后保险杠逆向设计.doc

某型汽车HXKT905号零部件逆向设计与制造工艺分析 工 学 部 专 业班 级学 号姓 名指导教师负责教师沈阳航空航天大学北方科技学院2010年6月沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）摘 要本文主要阐述了利用Geomagic Studio软件、CATIA V5软件，对某汽车保险杠进行逆向设计的主要过程。首先介绍了某汽车保险杠的产品特点与工艺分析；其次介绍了逆向工程和CATIA V5软件的概念，最后应用Geomagic Studio软件和CATIA V5软件进行逆向曲面建模。某汽车保险杠逆向设计的过程，先运用Geomagic Studio软件进行点云处理，然后运用CATIA软件逆向曲面模块把点云网格化，再利用CATIA软件逆向曲面工具构建某汽车保险杠的各个部分曲面，对保险杠的曲面模型进行距离分析，最后进行曲面加厚。在实际应用CATIA软件逆向曲面模块过程中，对于曲面建模出现的问题，进行了探讨和处理；对于怎样才能建好曲面模型，运用了多种方案；经过多次的失败和改正后，最终获得了较好的曲面模型。 关键词：CATIA；逆向工程；点云；曲面造型；工艺分析AbstractThis paper mainly discusses Geomagic Studio using CATIA V5 software, for a car bumper to reverse design process. Firstly introduces some characteristics of the products and the car bumper process analysis, Secondly introduces reverse engineering and the concept of CATIA software, finally CATIA V5 software and application Geomagic Studio software modeling reverse surface.A car bumper reverse design process, using Geomagic Studio software, then point cloud using CATIA software modules to reverse surface grid point cloud, using CATIA software tools to construct a reverse curved surface of car bumper to bumper, each part of the surface model analysis, the surface from thick.In actual application CATIA software adverse camber module for surface modeling, process, probes and processing, How to build good surface model, using a variety of solutions, After many failures and correct, finally obtained the good surface model.Keywords: CATIA; Reverse Engineering；Point Cloud; Surface Modeling; Technology目 录1 保险杠的产品特点11.1 保险杠的产品介绍11.2 保险杠的设计原则11.3 保险杠的材料选择21.3.1 选材原则21.3.2 选择方法21.4 保险杠的结构特点21.5 保险杠的工艺分析21.5.1 圆角21.5.2 壁厚31.5.3 斜度31.5.4 加强筋32 保险杠制造工艺分析42.1 协调路线42.2 制造工艺分析42.2.1 注塑机42.2.2 注塑工艺43 逆向工程概述53.1 逆向工程概念53.2 逆向工程的应用73.2.1 逆向工程应用的范围介绍73.2.2 逆向工程在汽车行业上的应用93.3 逆向工程软件104 CATIA软件的介绍124.1 CATIA V5介绍124.2 CATIA模块功能介绍124.3 CATIA逆向工程建模基础194.4 CATIA曲线曲面基础194.4.1 曲线194.4.2 曲面194.5 