1、基于CATIA的某車前地板左門檻逆向設(shè)計(jì)院 系機(jī)電工程學(xué)院專 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班 級(jí)學(xué) 號(hào)姓 名指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)教師 2021年7月摘 要本文介紹了利用CATIA軟件將汽車鈑金件數(shù)據(jù)點(diǎn)云通過(guò)逆向工程技術(shù)設(shè)計(jì)成零件曲面的過(guò)程。在設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到點(diǎn)云整理、數(shù)字編輯、創(chuàng)成曲面造型等技術(shù)。在建模過(guò)程中，運(yùn)用正向設(shè)計(jì)的思維對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,解決了汽車前地板左門檻加強(qiáng)板平面因加工引起的局部變形，以及因點(diǎn)云不完整出現(xiàn)的誤差。所建的汽車前地板左門檻加強(qiáng)板數(shù)字模型與所給的點(diǎn)云貼合較好。關(guān)鍵詞：逆向工程；點(diǎn)云；CATIA；曲面造型；AbstractThis paper describes the use of

2、CATIA software packages to automobile metal stronghold cloud through reverse engineering design of curved parts. In the design process involves some clouds, digital editing, and such as surface modeling technology. In the course of modeling, using the top-down design thinking for the data processing

3、, solved the floor by reinforcing plate left threshold processing, as well as local deformation caused by point cloud of incomplete. The car left before floor board with digital model threshold to strengthen the joint point cloud.Key words ： Reverse Engineering；Point Cloud; CATIA; Surface Modeling;目

4、 錄1 逆向工程概述1 逆向工程定義及其應(yīng)用1 逆向工程系統(tǒng)3 逆向工程設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作82 CATIA V5介紹102.1 CATIA 在制造業(yè)的應(yīng)用102.2 CATIA V5概貌103 CATIA逆向工程建模根底233.1 CATIA曲面的逆向重構(gòu)233.2 CATIA逆向工程建模根本流程253.3 CATIA逆向工程的特點(diǎn)263.4 CATIA用于逆向工程的主要模塊功能簡(jiǎn)介264 汽車后背門加強(qiáng)板數(shù)字建模過(guò)程28 點(diǎn)云的處理33 前地板左門檻加強(qiáng)板外型曲面的制作34做曲面是的凸臺(tái)局部38 做圓角44 修剪48 距離分析51 生成實(shí)體525 致 謝54總結(jié)55參考文獻(xiàn)56逆向工程概述1.

5、1 逆向工程定義及其應(yīng)用逆向工程Reverse Engineering，RE是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的一種描述。在工程技術(shù)人員的一般概念中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程：設(shè)計(jì)人員首先構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能和大致的技術(shù)參數(shù)等，然后利用CAD技術(shù)建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將這個(gè)模型轉(zhuǎn)入制造流程，完成產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)制造周期。這樣的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程我們可以稱之為“正向設(shè)計(jì)。逆向工程那么是一個(gè)“從有到無(wú)的過(guò)程。簡(jiǎn)單地說(shuō)，逆向工程就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包括設(shè)計(jì)圖紙或數(shù)字模型的過(guò)程，它包括影像逆向、軟件逆向和實(shí)物逆向等三個(gè)方面。目前，大多數(shù)關(guān)于逆向工程的研究主要集中在實(shí)物的逆向重構(gòu)上，

6、即產(chǎn)品實(shí)物的CAD模型重構(gòu)和最終產(chǎn)品的制造，被稱為“實(shí)物逆向工程。這種從實(shí)物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型并制造得到新產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)，已成為CAD/CAM系統(tǒng)中的一個(gè)研究及應(yīng)用熱點(diǎn)，并開展成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域。在這意義下，“實(shí)物逆向工程簡(jiǎn)稱逆向工程可定義為：將實(shí)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，是將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)模型和概念模型，在此根底上對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個(gè)方面，在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中，主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容： (1)新零件的設(shè)計(jì)，主要用于產(chǎn)品的改型或彷型設(shè)計(jì)。(2)

7、已有零件的復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖。(3)損壞或磨損零件的復(fù)原。(4)數(shù)字化模型的檢測(cè)，例如檢驗(yàn)產(chǎn)品的變形分析、焊接質(zhì)量等，以及進(jìn)行模型的比擬。由下列圖可了解逆向工程的整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過(guò)程。產(chǎn)品開發(fā)流程在產(chǎn)品造型日益多元化的今天，逆向工程已成為產(chǎn)品開發(fā)中不可或缺的一環(huán)，其應(yīng)用范圍包括：在對(duì)產(chǎn)品外形的美學(xué)有特別要求的領(lǐng)域，為方便評(píng)價(jià)其美學(xué)效果，設(shè)計(jì)師廣泛利用油泥、黏土或木頭等材料進(jìn)行快速且大量的模型制作，將所要表達(dá)的意向以實(shí)體的方式表現(xiàn)出來(lái)，而不采用在 計(jì)算機(jī)屏幕上顯示縮小比例的物體投視圖的方法。此時(shí)，如何根據(jù)造型師制作出來(lái)的模型快速建立三維CAD模型，就必須引入逆向工程技術(shù)。當(dāng)設(shè)計(jì)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)

