某轿车左前轮罩制造误差诊断与调整.docx
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某轿车左前轮罩制造误差诊断与调整
某轿车左前轮罩制造误差诊断与调整
摘要
逆向工程是当今先进制造技术热点之一，可以缩短产品设计和制造周期；有限元分析可以改善产品质量，降低产品成本。
随着现代计算机技术及测量技术的发展，利用CAD/CAM技术，先进制造技术来实现产品实物的逆向设计制造，己成为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。
本文应用这两种技术对某轿车左前轮罩进行逆向造型并进行有限元分析，对其进行误差诊断与调整。
本文介绍了左前轮罩点云的数据采集方法，即采用三坐标测量机对某轿车左前轮罩进行实际测量，并获得点云，对点云进行预处理，利用Catia软件提取标准数模，应用GeomagicQualify软件将扫描点云与标准数模对比，进行误差诊断，应用GeomagicStudio软件完成基于网格的曲面重构方法，获取逆向数模，最后应用ansysworkbench软件对逆向数模进行高级仿真的有限元分析，通过有限元分析结果提出了夹具调整的意见。
可以在夹具上加垫片后来实现左前轮罩的制造更精细。
以达到减少成本，并在实际中得到应用。
关键词:
逆向工程；标准数模；有限元分析；轿车左前轮罩；夹具调整
1绪论
1.1引言
汽车工业代表着一个国家制造业的发展水平，汽车制造业的水平又在很大程度上反映了一个国家的科技和工业化水平。
在发达国家，汽车的普及率已经达到了很高的程度，汽车成为当今社会最主要的交通工具，而中国的汽车人均拥有量远低于发达国家的水平。
正是由于中国巨大的市场和汽车工业对国民经济巨大的推动作用，汽车工业己被国家确定为国民经济的支柱产业之一。
改革开放后，中国汽车工业发展迅速，已经形成比较完善的体系，成为我国的支柱产业。
我国汽车市场被认为是未来最有发展潜力的最大市场。
我国汽车工业在快速发展同时，也存在一些主要明显的问题。
第一方面，产品的自主研发能力薄弱，缺乏自主品牌；第二方面与先进汽车国家相比，技术水平差距还是比较明显；第三方面，就是汽车零部件，技术基础还比较薄弱，长期滞后整车的发展。
因此，产品设计部门在车身零件方面的主要工作是对引进的技术与产品进行消化吸收，转化完善，局部改型等。
在没有产品图样，技术文档，工艺流程等技术资料的情况下，如何在仅有产品原型或实物模型的条件下掌握国外技术并结合现代设计开发技术提高自己的设计能力呢？
正确的途径之一便是逆向工程。
汽车零部件作为汽车工业的基础，是支撑汽车工业持续健康发展的必要因素。
特别是当前汽车行业正在轰轰烈烈、如火如荼开展的自主开发与创新，更需要一个强大的零部件体系作支撑。
整车自主品牌与技术创新需要零部件作基础，零部件的自主创新又对整车产业的发展产生强大推动力，他们是相互影响、相互作用的，没有整车的自主品牌，强大零部件体系的研发创新能力难以迸发，没有强大零部件体系的支撑，自主品牌的做大作强将难以为继。
汽车零部件多为形状复杂，且多为自由曲面，很难用一个解析式来表达，不适合利用CAD直接造型，而采用逆向工程完成汽车零件的设计，可以克服传统零件设计缺点。
1.2逆向工程及其研究现状
1.2.1逆向工程概述
逆向工程，有的人也叫反求工程，英文是reverseengineering。
逆向工程（reverseengineering）大意是根据已有的东西和结果，通过分析来推导出具体的实现方法。
比如你看到别人写的某个.exe程序能够做出某种漂亮的动画效果，你通过反汇编、反编译和动态跟踪等方法，分析出其动画效果的实现过程，这种行为就是逆向工程；不仅仅是反编译，而且还要推倒出设计，并且文档化[1]。
逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。
传统的产品开发流程遵从一种预定的顺序模式，即从市场需求抽象出产品的功能描述（规格及预期指标），然后进行概念设计，在此基础上进行总体及详细的零部件设计，制定工艺流程，设计工装夹具，完成加工及装配，通过检验及性能测试，这种开发模式一般称为顺序工程或正向工程[2，3]。
概括地说，顺向工程是从未知到已知，从想象到现实的过程。
而产品的逆向工程，则是将己有的产品模型或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对己有产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计。
逆向工程流程如图所示[4]。
图1.1逆向工程流图
1.2.2逆向工程国内外的研究现状和发展趋势
逆向设计发源于国外，做的比较好的国家和地区有美国，西欧，韩国，日本，台湾等。
