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研究生: 詹佳尉
Zhan, Jia-Wei
論文名稱: 應用凸輪運動方程式於汽車造形設計
Cam Motion Equations in Automobile Styling Design System
指導教授: 謝孟達
Shieh, Meng-Dar
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 規劃與設計學院 - 工業設計學系
Department of Industrial Design
論文出版年: 2003
畢業學年度: 91
語文別: 中文
論文頁數: 124
中文關鍵詞: 凸輪運動方程式汽車造型逆向工程曲線合成造型混成
外文關鍵詞: Cam motion equations, Automobile styling, Reverse engineering, Curve composition, Form blending
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  • 本研究主要是發展一套汽車造型設計系統,其原理乃是利用機構學中,凸輪運動曲線方程式參數化特性,來進行汽車造型設計,以協助設計師突破構想發展之瓶頸。機構學在學術界的發展歷史悠久,在史上已有記載的「天工開物」,可說是機構學的史書。但在發展已久的學門中,如何創新原有的學理技術,是傳統學門中重要的課題。本文利用傳統之凸輪運動曲線方程式,應用於汽車造型設計,在文獻中尚未發現相關研究,且為傳統學門中另闢一片天空。
    凸輪運動曲線方程式之特性,具有參數控制之優點,藉由少量的特徵點資料即可將凸輪運動曲線表現出來,本研究就此優勢為出發點,且結合逆向工程的觀念,利用3D SCAN掃描原有之汽車模型,獲得一點群資料且從中擷取特徵點資料,並輸入至模擬系統中重新設計,而藉此少量的控制點,即可對一汽車造型加以描述。當設計師要改變造型形狀時,只需要變更少量之曲線控制點,即可修改至設計師所構想的汽車曲面造型。同時,本研究也將凸輪曲線中的位移、速度、加速度等運動曲線進行合成,以產生較平滑之造型曲線。除此之外,設計師也可將兩組不同汽車造型的控制點進行混成,自動產生具有兩種汽車造型特徵的車型,以擴展設計師的想像空間。
    本研究藉由凸輪運動曲線方程式,應用於汽車造型設計之領域上,不僅可協助設計師有效率地進行汽車造型的構想發展,且可提昇業界在汽車造型設計上之技術能力。所研發的模擬系統,利用功能強大之OpenGL函式庫,提供使用者便利的視覺效果,且提供通用之點資料輸出格式,提高軟體的相容性。藉由此模擬系統,不僅對汽車造型有所貢獻,也可以利用此模擬系統,應用於其他產品造型上之設計,對於工業設計有其重要之意義與貢獻。

    The goal of this research is to develop an automobile styling design system, which uses the characteristic of cam motion equations in mechanisms, to help industrial designers in concept development stages. Mechanisms in mechanical engineering have been studied for a long time. However, how to make some innovative ideas using the ancient technology and knowledge becomes a challenge for researchers. The papers related to the automobile styling design using cam motion equations have not been discovered in the field of mechanical design or industrial design. This creative idea might arouse the curiosity for those who are interested in automobile styling design or consumer product styling design.
    One of the distinguish features of this work is that the contour of an automobile can be represented by the cam motion equations using small amount of control points, for instance, 21 control points in the demonstration examples. Furthermore, the reverse engineering process is performed to scan several automobile replicas using 3D scanner to retrieve the control points from the scanned data. The set of the control points is input into the simulation system to redesign the contour of the automobile model. Designers can modify the shape of the model by altering the positions of the control points. The second distinguish feature of this work is that the position, velocity and acceleration of cam motion equations are composed to make a new contour of the model more smoothly. Besides, the morphing between two automobile models is performed by blending two sets of control points linearly. The characteristics of both automobile models can be preserved and more styling models can be generated to inspire designers in the concept design stage.
    This is the first paper to discuss the possibility of using the cam motion equations in automobile styling design, which not only help designers in preliminary design stage effectively, but also improve the quality in the automobile styling design. This simulation system is programmed using OpenGL application programming interface, which provides a user-friendly visual environment. The obtained results can be exported to another commercialized CAD system using IBL format to create a 3D automobile model in rendered form. Nevertheless, the simulation system not only can be used for automobile design but also can be used for other commercial product design. The contribution of this work can be utilized in the future for both mechanical design and industrial design research fields.