8、測(cè)試才能定型的工件模型時(shí)，通常采用逆向工程的方法。比方在航空航天、汽車等領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的要求，首先要求在實(shí)體模型、縮小模型的根底上經(jīng)過(guò)各種性能測(cè)試如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等建立符合要求的產(chǎn)品模型。此類產(chǎn)品通常是由復(fù)雜的自由曲面拼接而成的，最終確認(rèn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅仨毥柚嫦蚬こ蹋D(zhuǎn)換為產(chǎn)品的三維CAD模型及其模具。在沒有設(shè)計(jì)圖紙或設(shè)計(jì)圖紙不完整，以及沒有CAD模型的情況下，通過(guò)對(duì)零件原型進(jìn)行測(cè)量，形成零件的設(shè)計(jì)圖紙或CAD模型，并以此為依據(jù)生成數(shù)控加工的NC代碼或快速原型加工所需的數(shù)據(jù)，復(fù)制一個(gè)相同的零件。逆向工程在新產(chǎn)品開發(fā)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)上同樣具有相當(dāng)高的應(yīng)用價(jià)值。為了研究上的需求，許多大企業(yè)也會(huì)運(yùn)

9、用逆向工程協(xié)助產(chǎn)品研究。例如韓國(guó)現(xiàn)代汽車在開展汽車工業(yè)制造技術(shù)時(shí)，曾參考日本HONDA汽車設(shè)計(jì)，將它的各個(gè)部件經(jīng)由逆向工程復(fù)原成產(chǎn)品，進(jìn)行包括平安測(cè)試在內(nèi)的各類測(cè)試研究，協(xié)助現(xiàn)代的汽車設(shè)計(jì)師了解日系車輛的設(shè)計(jì)意圖。這是一個(gè)基于逆向工程的典型設(shè)計(jì)過(guò)程：利用逆向工程技術(shù)，可以直接在已有的國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的產(chǎn)品根底上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析、設(shè)計(jì)模型重構(gòu)、再設(shè)計(jì)優(yōu)化與制造，吸收并改良國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的產(chǎn)品和技術(shù)，極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，迅速地占領(lǐng)市場(chǎng)。在快速原形制造RPM中通過(guò)逆向工程，可以方便地對(duì)快速原形制造的原形產(chǎn)品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量。以上五方面都需要運(yùn)用逆向工程技術(shù)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可見，逆向工程在產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮

10、著重要作用。1.2 逆向工程系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，逆向工程技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的結(jié)合日趨緊密，如20世紀(jì)80年代初開展起來(lái)的快速原形技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的異地設(shè)計(jì)及制造技術(shù)等，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造階段都需要逆向工程技術(shù)的支持。同時(shí)，逆向工程技術(shù)也和計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量CAT、輔助設(shè)計(jì)CAD、輔助制造CAM以及計(jì)算機(jī)輔助工程分析CAE密切相關(guān)。逆向工程成功應(yīng)用的關(guān)鍵不僅在于各計(jì)算機(jī)輔助子模塊能較好地獨(dú)立完成各項(xiàng)工作，很大程度上還取決于各個(gè)子模塊的計(jì)算機(jī)集成程度。可以說(shuō)，逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)集成應(yīng)用的一個(gè)典型例子。如何將這些技術(shù)組成一個(gè)整體，即集成逆向工程系統(tǒng)，是逆向工

11、程技術(shù)應(yīng)用研究的一個(gè)重要方向。逆向工程系統(tǒng)主要由三局部組成：產(chǎn)品實(shí)物幾何外形的數(shù)字化子系統(tǒng)、三維CAD模型重建子系統(tǒng)、產(chǎn)品或模具的制造子系統(tǒng)等。1.2.1 產(chǎn)品實(shí)物幾何外形的數(shù)字化系統(tǒng)產(chǎn)品外表數(shù)字化又稱數(shù)據(jù)測(cè)量，是指通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法，將物體的外表形狀轉(zhuǎn)換成離散的幾何點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在此根底上，就可以進(jìn)行復(fù)雜曲面的建模、評(píng)價(jià)、改良和制造。因而，高效、高精度地實(shí)現(xiàn)樣件外表的數(shù)據(jù)采集，是逆向工程實(shí)現(xiàn)的根底和關(guān)鍵技術(shù)之一，是逆向工程中最根本，最不可缺少的步驟。數(shù)據(jù)獲取在產(chǎn)品設(shè)計(jì)師與逆向工程及CAD/CAM/CAE/RP/CNC之間扮演著橋梁的角色。可以這么認(rèn)為，數(shù)據(jù)測(cè)量是逆向工程的根底，測(cè)量數(shù)