最近几年，在研究深度和应用广度方面，都有很大的进展，特别是在商业软件的应用开发方面，国外做出了很多的成就，广为人知的有美国RainDrop公司的GeoMagic,EDS公司开发的imageware,英国DELCAM公司开发的CopyCAD,以及韩国INUS公司开发的RapidForm。
与国外相比，国内研究起步晚，经费投入少，限制了高水平的开展，创新性的研究不多，在世界学术领域，还没有形成较大的影响力。
已知的较早从事逆向工程研究的单位多为高等院校，较有代表性的有西安交通大学CIMS中心的面向CMM的逆向工程测量方法和基于线结构光视觉传感器的光学坐标测量机的研究，上海交通大学国家工程模具中心的集成系统和自动建模技术，浙江大学生产工程研究所的三角面片建模，南京航空大学CAD/CAM工程研究中心的基于海量散乱点三角网格面重建和自动建模方法，华中科技大学的曲面测量与重建，和西北工业大学的数据点处理等[5]。
为数不多的论文散见于计算机应用，机械工程等类学位论文，会议及杂志上。
在应用研究上，除一些实验室的小型软件外，自主开发的商用逆向软件仅有浙江大学生产工程研究所的反求工程CAD软件RE---SOFT和西北工业大学的实物测量造型系统NPU---SRMS，由于缺乏自主的CAD/CAM软件的支撑，以及逆向工程的上游测试设备和下游应用（CAD/CAE/CAM）基本为国外产品，使用国产软件产品在设备接口，数据转换和应用上一直滞后于相关产品，开发的软件显得势单力薄，与国外软件相比处于竞争的劣势。
逆向工程技术是20世纪80年代初分别由美国3M公司、日本名古屋工业研究所硕士论文后舱门的逆向设计和有限元分析以及美国U丫P公司提出来的，进入20世纪90年代以来，逆向工程被放到大幅度缩短产品开发周期和增强企业竞争能力的主要位置上。
目前逆向工程的技术研究主要包括数据获取、数据预处理以及曲面重构[6]。
逆向工程的研究已经日益引人注目，在数据处理，曲面片拟合，几何特征识别，商用专业软件和坐标测量机的研究开发上已经取得了很大的成绩，但是在实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互工作。
操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，自动重建曲面的光顺性难以保证。
下面一些关键技术将是逆向工程主要发展发面：
1、数据测量发面：
发展面向逆向工程的专用测量设备，能够告诉，高精度的实现产品几何形状的三维数字化，并能进行自动测量和规划路径：
2、数据的处理方面：
针对不同种类的测量数据，开发研究一种通用的数据处理软件，完善改进目前的数据处理算法；
3、曲面拟合：
能够控制曲面的光顺性和能够进行光顺拼接；
4、集成技术：
发展包括测量技术，模型重建技术，基于网络的协同设计和数字化制造技术等的逆向工程技术：
5、逆向工程于有限元分析技术的集成将是逆向工程技术发展的趋势之一[7]。
1.2.3逆向工程的应用
1、样本零件几何型面原始数据的获取。
运用LACUSE150B激光扫描仪直接从模型中以CCD（光电偶合）方式获取点数据。
2、对采集到的数据进行必要的过滤与修正，剔除测量过程中由于各种因素及样本零件表面缺陷而造成的误差，从而获得构建样本零件原始几何模型的数据。
3、对所测得的数据进行必要的数学拟合，为进一步造型提供基础数据。
4、由于样本的使用时间长，已发生了某些变化，因此在对零件应用功能充分理解的基础上，通过再设计对样本零件的原始数据作必要的修正，并产生一个新的零件几何数字模型。
5、利用生成的数字模型进行零件的手板制作。
6、对手板零件进行几何形状与应用功能的检验，如果效果不好，根据实际情况，用工业油泥在手板零件的基础上进行手工完善，再利用激光扫描重新获取模型数据。
重复步骤3、4的工作。
7、进行复制零件模具的加工制造，利用数控机床进行复杂曲面的加工[8]。
8、在对模具进行试模后，对泵体零件进行几何形状与应用功能的检验。
1.3课题来源目的及意义
1.3.1课题来源
本课题来源于实际项目，为沈阳华晨汽车股份公司的A4轿车提供车身制造误差的检测与控制。
1.3.2课题研究的目的及意义
本文课题以某轿车左前轮罩为研究对象，应用逆向工程方法建立其适合的cad模型并对其进行有限元分析，对其重构外形曲面，通过误差诊断，对其制造夹具提出调整方案，可以节省大规模制造时间，减少制造成本，为企业获得很好的经济效益和社会效益，并为企业生产其他零部件起到借鉴作用。
通过逆向工程,在消化、吸收先进技术的基础上,建立和掌握自己的产品开发途径,继而进行创新设计。
1.4小结
本章介绍了本课题要做的任务是某轿车左前轮罩的制造误差诊断和调整，逆向工程国内外的研究现状和发展趋势。
