汽车底板设计Word文档格式.docx
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单就车身产品而言，也走过了一条“技术引进——自我开发——联合设计”的道路，并向自主开发的方向努力。
近年来，随着轿车需求量的急剧增加，车身设计技术的应用也得到了高度重视，设计手段也变得更加丰富。
整体上讲国内车身设计技术状况具有如下几个特征：
（1）目前，国内主要设计单位的设计技术水平已经达到了全面三维设计的程度。
（2）部分设计单位初步具备了自主开发能力。
（3）产品开发流程和设计规范得到了提高和完善。
因此，国内设计技术水平和开发能力不断提高，正逐步缩短与世界先进水平的差距，但是设计技术的综合实力仍受创新技术的方法、设计经验和数据的积累、软硬件环境等三大因素的制约和影响。
由于我国自主开发的车型不多，在设计经验和数据积累方面的基础还相当薄弱，这将直接影响技术方案的优化，导致产品开发质量的低下。
中国汽车要想进步与真正强大离不开自主品牌，在中国汽车工艺发展的这几十年内，自主品牌在产品质量、工艺技术均已有一定高度，但惟独汽车设计仍处摸索期。
利用车身点云扫描以及车身逆向工程的方法来借鉴与模仿一款国外成熟车型是现今自主品牌车企主要的设计思路。
而且主要由以下表现形式：
（1）与国外企业的合资合作关系，比如华晨中华造型和德国宝马，这是建立在早年华晨与宝马合资合作的基础上，没有涉及知识产权的问题。
这种做法可以算作是合法的模仿。
（2）国外设计公司热，尤其是意大利著名设计公司，而国内厂商不约而同选择同一家设计公司，各个设计公司在设计中都包含了其自身的设计元素设计风格，因此出自一家的设计就出现了一定程度的相似。
（二）国外汽车车身设计发展现状目前国外先进的汽车车身设计大致分为概念酝酿阶段、概念设计阶段、工程设计阶段、设计验证阶段。
当然这几个阶段不是完全独立的，而是相互交叉，同步进行的，这样就能大大缩短新产品的开发周期。
在概念酝酿阶段，设计公司通过对市场进行调查研究，分析市场的容量，确定产品的定位和成本价格；
同时通过市场诊断确定竞争车型，在此基础上，确定新车型的设计基准和设计目标。
概念设计阶段包括外部和内部造型的手工效果图设计、外部和内部的计算机辅助造型设计（CAS）、1：
1的外部和内部模型的制作、外部和内部验证模型的制作、主模型的制作等。
工程设计阶段目前基本上都采用流行的“并行工程”。
所谓“并行工程”就是设计公司、生产厂家、零部件供应商、模具制造商共同参与开发工作，在工程设计开始就。
进行零部件设计、模具设计、生产线的改造等，可以大大地缩短开发周期。
虽然在设计过程中，大量采用CAES行模拟计算，可以有效地验证设计结果，但最终的验证只能通过实车试验来完成。
因此设计验证阶段包括样车的试制和试验两个环节。
制作样车的零件通过制作简易模具和快速成型获得，材料和加工工艺与实际生产时保持一致。
样车试验包括扭转和弯曲强度试验、空气动力学和风噪声试验、前碰试验、后碰试验、侧碰试验、可靠性试验、基本性能和道路试验等，通过试验来验证设计是否满足法规和设计的要求。
我国未来在汽车车身领域的发展趋势主要就是引入国外的设计公司普遍采用流行的“并行工程”设计方法,从而摆脱目前的逆向设计方法，真正实现汽车产品的自主品牌设计研发，打造中国品牌。
二、逆向工程概述
（一）逆向工程定义
“逆向工程”，也称反求工程、反向工程等，它起源于精密测量和质量检测。
广义上的逆向工程是消化、吸收先进技术的一系列工作方法的技术组合，是一门跨学科、跨专业的、复杂的系统工程。
它包括影像逆向、软件逆向和实物逆向等三方面。
目前，大多数关于逆向工程的研究主要集中在食物的逆向重构上，即产品实物的CAD模型重构和最终产品的制造，被称为“实物逆向工程”。
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。
在这一意义下，“实物逆向工程”（简称逆向工程）可定义为：
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，是将已有的产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。