CATIA曲线曲面基础194.5.1 由曲线构造曲面的方法204.5.2 由曲面派生曲面的方法214.6 CATIA逆向工程建模基本流程224.7 CATIA逆向工程的特点235 三维数据采集与点云处理245.1 三维激光扫描技术简介245.2 三维数据获取方法255.2.1 接触式测量系统265.2.2 非接触式测量系统275.2.3 三维数字扫描技术的革命285.2.4 点云数据的获取295.3 点云的处理305.3.1 Geomagic Studio软件编辑点云306 汽车保险杠逆向建模过程336.1 CATIA软件点云编辑336.2 逆向建模346.2.1 三角网格化、修补点云346.2.2 网格分块356.2.3 曲面建模方法361. 多截面曲面362. 基本曲面辨识383拟合自由曲面394. 曲面扫略405曲面拉伸406利用桥接曲面417修剪428倒角439填充436.2.4 距离分析441. 距离分析功能446.2.5 打孔及活口特征处理456.3 最后结果461. 生成实体462. 完善保险杠47结束语48参考文献50致 谢51511 保险杠的产品特点1.1 保险杠的产品介绍随着汽车工业的发展，保险杠作为一种重要的汽车安全装置，也在不断进行革新。轿车的前后保险杠除了要保持原有的保护功能外，还要追求外观与车体造型的和谐统一，以及实现本身的轻量化。汽车保险杠安装在汽车的最前端和最后端，在整车造型风格中起到至关重要的作用，它能够诠释出整车外装饰的艺术风格，好的保险杠能够使用户感到赏心、悦目，得到美的享受。无论汽车的大、小改型设计，保险杠总是首当其冲成为造型师手中重点塑造的对象，造型美观是整车的亮点及卖点。另外，发生碰撞时，大多数情况下都有保险杠的参与，保险杠作为安全防护装置是现代汽车结构的重要组成部分，它能有效地减轻人员伤亡程度以及汽车损坏程度。随着汽车普及率迅速提高，减轻车身质量、节能降耗及降低成本已成为汽车工业发展的主要目标之一。塑料因具有质轻、耐腐蚀、设计自由度大等特点在汽车上得到了广泛应用。目前，轿车的前后保险杠均采用了塑料材料。二十多年前，汽车的前、后保险杆都是采用金属制造并固定在车身上的。近几年来多采用混合型的，重要原因是车身形状的要求、空气动力学方面的原因、以及保险杆 正在变大，并要求与空气吸入护栏一体化。但决定性的原因是车身尺寸和重量的增加，汽车制造商要求采用塑料制造，以降低成本。1.2 保险杠的设计原则在保险杠的开发过程中，应遵循以下几个原则：1).主动安全性，即必须最大限度地满足使用功能，保险杠的安装高度应符合法规(安全可靠、设计合理)；2).被动安全性，即发生碰撞时，保险杠要有良好的吸能特性；3).在外部造型、色彩和质感上要与整车造型协调一致，浑然一体。1.3 保险杠的材料选择1.3.1 选材原则正确地选择材料，必须满足3个方面的要求：1).良好的使用性能的要求；2).优良的工艺性能的要求；3).合理的成本方面的要求。1.3.2 选择方法全面了解制件的使用要求。除应了解部件正常工作时应具备的性能指标，还应弄清部件的工作环境(如温度、湿度、介质)及其可能发生的变化等。要正确选材，不能只对材料的性能作一般的了解，应对每一种材料找出12项比较突出的性能，作优先选用的对象。有些塑料，其树脂的性能不能满足部件的性能要求，则可通过改性或加入适宜的填料之后，方能变成理想的材料。保险杠的材料通常选用改性聚丙烯，即注射成型用热塑性塑料，它应满足如下的基本特征：1).耐热性在80100 cc；2).冲击强度在034 Jcm ；3).拉伸强度在2939 MPa；4).成型性，耐候性良好。1.4 保险杠的结构特点在整车外表面定型后，进行保险杠的结构设计，首先考虑保险杠与其他车身部件的搭接关系，进行安装结构设计；其次进行保险杠的本体设计。1.5 保险杠的工艺分析1.5.1 圆角保险杠不论内、外表面的转折处均应设计成圆角，这样不但机械强度高，外观漂亮，塑料在型腔里流动也比较容易。否则，保险杠在使用时夹角处易受压而破坏，成型冷却时易产生内应力和裂纹。1.5.2 壁厚保险杠应壁厚均匀、厚薄适当且不应有突变，厚薄不同的部位应逐渐过渡。在成型过程中，收缩和硬化同时发生，薄的部分比厚的部分冷却快，厚的部分比薄的部分收缩量大。热塑性塑料制品的厚度一般为25 mm，保险杠的基础厚度一般为33.5mm。1.5.3 斜度为了使保险杠从模具内取出或取出型芯时，不产生表面划伤和擦毛等情况，制品内外表面沿脱模方向都应有倾斜角度，即脱模斜度。脱模斜度的大小与塑料的性质、收缩率大小、壁厚和形状有关，也和制品高度、型芯长度有关。