课题的来源和课题研究的目的及意义。
2总体方案设计
2.1方案流程图
2.2方案具体步骤
1、扫描左前轮罩及相关冲压件，获取点云；
使用学校提供的照相式三维扫描仪对某轿车左前轮罩进行数据采集；
2、将扫描点云与标准数模对比，进行误差诊断；
在CATIA环境下提取标准数模，与点云进行对比。
应用对比软件GeomagicQualify12将汽车左前轮罩的标准数模与点云对齐，然后进行对比，查看标准数模点云的误差，从而进行误差诊断；
3、将扫描点云拟合成曲面，获取逆向数模；
使用GeomagicStudio软件构造逆向数模，具体步骤包括取出体外孤点，删除噪声点，数据平滑处理。
将曲面修改成具有光顺性、连续性；
4、对逆向数模进行有限元分析，参考误差诊断结果提出夹具调整建议。
利用有限元分析软件ANSYS对右前轮罩进行位移约束，对得出的结果进行分析，最后得出修改意见。
2.3小结
本章概括简要介绍了该课题的主要内容，重点介绍了所应用的软件，总结出工作流程简图。
对设计过程进行了简单的分析。
3左前轮罩零件的扫描
3.1逆向工程数据采集系统简述
随着计算机和CAD技术的迅速发展,以测量技术为基础、曲面重构技术为支撑的逆向工程在汽车工业的产品开发中得到了广泛的应用。
逆向工程又称反求工程,主要包含2项内容:
一是实物模型的数据采集；二是数字模型的建立。
数据采集是逆向工程的首要环节,是反求建模的理论依据.采集数据的精度和速度直接影响产品的质量和开发效率等.准确、快速、完备地获得产品的三维几何数据,是逆向工程的一项关键技术。
数据采集技术随着逆向工程的广泛应用不断发展,从最初的接触式测量,发展到光学、磁学等非接触式测量,直到新近开发的组合测量等。
如今用于数据采集的测量机种类繁多、测量精度、测量速度各不相同。
因此,对于不同类型的实体及数据采集的不同阶段选用测量机都应做到有的放矢,合理利用资源,以利用最低成本实现最优目标点采集。
主要研究的是运用三坐标机采集数据并进行数据处理的过程。
逆向工程数据获取方法分类如图3.1所示[9]。
图3.1数据获取方法分类
3.2零件扫描设备
本课题采用的点云扫描设备是学校现有的非接触式照相式三维扫描仪。
如图3.2、3.3所示。
图3.2非接触式照相式三维扫描仪
3.3零件扫描方法
图3.3非接触式照相式三维扫描
非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括：
激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等[10]。
非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题，获得的密集点云信息量大、精度高，测头产生的光斑也可以做得很小，可以探测到一般机械测头难以测量的部位，最大限度地反映被测表面的真实形状[11]。
非接触式数据采集方法采用非接触式探头，由于没有力的作用，适用于测量柔软物体；非接触式探头取样率较高，在50次/秒到23000次/秒之间，适用于表面形状复杂，精度要求不特别高的未知曲面的测量，例如：
汽车、家电的木模、泥模等。
但是非接触式探头由于受到物体表面特征的影响（颜色、光度、粗糙度、形状等）的影响较大，目前在多数情况下其测量误差比接触式探头要大，保持在10微米级以上。
该方法主要用于对易变形零件、精度要求不高零件、要求海量数据的零件、不考虑测量成本及其相关软硬件的配套情况下的测量。
总之，在只测量尺寸、位置要素的情况下尽量采用接触式测量；考虑测量成本且能满足要求的情况下，尽量采用接触式测量；对产品的轮廓及尺寸精度要求较高的情况下采用非接触式扫描测量；对离散点的测量采用扫描式；对易变形、精度要求不高的产品，要求获得大量测量数据的零件进行测量时采用非接式测量方法。
3.4零件扫描前处理
3.4.1喷涂着色渗透探伤剂
在左前轮罩上喷涂着色渗透探伤剂，如图3.4所示。
图3.4着色渗透探伤剂
3.4.2贴标记点
在左前轮罩上贴标记点，如图3.5所示。
图3.5标记点
3.4.3数据采集
使用三维扫描仪扫描左前轮罩，得到点云数据，如图3.6所示，点云数据如图3.7所示。
图3.6数据采集
图3.7点云数据
3.5小结
本章介绍了点云数据的采集系统，分别介绍了两种仪器，着重介绍了本课题应用的非接触式照相式三维扫描仪，介绍了应用非接触式照相式三维扫描仪采集点云数据的过程，并得到左前轮罩的点云数据。
4左前轮罩的误差诊断
4.1软件概述及简介
4.1.1CATIA软件简介
CATIA是法国达索系统公司的CAD∕CAE∕CAM一体化软件，在世界CAD∕CAE∕CAM领域中处于领导地位。
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，适应了工业领域各类大、中、小型企业的需要。
