過程來詳細闡述逆向工程.圖1逆向反求設計流程2.1三坐標測量在測量之前,必須深入地理解實物模型,然后才可能做出切實可行的測量規(guī)劃.三坐標測量機是一種實用,快速的逆向工程系統(tǒng)測量設備,它能根據覆蓋件造型特征及cad建模的需求進行測量,最后將測量數據拼合到整車統(tǒng)一坐標系下.測量規(guī)劃的內容主要包括:基準面的選擇及定位.在選取定位基準時,首先要考慮的因素是測量的方便性及數據獲取的完整性,還要盡可能避免測量死區(qū)的出現(xiàn);測量路徑的確定.測量路徑確定了采集數據的分布規(guī)律及走向,這對于采用由點擬合成的曲線,再由曲線構造曲面的反求方式非常重要;特殊及關鍵數據的測量.對于零件精度及形狀有

10、特殊要求的部位,應該增加測量數據的密度及精度;對于因變形或破損的部位,應在破損部位的周邊增irate.0量數據,以便后續(xù)的造型中將該部分恢復.陳旭,等:摩托車覆蓋件的三維數字化設計32.2點云數據處理點云數據實際上就是密集的散亂點,其特點是數據量大,數據點之問的距離較小.在現(xiàn)行的覆蓋件的曲面數據的測量中,大部分采用的是非接觸式的測量方法,在采集過程中不可避免地引入測量噪聲點.噪聲點即雜點,在設計初期必需清除,為曲線,曲面建構提供整潔的點云.當雜點不多且較明顯時,可以進行手動刪除;對于質量較差的點云可以通過多種濾波命令,根據曲面的趨勢方向和整車坐標系的位置對點云進行平順處理.在一般的數字信號處理

11、中,數據平滑的方法主要有兩大類:一類是空間域方法,一類是頻率域方法.主要的空間域方法有鄰域平均法,中值濾波,多次測量平均等.主要的頻率域方法為低通濾波.在反求工程中,測量數據之間缺乏明顯的拓撲關系,并且數據的分布空間是不均勻的,直接運用這些方法是不適宜的.這里我們利用復合二次插值函數實現(xiàn)對點云數據的平滑.它將復雜曲面看作是由多個二次曲面迭加的結果,即ns(x,y)=ci(xx).一(y一)三1式中:置,為插值數據點坐標;c為待定系數.將數據點代入該式可得系數c.對于數據點p,其鄰域點為n(i=0,m;m為點p的鄰域內點的個數).用,構造一張曲面s(,y),然后,將點p的(x,y)代入曲面方程,

12、求得函數值,用此值修正點p.當對所有的點都進行修正后,就實現(xiàn)了數據的平滑.本文中結合逆向軟件imageware提供的編輯點云工具(如析出點云,刪除雜點,偏置點云和多邊開化點云等),對摩托車覆蓋件原始點云進行精簡,平滑,去噪聲點后所得點云如圖2所示.圖2處理后的點云2.3曲線構造與擬合曲面是由許多曲線構成的,而曲線又是由許多數據點構成,因此,要想重建曲面,必須對曲線進行擬合.曲線構造的難點是輪廓線的提取和曲線的光順.由于光學掃描的點云數據存在客觀局限性,致使在處理點云時不能精確地提取邊界曲線和相交曲線.為了準確地提取輪廓曲線,必須將軟件提供的多種手段綜合使用才能達到較好的效果.理論上樣條越多,擬

13、和出的曲面越接近原始曲面,但構造的曲線越多,隨之產生的工作量就越大,而且當曲線達到一定數目,即使再繼續(xù)增加構造曲線的數量,對擬合出的曲面的質量影響也不大.曲線構造遵循2條原則:一是曲面變化平緩區(qū)域需要的樣條較少,而較復雜,變化趨勢劇烈的曲面需要較多的樣條;二是在需要控制住曲面變化趨勢的地方,一定要有控制住曲面的樣條曲線.在imageware里可以通過對點云進行切片或析出掃描線,再由得到的掃描線來擬合曲線,也可以通過創(chuàng)建3d樣條曲線來生成特征曲線.由點云(圖2)經過重新參數化,延伸,修剪,平順等操作后得到該覆蓋件的特征曲線如圖3.圖3由點云擬合成的特征線光順后的曲線大多數情況下能生成較好質量的曲

14、面,但在一些曲面形狀較為復雜及曲面交匯的地方,需要進行曲面分析.由于摩托車覆蓋件曲面以光順第一,還要有必要的精度,因此,在進行曲面擬合時,應盡量使曲線不扭曲,并使曲線曲率變化盡量平順(應多花些時間在曲線的創(chuàng)建過程中,因為曲線的修改及調整遠比曲面的修改及調整容易得多).由于在曲面的拼接中會出現(xiàn)原始誤陳旭,等:摩托車覆蓋件的三維數字化設計5性等.發(fā)現(xiàn)問題后及時修改設計方案.能夠節(jié)省很多不必要的花費.參考文獻:4結束語圖7覆蓋件的整車虛擬裝配當今數字化和信息化技術已在各行各業(yè)得到廣泛應用,設計正在從二維過渡到三維.對于摩托車覆蓋件的開發(fā)和設計而言,以計算機三維造型為依托的虛擬設計和制造技術已得到普遍應用.實踐證明,計算機輔助技術極大地提高了產品設計質量,縮短了開發(fā)周期,對提高摩托車覆蓋件設計水平具有重要作用e8-91,郭鋼.新產品數字化設計與管理m.重慶:重慶大學出版社,2002.王先逵.計算機輔助制造m.北京:清華大學出版社.2003.柯映林,肖堯先.反求x-程cad建模技術研究j.計算機輔助設計與圖形學,2001(6):99102.吳森.摩托車造型設計m.北京:人民郵電出版社.