12、據(jù)的質(zhì)量與最終模型的質(zhì)量密切相關(guān)，直接影響到整個(gè)工程的效率和質(zhì)量。實(shí)際應(yīng)用中，常發(fā)生因模型外表數(shù)據(jù)獲取的問題而影響重構(gòu)模型精度的情況。因此，如何取得較佳的物體外表數(shù)據(jù)，一直是逆向工程的一個(gè)主要研究?jī)?nèi)容。目前，用來(lái)采集物體外表數(shù)據(jù)的測(cè)量設(shè)備和方法多種多樣，其原理也各不相同。測(cè)量方法的選用是逆向工程中一個(gè)非常重要的問題。不同的測(cè)量方式，不但決定了本身的精度、速度和經(jīng)濟(jì)性，還使得測(cè)量數(shù)據(jù)類型及后續(xù)處理方式不盡相同。根據(jù)測(cè)量探頭是否和零件外表接觸，逆向工程中物體外表三維數(shù)據(jù)的獲取方法根本上可分為兩大類，即接觸式與非接觸式。根據(jù)測(cè)頭的不同，接觸式又可分為觸發(fā)式和連續(xù)式；非接觸式按其原理不同，又可分為光學(xué)

13、式和非光學(xué)式。其中，光學(xué)式包括三角形法、結(jié)構(gòu)光法、計(jì)算機(jī)視覺法、激光干預(yù)法、激光衍射法等；而非光學(xué)式包括CT測(cè)量法、MRI測(cè)量法、超聲波法和層析法等。測(cè)量方式比照與設(shè)備選型接觸式測(cè)量有以下優(yōu)點(diǎn)：因接觸式探頭開展已有幾十年，其機(jī)械結(jié)構(gòu)及電子系統(tǒng)已相當(dāng)成熟，故有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。接觸式測(cè)量的探頭直接接觸工件外表，故對(duì)工件外表的反射特性、顏色及曲率關(guān)系要求不高。被測(cè)物體固定在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，并配合測(cè)量軟件，可快速地測(cè)量出物體的根本幾何形狀，如面、圓、圓柱、圓錐、圓球等。與接觸式測(cè)量相比，非接觸式測(cè)量主要有以下優(yōu)點(diǎn)：不必做探頭半徑補(bǔ)償，因?yàn)榧す夤恻c(diǎn)位置就是工作外表的位置。測(cè)量速度非常快，不必像接觸

14、式觸發(fā)探頭那樣逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。軟工件、薄工件、不可接觸的高精密工件可直接測(cè)量。對(duì)于逆向測(cè)量而言，數(shù)據(jù)采集的方式應(yīng)滿足下面這些要求。采集速度要快，盡量減少測(cè)量在整個(gè)逆向工程中所占有的時(shí)間。數(shù)據(jù)采集要完整，不能有缺漏，以免給后期的曲面重構(gòu)帶來(lái)障礙。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中不能破壞原形。降低測(cè)量本錢。根據(jù)上面這些要求，可以根據(jù)逆向工程中測(cè)量的實(shí)際情況，選擇不同的測(cè)量方式，或同時(shí)利用不同的測(cè)量方式進(jìn)行互補(bǔ)，以得到一個(gè)精度高、信息全面的測(cè)量數(shù)據(jù)。在接觸式測(cè)量方法中，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)CMM是應(yīng)用最為廣泛的一種測(cè)量設(shè)備，再結(jié)合實(shí)際情況，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量。1.2.2 三維CAD模型的重建子系統(tǒng)在逆向工程中，由于后續(xù)的

15、產(chǎn)品加工制造、快速原形制造、虛擬制造仿真、工程分析和產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)等應(yīng)用都需要CAD數(shù)學(xué)模型的支持，這些應(yīng)用都不同程度地要求重建的CAD模型能準(zhǔn)確的復(fù)原實(shí)物樣件，所以實(shí)物的三維CAD模型重建是整個(gè)過(guò)程最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)，其模型重建流程如圖1.2所示，從流程圖可以看出整個(gè)環(huán)節(jié)具有工作量大、技術(shù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，對(duì)如何快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)模型重建，國(guó)內(nèi)外的研究者進(jìn)行了大量的研究。總的來(lái)說(shuō)，影響三維CAD模型重建系統(tǒng)的主要包括兩個(gè)局部：一是逆向工程軟件；二是人員。點(diǎn)云處理 提取特征點(diǎn)云建立特征曲線選擇適當(dāng)?shù)姆椒▌?chuàng)立曲面模型 曲面光順性檢查 曲面間連續(xù)性檢驗(yàn) 曲面與點(diǎn)云的誤差檢驗(yàn)是否滿足要求否是生成實(shí)體模

16、型圖1.1 模型重建流程1逆向工程商品化軟件迄今為止，在國(guó)際市場(chǎng)上的四大逆向工程軟件，有美國(guó)EDS公司的Imageware、美國(guó)雨滴公司產(chǎn)品Geomagic Studio, 由英國(guó) DELCAM 公司出品CopyCAD ， 韓國(guó) INUS 公司出品的RapidForm。在一些流行的CAD/CAM集成系統(tǒng)中也開始集成了類似模塊，如CATIA中的DSE、QSR模塊，Pro/E中的Pro/SCAN功能等。 專業(yè)逆向工程商品化軟件 目前，就專用逆向工程軟件來(lái)說(shuō)主要有Imageware、CopyCAD、Geomagic、及RapidForm四大軟件。 通用CAD軟件 CATIA CATIA是法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)