最小脱模斜度为15通常取0.5即可。在不影响制件装配要求的情况下，脱模斜度应尽量取大一些，一般为03。1.5.4 加强筋在不增大制品厚度的情况下，采用加强筋能够增强制品的机械强度，同时还可以防止制品的翘曲。加强筋和制品壁的连接处及端部，都应用圆弧相连，以防止应力集中而影响制品质量。设计加强筋应注意掌握以下几点：1).厚度应小于制品厚度，以免产生瘦陷(塑痕)； 2).高度不宜过大，否则会使筋部受力破坏； 3).设置方向应与槽内料流方向一致，以免由于料流的干扰而损害制品的质量； 4).多条加强筋要分布得当，排列应互相错开，以减少收缩不匀而引起破坏； 5).不应设置在大面积制品的中央部位，如非设置在中央不可时，则应在其相对应的外表面上加设槽沟，以免消除可能产生的流纹。2 保险杠制造工艺分析2.1 协调路线汽车后保险杠从零件加工到部件装配经过许多生产环节，每个环节都会产生误差。为了保证制造准确度和协调准确度，必需保证所使用的大量工艺装备本身的制造准确度和相关的工艺装备之间的协调准确度。为此，在汽车保险杠制造中，工艺装备的制造应该遵循一定的协调路线。对协调路线的设计应满足：从模线、样板、工艺装备，直到零件的形状和尺寸传递环节的数量，以及这些环节的误差量为最小。2.2 制造工艺分析根据汽车后保险杠材料的选则，应运用注塑方法进行制造。2.2.1 注塑机注塑机大致由射出机构、锁模机构、动力装置和电动控制装置构。2.2.2 注塑工艺具体过程如下： 1.材料在塑化过程中同时进行冷却和开模动作； 2.在冷却的后半段，锁模力提前降压； 3.抽芯机构在高速开模过程中后退； 4.顶出机构在模具打开及取出工件时同时动作； 5.在低速开模的后半段，机械手进入取件区。3 逆向工程概述3.1 逆向工程概念逆向工程(Reverse Engineering)也称为反求工程、反向工程等。逆向工程起源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路。产品的逆向工程是根据零件(或原型)生成图样，再制造产品。它是一种以先进产品设备的实物、样件、模型、软件(包括图样、程序、技术文件等)或影像(图像、照片等)作为研究对象，应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品的技术，是针对消化、吸收先进技术采取的一系列分析方法和应用技术的结合。广义的逆向工程包括形状(几何)逆向、工艺逆向和材料逆向等诸多方面，是一个复杂的系统工程。通常所说的逆向工程即指对几何形状的逆向，称为实物逆向工程，是将实物转变为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。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，已经成为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 。逆向工程是对产品设计过程的一种描述。在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们可以称之为“正向设计”。逆向工程则是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程，它包括影像逆向、软件逆向和实物逆向等三个方面。目前，大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物的逆向重构上，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。逆向工程CAD技术不是一个孤立的技术，它与测量技术、现有的CAD/CAM系统有着千丝万缕的联系。但是在实际应用过程中，由于大多数工程技术人员对逆向工程技术不够了解，将逆向工程技术与现有CAD/CAM技术等同起来，用现有CAD/CAM系统的技术水平要求逆向工程技术，往往造成人们对逆向工程技术的不信任和一些误解。从理论角度上分析，逆向工程技术应该是能够按照产品的测量数据重建出可以与现有CAD/CAM系统完全兼容的CAD模型。这也是逆向工程技术的最终实现目标。但是我们应该看到，目前人们所掌握的技术，包括纯理论上的和工程上的(如曲面建模理论)，都还无法满足这种要求。特别是针对目前比较流行的大规模“点云”数据建模，更是远没有达到可以直接在CAD系统中应用的程度。逆向工程CAD技术与现有CAD/CAM系统的关系只能是一种相辅相成的关系。