（2）逆向工程的应用在产品造型日益多元化的今天，逆向工程已成为产品开发中不可或缺的一环，其应用范围主要包括：
（1）在对产品外形的美学有特别要求的领域，为方便评价其美学效果，设计师广泛利用油泥、粘土等材料进行快速且大量的模型制作，将所要表达的意向以实体的方式表现出来，而不是采用在计算机屏幕上显示缩小比例的物体投影视图的方法。
此时，如何根据造型师制作出来的模型快速建立三维CAD模型，就必须引入逆向工程技术。
（2）当设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通过采用逆向工程的方法，比如在航空航天、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学的要求，首先要求在实体模型、缩小模型的基础上经过各种性能测试建立符合要求的产品模型。
此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的，最终确认的实验模型必须借助逆向工程，转换为产品的三维CAD模型及其模具。
（3）在没有设计图纸或者设计图纸不完整，以及没有CAD模型的情况下，通过对零件原型进行测量，形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据生成数控加工的NC代码或快速原型加工所需的数据，复制一个相同的零件。
（4）在模具行业，经常需要反复修改原始设计的模具型面，以得到符合要
求的模具。
然而这些几何外形的改变却未曾反映在原始的CAD模型上，借助逆
向工程的功能和在设计、制造中所扮演的角色，设计者现在可以建立或者修改在制造过程中变更过的设计模型。
（5）很多物品很难用基本几何形状来表现与定义，例如流线型产品、艺术浮雕及不规则线条等，如果利用通用CAD软件，以正向设计的方式来重建这些物体的CAD模型，在功能、速度及精力方面都将异常困难。
这种场合下，必须引入逆向工程，以降低开发难度，加速产品设计。
（6）逆向工程在新产品开发、创新设计上同样具有相当高的应用价值，为了研究上的需要，许多大企业也会运用逆向工程协助产品研究。
利用逆向工程技术，可以直接在已有的国内外先进的产品基础上，进行结构性能分析、设计模型重构、再设计优化与制造，吸取并改进国内外先进的产品和技术，极大地缩短产品开发周期，迅速占领市场。
（7）逆向工程也广泛用于破损文物、艺术品的修复，或损坏零件的供应等。
此时，不需要复制整个零件，只是借助逆向工程技术抽取原来零件的设计思想，用于指导新的设计。
（三）逆向工程系统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测量（CAT、辅助设计（CAD、辅助制造（CAM以及计算机辅助工程分析（CAE密切相关。
逆向工程成功应用的关键不仅在于各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技术集成程度。
可以说，逆向工程是CAT/CAD/CAM/CA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（CIMS研究的一个重要分支。
如何将这些技术组成一个整体，即集成逆向工程系统，是逆向工程技术应用研究的一个重要方向。
在逆向工程系统的研究方向，专用逆向软件和其他计算机辅助技术的结合已受到重视，但是，不同系统的数据传输仍需要采取通用数据格式的方式；
在数字化设备与造型软件的集成上，目前进展甚微；
提出的方法大多限于单项的集成研究，即是一种无反馈的集成，集成实现方法主要采取模块化方式，将不同应用功能的子系统和造型系统组合连接，这样的集成方法存在以下问题：
（1）数字化过程仍是一种孤立的行为，数字化过程没有考虑后续的模型重建、分析、重建等下游需求；
（2）数据模型不统一；
（3）由于测试手段、商品化CADS统（包括专用逆向软件）以及加工制造手段的多样性，很难有一种适应上述不同手段的集成逆向工程系统。
1.逆向工程系统框架组成逆向工程的思想最初设计来自从油泥模型到产品实物的设计过程。
除此之外目前基于实物的逆向工程应用最广泛的还是进行产品复制和仿制，尤其是产品的外观设计，因为不涉及复杂的动力学分析、材料、加工热处理等技术难题，相对容易实现。