17、公司開發(fā)的大型CAD/CAE/CAM應(yīng)用軟件，在世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域中處于主導(dǎo)地位。CATIA被廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車制造、造船、機(jī)械制造、電子、電器、消費(fèi)品行業(yè)，它集成解決方案覆蓋所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，滿足了工業(yè)領(lǐng)域各大、中、小型企業(yè)需要。CATIA V5具備最完美和友好的操作界面，具備VGX、C-NEXT等多種先進(jìn)技術(shù)，可以說(shuō)CATIA最善于吸取其他CAD軟件的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)論V4和V5，CARTIA在曲面造型方面可謂功力深厚。在V5中添加了FREE STYLER，CLASS A等基于NURBS算法的自由曲面造型功能，使CATIA V5的曲面造型如虎添翼。在曲面的SWEEP，LO

18、ST等功能也是目前所有CAD平臺(tái)中功能最強(qiáng)的，V5在曲面修補(bǔ)縫合上也花了不少工夫。CATIA V5的數(shù)字曲面編輯模塊Digitized Shape Editor和快速曲面重構(gòu)模塊Quick Surface Reconstruction等是逆向工程的專用模塊，可以提供多種格式的點(diǎn)云輸入和輸出數(shù)據(jù)，除了具有對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的功能外，還提供了強(qiáng)大的曲面、曲線直接擬合功能，由于植入了STYLER的算法，CATIA的POWER FIT功能比專用逆向工程軟件IMAGEWARE的FIT FEREFROM要強(qiáng)大得多。在云點(diǎn)質(zhì)量較好的情況下CATIA FIT出的面比IMAGEWARE的FIT出的面要好得多，只

19、是人工控制能力差，但對(duì)于精度要求不高的情況下已經(jīng)完全可以把握。 UG和Pro/E等軟件也有逆向功能模塊，例如，UG中的Quick Shape逆向功能模塊、Pro/E中的Surface逆向功能模塊。 逆向工程軟件選型目前，進(jìn)行CAD模型的重建，有兩種選擇方案，一是基于正向的商品化CAD/CAE/CAM系統(tǒng)軟件，如I-deas、UG、Pro/E和CATIA等；二是專用的逆向造型軟件，如Imageware、RapidForm、Geomagic等。逆向CAD建模通常是由曲面到實(shí)體，對(duì)CAD系統(tǒng)的曲面、曲線處理功能要求較高。為滿足復(fù)雜曲面重建的要求，一些軟件商在其傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)里集成了逆向造型模塊，較有

20、代表性的如Pro/E的Scan-Tools模塊、Strim100的Surface Recondtruction模塊、UG中的Point Cloud功能CATIA中的Digitized Shape Editor、Quick Surface Reconstruction模塊等。應(yīng)該說(shuō)，這些通用CAD/CAM系統(tǒng)中集成的模塊，自動(dòng)化程度比擬高，但功能尚顯單一，仍不能應(yīng)用的要求，在完成高精度的工程、在點(diǎn)云質(zhì)量不高和細(xì)節(jié)特征較多時(shí)，就不能較好地完成任務(wù)。因此，在正向CAD軟件的根底上配備專用的逆向造型軟件是目前業(yè)界流行的軟件造型方式。目前在市場(chǎng)上，盡管出現(xiàn)了多個(gè)與逆向工程相關(guān)的軟件系統(tǒng)，但許多是采用以三

21、角Bezier曲面為根底的曲面構(gòu)造方法，如RE-SOFT、CopyCAD、Geomagic、及RapidForm等，盡管這些軟件都提供了相應(yīng)的把Bezier曲面轉(zhuǎn)換成通用CAD/CAM軟件采用的矩形域四邊曲面模型表達(dá)方式的模塊，但是，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不可防止地會(huì)失去一些信息，產(chǎn)生一定誤差。同時(shí)，這類軟件還存在著對(duì)曲面修改能力缺乏、可控性差的缺點(diǎn)，這些都限制了它們?cè)趯?shí)踐中的應(yīng)用。而作為逆向工程軟件的典型代表，Imageware采用的NURBS曲面模型，與UG、Pro/E和CATIA等通用CAD/CAM軟件采用的曲面描述方法相同，相互間可方便地溝通，被廣泛用來(lái)與其他軟件進(jìn)行搭配。隨著CAD/CAE/C

22、AM系統(tǒng)軟件和逆向造型軟件對(duì)曲面造型的不斷深化和開展，必定為逆向工程的實(shí)施提供更大的開展空間。.2 人員作為逆向工程人員除了了解產(chǎn)品特點(diǎn)，制造方法和熟練使用CAD軟件、逆向造型軟件外，還應(yīng)熟悉上游的測(cè)量設(shè)備，甚至必須參與測(cè)量過(guò)程，以了解數(shù)據(jù)特點(diǎn)，還應(yīng)了解下游的制造過(guò)程，包括制造設(shè)備和制造方法等。1.2.3 產(chǎn)品或模具的制造在完成實(shí)物的CAD模型重建后，可以在CAD軟件中進(jìn)行模具設(shè)計(jì)模塊中進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)控加工制造原型，也可以利用快速技術(shù)來(lái)制造原型和模具，一方面為模型的修改和再設(shè)計(jì)提供實(shí)物樣件，另一方面，對(duì)一些材料制造的零部件，還可以直接制造出來(lái)產(chǎn)品的模具。這樣做，可以防止機(jī)械加工的長(zhǎng)周期和