现有CAD/CAM系统经过几十年的发展，无论从理论还是实际应用上都已经十分成熟。因此，从现有CAD/CAM系统来说，它不会为了满足逆向工程建模的特殊要求从系统结构上进行变更。但是，逆向工程CAD技术中用到的大量建模方法完全可以借鉴现有CAD/CAM系统，不需要另外搭建一个新平台。众所周知，在正向设计中主要应用到四大主流软件CATIA、UG、PRO/E和Solid Works，但是，由于开发商的侧重点不同和应用领域的需求不同，这些软件的曲线曲面功能比较强大，但其点云数据处理能力远不能满足逆向工程的需要。于是便产生了专门的逆向工程软件。在逆向工程中为了能够对测量的点云数据进行有效的处理，主要有五种广泛应用的软件:UG/Image ware、Rapid Form、Studio、Copy CAD、ICEM Surf。这些软件分别出自于不同的国家不同的公司，虽然在数据的计算方法、处理技术上可能会有所差异，但是它们处理点云的过程都是大同小异，基本是对点云进行修正、拼接、合并、成面，也可以说是遵循“由点到面”的次序进行。其处理后的三维模型数据都可以通过标准接口格式(例如:通过IGES，DXF，STL等多种格式相互转换)转换给各种正向工程软件直接使用。有的主流软件甚至还可以直接兼容某些特定逆向软件的文档，例如:Rapid Form的文件可以方便的在Solid Works中使用，ICEM Surf也可以说起到了Pro/E中的逆向工程模块的作用，而Image ware(如今己经被UG所合并为一逆向功能专用插件，实际成为了新版UG中专门用来进行点云数据处理的模块)的数据也可以顺利地在UG中调用。由此，不难看出，逆向工程技术在整个制造体系链中是处于一个从属、辅助建模的地位，逆向工程CAD技术可以利用现有CAD/CAM系统，帮助其实现自身无法完成的工作。这也说明了逆向工程CAD技术(包括相应的软件)始终不是市场上的主流，而大多数CAD/CAM系统又均包含了自己的逆向工程模块或第三方软件包这样一种情况。逆向工程一般包括数据采集、数据处理、曲面重构及CAD建模，一般流程如图3.1所示 。实物样件形状数据采集CAD模型重建CAD/CAE系统PDM系统二维工程图技术文档仿制改制产品RP快速成型CAM制造系统模具加工产品样件新产品图 3.1基于实物模型重建的逆向工程技术流程3.2 逆向工程的应用3.2.1 逆向工程应用的范围介绍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，其应用范围包括： （1）由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，经常要对已有的构件做局部修改的领域。一些特殊领域，如艺术品、考古文物的复制、医学领域中人体骨骼及关节等的复制、假肢制造、以及在制造特种服装及头盔等，需要首先建立人体的几何模型。这些情况都必须从实物模型出发得到产品数字化模型。在原始设计没有三维产品数字化模型的情况下，如果能将实物零件通过测量数据预处理产生与实际相符的产品数字化模型，对模型进行修改以后再进行加工，将显著提高生产效率。因此，逆向工程在改型设计方面可以发挥正向设计不可替代的作用。 （2）当设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常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（如风洞实验等）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。在诸如飞机、汽车、摩托车、家用电器等产品开发中，产品的空气动力学性能和美学设计显得特别重要的领域。这些产品的几何外形通常不是应用CAD软件直接设计的，而是首先制作木质或粘土全尺寸或比例模型，然后利用逆向工程技术重建产品数字化模型。逆向工程技术在此类产品的快速开发中显得举足轻重。（3）在没有设计图纸或设计图纸不完整，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）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。为了研究上的需求，许多大企业也会运用逆向工程协助产品研究。例如韩国现代汽车在发展汽车工业制造技术时，曾参考日本HONDA汽车设计，将它的各个部件经由逆向工程还原成产品，进行包括安全测试在内的各类测试研究，协助现代的汽车设计师了解日系车辆的设计意图。