目前，基于CAD/CA系统的数字扫面技术为实现逆向工程提供了有力的支持，在完成数字化扫描、实物的3D模型重建之后，通过NC加工就能快速地制造出模具，最终达到所需的产品。
这个过程已成为我国沿海地区许多家用电器、玩具、摩托车等产品企业的产品开发及生产模式，但这只是对国外产品的简单复制和仿制，只是简单的照抄和照搬，从严格意义上来说，这不等于逆向工程。
随着计算机辅助几何设计的理论和技术的发展和应用，以及CAD/CAM/CAE集成系统的开发和商业化，产品实物的逆向设计首先通过测量扫描以及各种先进的数据处理手段获得产品实物信息，然后充分利用成熟的CAD/CAM技术，快速、
准确地建立实体几何模型，在工程分析的基础上，数控加工出产品模具，最后制成产品，实现从产品或模型---设计---产品的整个生产流程。
具体系统框架及流程如图所示。
从逆向工程系统框架图中可以看出，逆向工程系统主要由三部分组成：
产品实物几何外形的数字化子系统、三维CAD模型重建子系统、产品或模具的制造子系统等。
2.产品实物几何外形的数字化子系统
产品表面数字化又称为数据测量，是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据，在此基础上，就可以进行负载曲面的建模、评价、改进和制造。
因而，高效、高精度地实现样件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一，是逆向工程中最基本，最不可缺少的步骤。
数据获取在产品设计师与逆向工程及CAD/CAM/CAE/RP/CNC间扮演着桥梁的角色。
可以认为，数据测量是逆向工程的基础，测量数据的质量与最终模型的质量密切相关，直接影响到整个工程的效率和质量。
实际应用中，常发生因模型表面数据获取的问题而影响重构模型精度的情况。
因此，如何取得较佳的物体表面数据，一直是逆向工程的一个主要研究内容。
目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。
测量方法的选用是逆向工程中一个非常重要的问题。
不同的测量方法，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，还使得测量数据类型及后续处理方式不尽相同。
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以分为两大类，即接触式与非接触式。
根据测头的不同，接触式又可以分为触发式和连续式；
非接触式按其原理不同，又可以分为光学式和非光学式。
其中，光学式包括三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、
激光衍射法等。
而非光学则包括CT测量法、MRI测量法、超声波法和层析法等。
3.测量数据的输出
测量设备都带有自己的测量数据处理软件或集成其他逆向工程软件，对测
量后的数据进行简单的预处理，入数据的删减、对齐、点云的修补、无差点的识别和去除等，然后将处理好的数据以某种格式输出，为后面的实物的三维CAD
模型或产品或模具制造做准备。
测量得到的数据可分为有序点（扫描线点云）、散乱点和网格化点三种类型。
机械三坐标测量机测量的脊背上都是有序点数据。
这类测量数据的点云由一组扫描线组成，描线上的所有点都位于平面内，在逆向工程软件中有专门针对这类数据的处理命令，女口Pro/ESCANTOOL的INDEPENDENGEOMETRY以从扫描线直接生成曲线。
如图1-3所示为ATOS测量系统测得的散乱数据，是由数字、激光成像的三坐标测量数据大都是大批量、无序的点云数据，这类测量数据的特点是没有明显的几何分布特征，成散乱无序状态。
另一类由莫尔等高线测量、工业
图1-3
CT层切法、核磁共振成像测得的点云数据，与上面的两种类型的数据点有所不同，其测量点分布在一系列平行平面内，用小线段将同一平面内的距离最小的若干相邻点依次连接，形成一组平面三角数据。
完成数据获取后，获得的点云数据和处理过的数据（如网格化），通常还需
要输入到专用或通用逆向工程软件中进行数据后续处理。