23、復(fù)雜的工藝設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品的快速開發(fā)和制造提供有效的工具支持。1.3 逆向工程設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作做一個(gè)逆向設(shè)計(jì)的工作，可能比做一個(gè)正向設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。在設(shè)計(jì)一個(gè)之前，首先必須盡量理解原有模型的設(shè)計(jì)思想，在此根底上還可能還可能要修復(fù)或克服原有模型上存在的缺陷。從某種意義上看，逆向設(shè)計(jì)也是一個(gè)重新設(shè)計(jì)的過(guò)程。在開始進(jìn)行一個(gè)逆向設(shè)計(jì)前，應(yīng)該對(duì)零件進(jìn)行仔細(xì)分析，主要考慮以下一些方面。 確定設(shè)計(jì)的整體思路，對(duì)自己手中的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行系統(tǒng)地分析。面對(duì)大批量、無(wú)序的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)該首先要考慮周全，步驟明確，做到心中有數(shù)，主要是將模型劃分為幾個(gè)特征區(qū)，得出整個(gè)設(shè)計(jì)思路，并找到設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和疑點(diǎn)，從多方面考慮和解決問題。

24、確定模型的根本構(gòu)成形狀的曲面類型，這關(guān)系到相應(yīng)設(shè)計(jì)軟件的選擇和軟件模塊確實(shí)定。對(duì)于用肉眼就可以區(qū)分的初等解析曲面件，如平面、圓柱面、圓錐面等那么沒必要因?yàn)橛袦y(cè)量數(shù)據(jù)而用自由曲面去擬合一張，這樣就能做到直接面對(duì)難點(diǎn)疑點(diǎn)，有針對(duì)性地解決問題，縮短工作時(shí)間。2 CATIA V5介紹2.1 CATIA 在制造業(yè)的應(yīng)用CATIA 的全稱為Computer-Aided Three-dimension Interactive Application，是集成CAD、CAM、CAE的大型軟件，由法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)公司開發(fā)，是全球制造業(yè)的主流設(shè)計(jì)軟件。CATIA 廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，從航空、汽車、造船、通用機(jī)械

25、到電子電器、生活用品。許多世界知名的公司如波音、克萊斯勒、寶馬、奔馳、本田、豐田等都使用CATIA作為主要的設(shè)計(jì)軟件。隨著中國(guó)制造業(yè)的開展，特別是汽車工業(yè)的開展，隨著越來(lái)越多的國(guó)際把生產(chǎn)和開發(fā)工作引入中國(guó)，CATIA也在不斷地普及和深入。 CATIA V5概貌CATIA V5涵蓋了機(jī)械設(shè)計(jì)、外形設(shè)計(jì)、分析與仿真、工廠設(shè)計(jì)、數(shù)控加工、數(shù)字化樣機(jī)、數(shù)字樣機(jī)、設(shè)備與系統(tǒng)、人體工程和知識(shí)工程等豐富的內(nèi)容。圖2.1所示為包含了所有CATIA V5模塊的菜單。每個(gè)使用CATIA V5的企業(yè)都只是用其中的一局部模塊，但是，了解一下CATIA V5所包含的模塊還是很有用的。圖2.1CATIA V5模塊“根底模

26、塊包含了如圖2.2所示的模塊，裝配件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料庫(kù)、與CATIIA早期版本接口、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)編輯器和能夠?qū)崿F(xiàn)逼真、美麗的渲染效果的照片工作室和室時(shí)渲染，還有虛擬現(xiàn)實(shí)、特征字典編輯器等模塊。根底結(jié)構(gòu)在圖2.3中可以看到CATIA V5用于機(jī)械設(shè)計(jì)的模塊：除了實(shí)體造型的零件、裝配件設(shè)計(jì)、二維制圖和二維草圖根底模塊外，還有焊接模塊、鈑金設(shè)計(jì)等模塊。機(jī)械設(shè)計(jì)圖2.4所示，“形狀子菜單中包含了CATIA曲面造型的模塊，包括能夠創(chuàng)立A級(jí)曲面的自由曲面造型、汽車Class A、汽車車身緊固件設(shè)計(jì)、在二維圖片上描畫曲線的早圖跟蹤器、處理從三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)字化外形編輯器，以及后續(xù)重建曲面的快速曲面