这是一个基于逆向工程的典型设计过程：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，吸收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，迅速地占领市场。（5）在快速原形制造（RPM）中通过逆向工程，可以方便地对快速原形制造的原形产品进行快速、准确的测量。某些大型设备，如航空发动机、气轮机组等，经常因为某一零件的损坏而导致整机停止运行。通过逆向工程技术，可以快速生产这些零部件的替代零件，从而提高设备的利用率并延长使用受命。（6）借助于工业CT技术，逆向工程不仅可以产生物体的外形形状，而且可以快速发现、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的主要手段。3.2.2 逆向工程在汽车行业上的应用逆向工程在汽车行业上的应用广泛，几乎涉及到了汽车设计的各个方面。重点集中于如下几方面：（1）汽车外表面覆盖件；（2）白车身冲压件；（3）汽车内外饰。汽车外形（覆盖件）：是现代汽车设计中的重要环节。通常，新车型的外观设计分为两种类型:一是开发全新的外观;二是原有样式的改型设计。其中改型设计约占70%，是在原有样式的基础上进行改造和再开发，原有设计成果可以继承下来。对于纯粹的新外观开发而言，仍有大量的工作属于仿制开发。因此将汽车主模型的实物模型，经过三坐标数据扫描，然后进行计算机3D几何模型的重建过程，成为整个汽车工业设计与生产过程中最重要的环节之一。根据逆向工程所生成的计算机3D模型，可以利用现有的先进CAD/CAM技术，进行新车型的产品设计、工艺设计、模具设计、模具制造及质量检验等后续生产过程。另外汽车覆盖件大都采用薄板金属冲压而成，其模具制造周期影响着汽车的制造成本以及新产品开发周期。目前，降低车身覆盖件模具费用和缩短生产周期是汽车厂商的共同追求。但是，冲压成形过程是非常复杂的物理过程，涉及几何非线性(冲压中板料产生大位移、大转动和大变形)、物理非线性(又称材料非线性，指材料在冲压中产生的弹塑性变形)和边界非线性(指模具与板料产生的接触摩擦引起的非线性关系)等问题;再加上工件形状的不规则，使得冲压成形过程分析相当复杂，且不易计算出冲裁力、拉深力、压边力等，不易确定是否可能出现缺陷，也不易估计出缺陷可能发生的位置。这样，随着工件几何形状越来越复杂，传统的冲压设计面临着巨大挑战。产品开发的经验表明，样件的制作及试验已经成为新产品开发的主要瓶颈。为了克服这个瓶颈，可以引入逆向工程思想，先对由用户提供的或试制出的产品样件进行数据扫描，重构三维CAD模型，并对其进行改进设计，然后结合CAE技术，对其进行结构性能分析、并把分析结果反馈到产品设计阶段，再进行优化设计，获得一个与前面产品对象不完全相同，甚至完全不同的新的结构外形，最终达到产品设计创新的目的。这是一种行之有效的缩短设计周期的产品创新设计方法，己被大量的工程实践验证。3.3 逆向工程软件逆向工程的实施需要逆向工程软件的支撑。逆向工程软件的主要作用是接收来自测量设备的产品数据，通过一系列的编辑操作，得到品质优良的曲线或曲面模型，并通过标准数据格式将这些曲线曲面数据输送到现有 CAD/CAM 系统中，在这些系统中完成最终的产品造型。 由于无法完全满足用户对产品造型的需求，因此逆向工程 CAD 软件很难与现有主流CAD/CAM 系统，如 CATIA 、 UG 、 Pro/ENGINEER 等抗衡。很多逆向工程软件成为这些 CAD/CAM 系统的第三方软件。如 UG 采用 ImageWare 作为 UG 系列产品中完成逆向工程造型的软件。此外还有一些独立的逆向工程软件，如 GeoMagic 等，这些软件一般具有多元化的功能。例如， GeoMagic 除了处理几何曲面造型以外，还可以处理以 CT 、 MRI 数据为代表的断层界面数据造型，从而使软件在医疗成像领域具有相当的竞争力。另外一些逆向工程软件作为整体系列软件产品中的一部分，无论数据模型还是几何引擎均与系列产品中的其他组件保持一致，这样做的好处是逆向工程软件产生的模型可以直接进入 CAD 或 CAM 模块中，实现了数据的无缝集成。ImageWare 作为 UG NX 中提供的逆向工程造型软件，具有强大的点云数据处理、曲线、曲面造型、误差检测功能。可以处理几万至几百万的点云数据。根据这些点云数据构造的 A 级曲面具有良好的品质和曲面连续性。 ImageWare 的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、真圆度等几何公差。 