由于所用扫描设备的不同，会出现不同的文件格式，而本次设计中运用的CATIA软件可以直接导入STLASCII、IGES等多种文件格式。
（3）三维CAD莫型的重建子系统在逆向工程中，由于后续的产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要CAD数学模型的支持，这些应用都不同程度地要求重建的CAD模型能准确地还原实物样件，所以实物的三维CAD模型重建是整个过程最关键、最复杂的一环，其模型重建流程如图，从流程图可以看出整个环节具有工作量大、技术性强的特点，因此，对如何快速、准确地实现模型重建，国内外都进行了大量的研究。
1.逆向工程商品化软件伴随着逆向工程及其相关技术的理论研究的深入进行，其成果的商业应用也逐渐受到重视，而逆向工程技术的工程应用的关键是开发专用的关键是开发专用的逆向工程软件及结合产品设计的结构设计软件。
迄今为止，在国际市场上出现了多个专业逆向工程商品化软件系统，主要由
Imageware、CopyCADGeomagic及RapidForm四大软件。
通用CAD软件中，主要是CATIAUGPro/E。
本设计中应用的是CATIA软件，CATIA是由法国达索系统公司开发的大型CAD/CAE/CA应用软件，在世界CAD/CAE/CA领域中处于主导地位。
CATIA被广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子、电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，满足了工业领域各类大、中、小型企业的需要。
包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰、本田、丰田等著名企业都选择了CATIACATIAV5的数字曲面编辑模块（DigitizedShapeEditor）和快速曲面重塑模块（QuickSurfaceReconstruction）是逆向工程的专用模块，可以提供多种格式的点云输入和输出数据，除了具有对点云数据进行处理的功能外，还提供了强大的曲面、曲线直接拟合功能，由于植入了STYLER的算法，CATIA的POWERIT功能比专用逆向工程软件Imageware的FITFREEFROM要强大很多，在精度要求0.3-0.5mm，且点云质量较好的情况下CATIAFIT出的面比ImagewareFIT出的面要好得多，只是人工控制能力稍差，但对于精度要求不高（0.3-0.5mm）的情况下已经完全可以把握。
对曲面与测量的点的偏差大于0.1mm的CLASSX曲面，CATIAV5完全可以胜任，因此通过CATIA软件进行曲面
重构可以满足大部分产品设计的要求，通过CATIA软件进行三维CAD莫型的重建是本设计的重点。
2.人员
目前成熟的逆向工程莫型重建方法根据数据类型、数据来源、造型方式和曲面表示可分为：
（1）按数据类型分为有序点和散乱点的重建；
（2）按测量机的类型分为基于CMM激光点云、CT数据和光学测量数据的重建；
（3）按造型方式分为基于曲线的莫型重建和基于曲面的直接拟合；
（4）按曲面表示方法分为边界表示、四边B-样条表示、三角面片和三角网格表示的莫型重建等。
一个有经验的逆向工程人员，在莫型重建之前，应详细了解莫型的前期信息和后续应用要求，然后做出判断选择合理的逆向重建方法、设计方案和进程规划。
设计人员需要了解的前期信息包括实物样件的几何特征、数据特点（类型、完整性）等；
后续应用包括结构分析、加工、制作莫具、快速原型等，以选择正确有效的造型方法、支撑软件、莫型精度和莫型质量。
一般而言，产品外形的CAD莫型是由多张不同几何形状的曲面经过延伸、过渡、裁剪等混合而成，而每一种曲面都有其特性和生成方式。
因此，在应用逆向工程技术重构出产品的原CAD莫型的过程中，单纯使用某种曲面生成方法是无法完成整个莫型的重构，应该根据此产品外形的几何特征，选择适当的处理方法，方可较好地得到原产品的几何形状，以满足产品外形的几何特性。
因此，逆向工程技术的应用仍是一项专业性很强的工作，各个过程都需要有专业的人才，需要经验丰富的工程师，特别是对三维莫型重建人员有更高的要求，除需了解产品特点，制造方法和熟练使用CAD软件、逆向造型软件外，还应熟悉上游的测量设备，甚至必须参与测量过程，以了解数据特点，还应了解下游的制造过程，包括制造设备和制造方法等。