在汽车业，CATIA已成为事实上的工业标准。
世界前20名的汽车企业有18家采用CATIA作为其核心设计软件。
世界上已有超过13000个用户选择了CATIA。
用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰、本田、丰田等著名企业。
波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的零件设计和电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了CATIA在CAD∕CAE∕CAM行业的领先地位。
该软件在曲面设计、实体造型等方面具有独特优势，广泛应用于航空航天工业、汽车制造业等大量涉及复杂外形设计的工作领域。
同时具有强大的逆向设计应用功能，数字化外形编辑器。
模块可以快速、方便地对测量点云进行处理，并勾勒出零件原型的轮廓特征线。
快速曲面重建，模块可以在云点上建立并处理特征线，拟合出满足一定要求的曲面。
创成式曲面设计，模块可以在已建立的轮廓特征线及基本曲面上进一步进行处理，生成更高质量的曲面，完成原型的重建[12]。
CATIA提供了完备的设计能力：
从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATWEB网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块,使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的。
CATIAV5版本的特点：
1、重新构造的新一代体系结构；
2、支持不同应用层次的可扩充性；
3、与NT和UNIX硬件平台的独立性；
4、专用知识的捕捉和重复使用；
5、给现存客户平稳升级。
CATIA是汽车工业的事实标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。
CATIA在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端（endtoend）的解决方案。
CATIA涉及产品、加工和人三个关键领域。
CATIA的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。
4.1.2GeomagicQualify软件简介
GeomagicQualify是Geomagic公司出品的一款逆向校核软件，使用GeomagicQualify可以实现迅速检测产品的计算机辅助设计（CAD）模型和产品的制造件之间的差异，GeomagicQualify以直观易懂的图形比较结果来显示两者的差异，可以应用于产品的首件检验、生产线上或是车间内检验、趋势分析、二维和三维几何形状尺寸标注并可自动生成格式化的报告。
以下是主要功能和应用：
1、短时间内检测产品;
2、获取全部数据进行比较;
3、执行深度的产品评估和过程评估;
4、自动化设计工具使用户可以重复使用已有的检测流程;
5、检测过程的协作;
6、用于蜗轮工程和检测的可选模块[13]。
4.2左前轮罩的误差诊断过程
4.2.1从设计图中提取对应的标准数模
在CATIA环境下提取标准数模，如图4.1所示。
图4.1标准数模
4.2.2导入点云数据与标准数模
将点云数据与标准数模同时导入到GeomagicQualify12中如图4.2所示，导入结果如图4.3所示。
图4.2导入文件
图4.3导入结果
4.2.3创建特征
首先在标准数模上创建2个特征。
如图4.4所示。
图4.4在标准数模上创建特征
图4.4中绿色的圆1和圆2就是在标准数模上创建的特征。
在点云上创建特征，如图4.5所示。
图4.5在点云上创建特征
4.2.4基于特征对齐
选择“基于特征对齐”命令，圆1对圆1创建对，圆2对圆2创建对，然后选择最佳拟合，软件自动将点云与标准数模按特征对齐，如图4.6所示，图4.5中红色的圆1和圆2就是在点云上创建的特征，对齐结果如图4.7所示。
图4.6特征对齐
图4.7基于特征对齐结果
4.2.5误差提取及评价
点云与标准数模对齐后可以利用软件的分析功能，分析左前轮罩的制造误差，可以通过创建注释查看点云与标准数模间存在的误差。
误差分析结果如图4.8所示。
通过创建注释，导出个点的误差，如表格4-1所示。
图4.83D分析结果
表格4-1各点误差诊断分析结果
X
Y
Z
A001
0.052
1.029
0.062
A002
-0.048
-0.939
-0.016
A003
-0.130
-2.632
-0.005
A004
0.908
-1.346