    摘 要 I ABSTRACT II 誌 謝 III 目 錄 IV 圖 目 錄 VIII 第一章 前言 1 1-1 研究動機 1 1-2 研究目的 3 1-3 研究目標 4 1-4 論文架構與說明 5 第二章 相關研究探討 7 2-1參數化設計及變數化設計之概述 7 2-1-1參數化設計(Parametric) 7 2-1-2變數化設計(Variation) 9 2-2現有之CAD/CAM系統的曲面功能評述 10 2-3對曲面造型的簡要回顧 12 2-4新的曲面造型方法簡介 13 2-4-1基於物理模型的曲面造型方法 13 2-4-2基於偏微分方程(PDE)的曲面造型方法 15 2-4-3流線曲面造型 15 2-5汽車造型設計流程簡介 16 第三章 研究理論基礎 18 3-1 現有曲線之比較 18 3-1-1 Hermite 18 3-1-2 Bezier 18 3-1-3 B-spline 19 3-1-4 NURBS 19 3-1-5 PDE 20 3-1-5 Streamline modeling 20 3-2凸輪之運動方程式 21 3-2-1各符號之定義 22 3-2-2簡諧運動曲線 22 3-2-3擺線運動曲線其公式為 22 3-2-4修正梯形曲線 23 3-2-5修正正弦曲線 24 3-2-6修正等速度曲線 25 3-2-7雙諧和函數 27 3-2-8 SHP-5運動曲線(俗稱MCV50曲線) 27 3-3曲線擬合 28 3-4曲面建構 28 第四章 研究方法與步驟 30 4-1初始建構與構想驗證階段 30 4-1-1汽車模型選定 31 4-1-2拍攝車輛之縱斷面外型 31 4-1-3擷取斷面之特徵點 31 4-1-4輸入特徵點資料到本系統 32 4-1-5曲面建構 34 4-2系統整合與開發階段 36 4-2-1汽車模型選定 37 4-2-2點資料擷取 38 4-2-2-1以非接觸式雷射掃瞄機進行車輛外形資料擷取 38 4-2-2-2多次掃瞄點資料嵌合與定位 39 4-2-3點群資料前處理 40 4-2-3-1雜點資料清除 40 4-2-3-2點群座標對正 40 4-2-4點群資料切割斷面處理 46 4-2-5擷取特徵點資料 47 4-2-5-1特徵點群的擷取 47 4-2-5-2特徵點群重新排序 48 4-2-5-3輸出特徵點群資料 49 4-2-6輸入ASCII檔案格式 49 4-2-7對車輛之橫斷面加以描述 50 4-2-8增加車輛縱斷面之數目 51 4-2-9輸出檔案格式 52 4-2-10曲面建構 53 4-2-10-1本軟體顯示曲面 53 4-2-10-2最終曲面建構 55 4-2-11曲面檢測分析 57 4-2-12快速原型加工 58 4-2-12CNC模型加工: 59 第五章 系統程式建構與操作介面設計 61 5-1 Visual Basic 與OpenGL 61 5-2程式開發流程說明 63 5-3凸輪運動曲線電腦程式 63 5-3-1使用者介面介紹 65 5-4系統整合架構說明 72 5-4-1點資料結構之TYPE型態 73 5-4-2 2D繪圖視窗初始化之定義 73 5-4-3 3D點資料儲存之定義 74 5-4-4計算兩點間斜率之函式 75 5-4-5計算凸輪運動曲線方程式之副程式 76 5-4-6繪製曲線之副程式 76 5-5程式介面說明 78 5-5-1平面繪圖模式 78 5-5-1-1檔案存取 79 5-5-1-2右鍵功能 82 5-5-1-3繪圖區之功能 82 5-5-2立體呈現模式 85 5-5-2-1檔案 86 5-5-2-2顯示模式設定 87 第六章 實例演練 91 6-1實例應用一 91 6-2實例應用二 96 6-2-1曲線合成 104 6-3實例應用三 108 第七章 結論與建議 112 7-1結論 112 7-2建議與後續研究 112 參考文獻 115 附錄 A 117

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    下載圖示 校內:2004-08-04公開
    校外:2004-08-04公開
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