（4）产品或莫具的制造
在完成实物的CAD莫型重建后，可以在CAD软件中进行模具设计模块中进行莫块设计。
通过数控加工制造原型，也可以利用快速技术来制造原型和莫具，方面为模型的修改和再设计提供实物样品，另一方面，对一些材料制造的零部件，还可以直接制造出产品的模具。
这样做，可以避免机械加工的长周期和复杂的工艺设计，为产品的快速开发和制造提供有效的工具支持。
整个逆向工程的基本过程即已完成。
三、汽车底板的逆向造型过程
（1）CATIA逆向工程建模基本流程
一般产品的建模应该满足下面产品设计的主要的要求：
（1）数学模型的精度误差满足用户可交付要求；
（2）曲面内在的质量要求，如曲面的连续性要求，光顺性要求等；
（3）曲面连续过渡的质量要求，如不能出现尖角等；
（4）过渡曲面的流动路径要求；
（5）曲面或局部协调性和对局部特征分界的合理性；
（6）工程制造标准的要求；
（7）模具拔模的工程制造符合性要求；
（8）设计、质量和验证审核的可行性。
CATIA逆向工程是工程建模的一种方法，生成的数学模型也应符合一般产品建模的基本要求，产品设计和检验流程遵循逆向工程建模的一般过程，即由扫描点云——特征线——面——实体模型。
（2）CATIA逆向工程的特点
由于CATIA软件强大的集成优势，CATIA逆向各模块的相互结合，使得CATIA逆向工程有自己的特点：
（1）点及点云数据处理的高效率。
（2）可以构建ClassA曲面（CATIAFS模块及AutomotiveClassA模块）。
（3）可以根据需要快速构建ClassB曲面（CATIAQSR莫块）。
（4）GSD莫块曲面功能强大，并可进行可行性分析。
（5）多样化检测工具（曲率分析、连续分析、距离分析等）。
（6）三角网格曲面直接进行3轴加工（SMGI块）。
（7）以DMUSPA寸数位模型进行空间干涉检测。
（3）CATIA用于逆向工程的主要模块功能简介
从CATIA逆向工程流程中，用于逆向工程中的模块主要有：
DSE（Digitized
ShapeEditor数字编辑器）模块；
QSR（QuickSurfaceReconstruction快速曲面重构）模块；
GSD（GenerativeShapeDesign通用曲面造型）模块；
FS（Freestyle自由曲面造型）模块；
PartDesign（实体造型）模块等五个模块。
1.DSE（DigitizedShapeEditor数字编辑器）模块
（1）此模块在CATIA逆向工程中的主要功能：
导入点或点云数据预处理点云数据包括点云的过滤、删减、空洞修补、对齐、合并等点云三角面片网格化点云剖面生成扫描线由扫描线生成特征线或线框
误差检测
（2）此模块应用流程
点资料的整理，为曲面重构做准备三角网格曲面划分后可直接进行3轴加工或快速成型点云与重构的曲面做误差检测和控制
三角网格曲面划分后可直接进行DMI空间分析检测
2.QSR（QuickSurfaceReconstruction快速曲面重构）模块
（1）此模块在CATIA逆向工程中的主要主要功能：
应用快速曲面重建模块（QSR及数字编辑器（DSE可以快速、轻易地重构精准曲面（ClassB曲面）。
（2）此模块的应用流程重构可编辑的高精度曲面划分三角网格面片提取适当的曲面区域以特征边界与局部点云重建自由曲面区域辨别及重构基本几何曲面（平面、球面、圆柱面等）品质检验及误差分析
3.GSD（GenerativeShapeDesign通用曲面造型）模块
（1）此模块在CATIA逆向工程中的主要功能：
将数字编辑器（DSE或快速曲面重建模块（QSR提取或生成的特征线或者线框，在GSD莫式下重新构面，生成高精度和高质量的曲面。
（2）此模块的应用流程
根据做好的特征线或线框，结合产品结构，构造曲面
对部分细节优化
裁剪、合并生成高品质的曲面
（四）汽车底板逆向设计操作过程
1•点云的导入与处理
本文中以此底板工件对逆向设计过程进行细致说明。
如图1-4所示，将点云文件在CATIA中打开，并且在快速曲面重建模块（QSR中的CloudDi
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