-0.189
A005
0.209
-0.496
-0.064
A006
0.926
-0.844
-0.498
A007
0.192
1.095
0.195
4.3小结
本章主要介绍了本次课题使用的对比诊断的软件GeomagicQualify和导入标准间使用的软件CATIA的主要功能和应用，详细论述了某轿车左前轮罩的制造误差诊断的工作过程，得出了某轿车左前轮罩的3D分析结果，诊断出了制造误差。
5构造逆向数模
5.1GeomagicStudio软件简介
本次课题使用Geomagicstudio8来构造某轿车左前轮罩的逆向数模。
GeomagicStudio是Geomagic公司产品的一款逆向软件，它具有强大的逆向建模功能，在我国已得到广泛应用。
它可根据任何实物零部件通过扫描点点云自动生成准确的数字模型。
作为自动化逆向工程软件，GeomagicStudio还为新兴应用提供了理想的选择，如定制设备大批量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动重造。
GeomagicStudio可以作为CAD、CAE和CAM工具提供完美补充，它可以输出行业标准格式，包括STL、IGES、STEP和CAD等众多文件格式。
该软件遵循点阶段——多边形阶段——曲面阶段的三阶段作业流程，可以轻易地从点云创建出完美的多边形模型和样条四边形网格，并转换为NURBS曲面，建模效率高，同时还提供了多重三维输出格式，方便与多种实体造型软件接口。
新增的Fashion模块和参数化功能可以通过定义曲面特征类型来捕获物理原型的原始设计意图，并与正向软件结合进行参数化逆向建模与再设计，体现了逆向工程技术发展的最新成果。
5.1.1主要功能
1、自动将点云数据转换为多边形（Polygons）；
2、快速减少多边形数目（Decimate）；
3、把多边形转换为NURBS曲面；
4、曲面分析（公差分析等）；
5、输出与CAD/CAM/CAE匹配的档案格式（IGS，STL，DXF等）[14]。
5.1.2主要优势
1、确保用户获得完美无缺的多边形和NURBS模型；
2、处理复杂形状或自由曲面形状时，生产率比传统CAD软件效率更高；
3、自动化特征和简化的工作流程可缩短培训时间，并使用户可以免于执行单调乏味、劳动强度大的任务；
4、可与所有主要的三维扫描设备和CAD/CAM软件进行集成；
5、能够作为一个独立的应用程序运用于快速制造，或者作为对CAD软件的补充。
5.1.3应用方式
GeomagicStudio可满足严格要求的逆向工程、产品设计和快速原型的需求。
借助GeomagicStudio能够将三维扫描数据和多边形网络转换成精确的三维数字模型，并可以输出各种行业标准格式，包括STL、IGES、STEP和CAD等众多文件格式，为用户已经拥有的CAD、CAE和CAM工具提供完美补充。
下面便是GeomagicStudio提供的各种应用方式：
1、全面解决方案；
2、衔接数字和物理世界；
3、利用现有物理现象；
4、多边形网格的处理；
5、CAD系统扩展[15]。
5.2GeomagicStudio构造逆向数模
5.2.1导入点云数据
在GeomagicStudio8中打开之前获取的左前轮罩点云数据，调整好的点云位置如图5.1所示。
图5.1导入点云数据
5.2.2删除体外杂点
选择体外杂点，被选中的点呈红色如图5.2所示，然后用Erase命令删除选中的点，删除结果如图5.3所示。
另外，还可以自动选择去除点。
图5.2选中体外杂点
图5.3删除结果
5.2.3减少噪声点
选择“减少噪声”命令，平滑程度设置为Med，如图5.4所示。
图5.4减少噪声点结果
5.2.4均匀取样
选择“均匀取样”命令，设置间距值为0.7mm，这将去除一些点，剩下的点与点的距离近似为0.7mm，点云的数量由412637降低到302283.如图5.5所示。
图5.5均匀取样
5.2.5封装数据
选择“封装”命令，点云通过三角面片化，进入多边形阶段，结果如图5.6所示。
图5.6封装数据结果
5.2.6填充孔
选择“填充孔”命令，把漏的孔填充上，填充前如图5.7所示，填充后如图5.8所示。
图5.7填充孔前
图5.8填充孔后
5.2.7简化多边形
选择“简化多边形”命令，选择基于“三角形计数”的模式，设置减少到百分比为80%，三角形数由159316减少到127453，如图5.9所示。
图5.9简化多边形
5.2.8砂纸打磨与去除特征
选择“砂纸打磨”任务，可以将不光滑的地方打磨光滑，打磨前如图5.10所示，打磨后如图5.11所示。
图5.10打磨前
图5.11打磨后
5.2.9探测
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