27、重建模塊、在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上直接造型的外形雕刻，還有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中普遍應(yīng)用的創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)等模塊。形狀圖2.5所示，“分析與仿真子菜單中包括可變形裝配的公差分析、網(wǎng)格劃分工具和對(duì)零件和裝配件進(jìn)行強(qiáng)度分析等模塊。分析與模擬圖2.6所示，“AEC工廠子菜單中包含工廠布局模塊。圖2.6 AEC工廠圖2.7所示，“數(shù)控加工子菜單中包括兩軸加工、兩半軸加工、曲面加工、高級(jí)曲面、加工檢查和快速原型等模塊。加工圖2.8所示，“數(shù)學(xué)模型子菜單中包含許多DMU模塊，如數(shù)字樣機(jī)漫游器、檢查數(shù)字樣機(jī)尺寸和干預(yù)的空間分析模塊、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真模塊和拆裝模擬等模塊。圖2.8 數(shù)學(xué)模型圖2.9中可以看到，“設(shè)備與系統(tǒng)子菜單中有

28、許多設(shè)備與系統(tǒng)模塊，如電路板設(shè)計(jì)等模塊。圖2.10所示，“加工的數(shù)字流程子菜單中包括用于加工流程的公差與標(biāo)注。“人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析模塊包括人體測(cè)量編輯器、人體行為分析、人體建模和人體姿勢(shì)分析。圖2.12所示，“知識(shí)工程，是CATIA V5的精髓之一。知識(shí)工程包括知識(shí)參謀、知識(shí)專家、產(chǎn)品工程優(yōu)化器、產(chǎn)品知識(shí)模板、業(yè)務(wù)知識(shí)流程模板、產(chǎn)品功能優(yōu)化和產(chǎn)品功能定義。設(shè)備與系統(tǒng)制造的數(shù)字處理人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與分析智件3 CATIA逆向工程建模根底 CATIA曲面的逆向重構(gòu)一般而言，產(chǎn)品外形的CAD模型是由多張不同幾何形狀的曲面經(jīng)過(guò)延伸、過(guò)渡、裁剪等處理混合而成，而每一種曲面都有其特性和生成方式。因此，在應(yīng)

29、用逆向工程技術(shù)重構(gòu)出產(chǎn)品的原CAD模型的過(guò)程中，單純的使用某種曲面生成方法是無(wú)法完成整個(gè)模型的重構(gòu)，應(yīng)根據(jù)此產(chǎn)品外形的幾何特性，選擇適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ǎ娇奢^好地得到原產(chǎn)品的幾何形狀，以滿足產(chǎn)品外形的幾何特性。產(chǎn)品的逆向曲面重構(gòu)的過(guò)程如下列圖3.1所示。曲面分割選擇適宜的造型方法生成曲面曲面質(zhì)量評(píng)估精度、光順性曲面裁剪、生成外外表外外表光順性評(píng)價(jià)曲面重構(gòu)流程 可見，在曲面重建的過(guò)程中，了解一些曲面生成的方法及數(shù)學(xué)原理，可以加快曲面重構(gòu)的進(jìn)程。這里的分類是應(yīng)用層面上的，不是數(shù)學(xué)或?qū)I(yè)的分法，主要是日常工作常用的一些曲面生成方法。曲面造型分兩種方法，一是曲線構(gòu)造曲面；二是由曲面派生曲面。 由曲線構(gòu)造曲

30、面的方法 旋轉(zhuǎn)曲面：一輪廓曲線繞某一軸線旋轉(zhuǎn)某一角度而生成的曲面。 線性拉伸面：一曲線沿某一矢量方向拉伸一段距離而得到的曲面。 直紋面：多條線沿某個(gè)方向U或V構(gòu)成面。由于同時(shí)用到幾條線，且生成曲面時(shí)，把相鄰兩曲線參數(shù)數(shù)值相同的點(diǎn)用直線段連接而得到曲面，所以，這些的排列距離和均勻程度對(duì)結(jié)果影響很大。 掃描面：截面發(fā)生曲線沿一條、二條、或三條方向控制曲線運(yùn)動(dòng)、變化而生成的曲面。可根據(jù)各發(fā)生曲線與脊骨曲線的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，把掃描面分為平行掃描曲面、法向掃描曲面和放射掃描曲面。由于這種造型方法只需指定運(yùn)動(dòng)對(duì)象及其運(yùn)動(dòng)軌跡，方法簡(jiǎn)潔、高效，因此，許多商用造型系統(tǒng)都有這種造型功能。掃描法在生成復(fù)雜形狀的曲面和實(shí)

31、體的幾何造型系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的造型功能。掃描曲面涵蓋的范圍很廣，從簡(jiǎn)單的平面到不同截面所組合而成的曲面等，都能用掃描曲面來(lái)表示，工業(yè)產(chǎn)品的外形絕大多數(shù)是由一般形狀簡(jiǎn)單的曲線或曲面所組成，因此，這些曲面大局部都能表示成掃描曲面。 由曲面派生曲面的方法 等半徑倒圓曲面：一定半徑的圓弧段與兩原始曲面相切，并沿著它們的交線方向運(yùn)動(dòng)而生成的圓弧形過(guò)渡面。 變半徑倒圓曲面：半徑值按一定的規(guī)律變化的圓弧段與兩原始曲面相切，并沿它們的交線方向運(yùn)動(dòng)而生成的圓弧形過(guò)渡面。 等厚偏移曲面：與原始曲面偏移一均勻厚度值的曲面。 變厚度偏移曲面：在原始曲面的角點(diǎn)處，沿該點(diǎn)曲面法矢量方向偏移給定值而得到的曲面。 混合曲面橋接

32、曲面：在兩個(gè)或多個(gè)別離曲面的指定邊界線處，生成一個(gè)以指定邊界為生成曲面的邊界線，與所選周圍原始曲面圓滑連接的中間曲面。 延伸曲面：在曲面的指定邊界線處，按曲面的原有趨勢(shì)或某一給定的矢量方向進(jìn)行給定條件的曲面擴(kuò)展而生成的曲面。 修剪曲面：把原始曲面的某一局部去掉而生成的曲面。 拓?fù)溥B接曲面：把具有公共邊界線的兩個(gè)曲面進(jìn)行拓?fù)湎嗉雍蟮那妗?duì)不規(guī)那么的自由曲面在CATIA中由貝塞爾曲面FS自由曲面造型模塊和B樣條曲面包括非均勻B樣條曲面NURBS曲面，GSD通用曲面造型模塊兩種不同的定義形式。由于貝塞爾曲面和樣條曲面以四邊面為根底，所以對(duì)三邊面或多邊面的處理將是CAD軟件處理的難點(diǎn)，如Imagew

33、are通常采用過(guò)渡曲面的方法，而CATIA可以對(duì)此類曲面的直接處理也可以得到很好的效果，也可以看出此軟件的曲面造型功能的強(qiáng)大。3.2 CATIA逆向工程建模根本流程一般產(chǎn)品的建模應(yīng)該滿足下面產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要的要求：數(shù)學(xué)模型的精度誤差滿足用戶可交付使用；曲面內(nèi)在的質(zhì)量要求，如曲面的連續(xù)性要求，光順性要求等；曲面連續(xù)過(guò)渡的質(zhì)量要求，如不能出現(xiàn)尖角等；過(guò)渡曲面的流動(dòng)路徑要求；曲面或局部協(xié)調(diào)性和對(duì)局部特征分界的合理性；工程制造標(biāo)準(zhǔn)的要求；模具拔模的工程制造符合性要求；設(shè)計(jì)、質(zhì)量和驗(yàn)證審核的可行性；CATIA逆向工程是工程建模的一種方法，生成的數(shù)學(xué)模型也應(yīng)符合一般產(chǎn)品建模的根本要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)流程遵循

34、逆向工程建模的一般過(guò)程，如下列圖掃描點(diǎn)云特征線面實(shí)體模型逆向建模一般流程 CATIA逆向工程的特點(diǎn)由于CATIA軟件強(qiáng)大的集成優(yōu)勢(shì)，CATIA逆向各模塊的相互結(jié)合，使得CATIA逆向工程有自己的特點(diǎn)。點(diǎn)及點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的高效率。可以構(gòu)建Class A曲面。可以根據(jù)需要快速構(gòu)建Class B曲面。GSD模塊曲面功能強(qiáng)大，并可進(jìn)行可行性分析。多樣化檢測(cè)工具曲率分析、連續(xù)分析、距離分析。三角網(wǎng)格曲面直接進(jìn)行3軸加工。以DMU SPA對(duì)數(shù)位模型進(jìn)行空間干預(yù)檢測(cè)。 CATIA用于逆向工程的主要模塊功能簡(jiǎn)介從CATIA逆向工程中，用于逆向工程中的模塊主要有：DSE數(shù)字編輯器模塊；QSR快速曲面重構(gòu)模塊；GS

35、D通用曲面造型模塊。 DSE數(shù)字編輯器模塊 此模塊在CATIA逆向工程中的主要功能· 導(dǎo)入點(diǎn)或點(diǎn)云數(shù)據(jù)。· 預(yù)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括點(diǎn)云的過(guò)濾、刪減、空洞修補(bǔ)、對(duì)齊、合并等。· 點(diǎn)云三角面片網(wǎng)格化。· 點(diǎn)云剖面生成掃描線。· 誤差檢測(cè)。 此模塊應(yīng)用流程· 點(diǎn)資料的整理，為曲面重構(gòu)做準(zhǔn)備。· 三角網(wǎng)格曲面劃分后可直接進(jìn)行3軸加工或快速成型。· 點(diǎn)云與重構(gòu)的曲面做誤差分析檢測(cè)和控制。· 三角網(wǎng)格曲面劃分后可直接進(jìn)行DMU空間分析檢測(cè)。 QSR快速曲面重構(gòu)模塊 此模塊在CATIA逆向工程中的主要功能應(yīng)用快速曲面重構(gòu)模

36、塊及數(shù)字編輯器可以快速、輕易的重構(gòu)精準(zhǔn)曲面 此模塊應(yīng)用流程· 重構(gòu)可編輯的高精度曲面。· 劃分三角網(wǎng)格面片提取適用的曲面區(qū)域。· 以特征邊界與局部點(diǎn)云重建自由曲面區(qū)域。· 區(qū)分及重構(gòu)根本幾何曲面。· 品質(zhì)檢測(cè)及誤差分析。GSD通用曲面造型模塊 此模塊在CATIA逆向工程中的主要功能將數(shù)字編輯器或快速曲面重建模塊提取或生成的特征線或線框，在GSD模式下重新構(gòu)面，生成高精度和高質(zhì)量的曲面。 此模塊應(yīng)用流程· 根據(jù)做好的特征線或線框，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，構(gòu)造曲面。· 對(duì)局部細(xì)節(jié)優(yōu)化。· 裁剪、合并生成高品質(zhì)的曲面。·

37、 誤差檢測(cè)。由上可知，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，并不是所有的點(diǎn)都是需要選取的，因?yàn)椋诖_定曲面的控制曲線時(shí)，需要找出哪些點(diǎn)或線是有用的，哪些點(diǎn)或線是細(xì)化特征的，在以后設(shè)計(jì)中要用到。在選點(diǎn)時(shí)，盡量選擇質(zhì)量好的且能反映此局部特征的點(diǎn)或線，然后對(duì)其造型。4前地板左門檻加強(qiáng)板數(shù)字建模過(guò)程點(diǎn)云的處理進(jìn)入CATIA用戶界面如下列圖4.1所示：CATIA用戶界面讀入點(diǎn)云數(shù)據(jù)：點(diǎn)擊文件，翻開point cloud操作如圖4.2、圖4.3所示。單擊翻開按鈕，汽車后背門加強(qiáng)板點(diǎn)云數(shù)據(jù)就顯示在CATIA界面中，如圖4.4所示。第1步：用鼠標(biāo)中鍵+鼠標(biāo)右鍵在視圖中旋轉(zhuǎn)此點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，以便仔細(xì)觀察。為以后分析做準(zhǔn)備。第2步：觀察點(diǎn)

38、云數(shù)據(jù)模型，大致推出對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這樣可以用點(diǎn)云質(zhì)量較好局部推出全貌。第3步： 三角網(wǎng)格化點(diǎn)云單擊按鈕并選擇點(diǎn)云，進(jìn)行三角網(wǎng)格化，在對(duì)話框選項(xiàng)設(shè)置，點(diǎn)擊應(yīng)用按鈕生成圖如下列圖4.5網(wǎng)格面。第4步,做輔助平面第1步：點(diǎn)擊按鈕,作一個(gè)點(diǎn),通過(guò)此點(diǎn)做出三個(gè)平面,即XY,YZ,ZX平面, 前地板左門檻加強(qiáng)板外形曲面的制作第1步：創(chuàng)立交線 單擊按鈕，按照對(duì)話框設(shè)置選項(xiàng)單擊創(chuàng)立兩點(diǎn)，按圖所示對(duì)話框設(shè)置選項(xiàng)確定無(wú)誤后點(diǎn)擊【OK】按鈕完成， (3)單擊按鈕, 按圖所示對(duì)話框設(shè)置選項(xiàng)確定無(wú)誤后點(diǎn)擊【OK】按鈕完成生成的直線 圖 第2步生成曲面 單擊按鈕，按圖所示對(duì)話框設(shè)置選項(xiàng)確定無(wú)誤后點(diǎn)擊【OK】按鈕完成。(2)

39、單擊按鈕，按圖所示對(duì)話框設(shè)置選項(xiàng)確定無(wú)誤后點(diǎn)擊【OK】按鈕完成。 做平面上的凸臺(tái)局部1單擊按鈕,在XZ平面繪制凸臺(tái)輪廓草圖。如圖2單擊按鈕，退出草圖工作臺(tái)3單擊按鈕，按圖所示對(duì)話框設(shè)置選項(xiàng)確定無(wú)誤后點(diǎn)擊【OK】按鈕完成 4單擊按鈕，按圖所示對(duì)話框設(shè)置選項(xiàng)確定無(wú)誤后點(diǎn)擊【OK】按鈕完成5在插入工具欄里選擇拔摸凹面按鈕，按圖所示對(duì)話框設(shè)置選項(xiàng)確定無(wú)誤后點(diǎn)擊【OK】按鈕完成重復(fù)上述五個(gè)步驟，可以繪制出其它結(jié)構(gòu)的凸臺(tái)，如圖，依次繪制出來(lái)。1234567894.4 作圓角單擊按鈕，在對(duì)話框中填寫半徑大小以及需要進(jìn)行圓角的邊線，如圖8所示，8單擊確定9所示9重復(fù)上一操作可得到其余圓角12345678單擊按鈕,對(duì)兩個(gè)曲面進(jìn)行修剪, 設(shè)置對(duì)話框如圖4.21所示圖4.212所示2再對(duì)邊界進(jìn)行修剪單擊3所示1233單擊3所示34所示124點(diǎn)擊 由圖4.26所示誤差值偏大，主要原因是由于邊界處點(diǎn)云不歸整影響了測(cè)量值。4.7 生成實(shí)體單擊7所示78所