组成逆向工程系统的设备和软件主要包括：(1)三坐标测量机：它是进行实物数字化的关键设备。(2)数据处理软件：由三坐标测量机得到的外形点云数据在进行CAD模型重构之前，必须进行格式转换、噪声点滤除、数据精简、多视测量数据对齐、点云数据坐标定位和对称基准重建等处理。(3)模型重构软件：如Imageware、ICEM Surf、ProENGINEER、CATIA、NX等软件，还有产品数据管理软件，及支撑软件的硬件平台个人计算机和工作站等。(4)CAE软件：用于计算机辅助工程分析，包括机构运动分析、结构仿真、流场及温度场分析等，目前流行的分析软件有Ansys、MSC Nastran、ADAMS、Moldflow等。(5)快速成型机：用于产生模型样件。按制造工艺原理分为立体光刻、分层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积造型、三维喷涂粘结、焊接成型和数字累积成型等方法。(6)NC加工设备：用于零件原型和模具的制作。(7)产品制造设备：它包括各种注塑成型机、扎出机、钣金成型机等。4 CATIA软件的介绍4.1 CATIA V5介绍CATIA 的全称为Computer-Aided Three-dimension Interactive Application，是由法国著名飞机制造公司达索公司开发，并由IBM公司负责销售CAD/CAM/CAE/PDM集成化应用系统。在世界CAD/CAE/CAM领域中处于领先地位。CATIA 起源于航空工业，被广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子、电器以及消费品行业，它的集成化解决方案基本覆盖所有的产品设计一制造领域，能较好满足工业领域中各类大、小型企业的数字化设计要求。随着工业技术的进步、经济的发展，特别是汽车工业的飞速发展，以及消费者对产品高质量的要求下，CATIA软件的逆向功能被应用的越来越广泛。CATIA是法国达索公司开发的高端CAD/CAE/CAM一体化软件，在世界CAD/CAE/CAM领域处于领导地位。达索公司1981年成立，每年有两次新产品发布，为当今全球最大的CAD/CAM/CAE/PDM软件开发商。CATIA的用户遍及全球的汽车、航空航天、造船、机械制造、家用电器等各个领域，其中世界前20名的汽车企业有18家采用CATIA作为其核心设计软件；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，创造了世界的一个奇迹。达索公司强大的财力后盾为CATIA新产品开发提供了有力的保障，使先进的产品和功能可源源不断地提供给用户；IBM作为全球最大的计算机信息系统厂商，以其强大的技术支持力量，久誉盛名的售后服务，帮助众多的CATIA用户取得了成功。4.2 CATIA模块功能介绍CATIA V5包含了基础结构、机械设计、形状、分析与模拟、AEC工厂、加工、数字模型、设备与系统、加工的数字进程、加工模拟、人机工程学设计与分析、智件及ENOVIA V5 VPM几大模块,且可在各设计、分析、加工模块之间无缝跳转切换。图2.1所示为包含了所有CATIA V5模块的菜单。根据企业的需求的不同，一个企业只会用CATIA V5模块中的一部分 ，但是，对与一个学机械的大学生来说应该全面的了解CATIA V5。图4.1 CATIA V5模块“基础模块”包含了如图4.2所示的模块，装配件的产品结构、材料库、与CATIIA早期版本接口、标准件库编辑器和能够实现逼真、美丽的渲染效果的照片工作室和室时渲染，还有虚拟现实、特征字典编辑器等模块。图4.2 基础结构在图4.3中可以看到CATIA V5用于机械设计的模块：除了实体造型的零件、装配件设计、二维制图和二维草图基础模块外，还有焊接模块、线框和曲面设计等十九种模块。图4.3机械设计图4.4所示，“形状”子菜单中包含了CATIA曲面造型的模块，包括自由曲面造型（Free Style Shape）、创成式曲面设计（Generative Shape Design）、汽车A级曲面造型（Automotive Class A）、汽车车身紧固件设计、在二维图片上描画曲线的早图跟踪器、处理从三坐标测量仪生成的点云数据的数字化外形编辑器，以及后续重建曲面的快速曲面重建模块（Quick Surface Reconstruction）、在点云数据上直接造型的外形雕刻等模块。图4.4 形状图4.5所示，“分析与模拟”子菜单中包括变形装配的公差分析、高级网格工具和对零件进行快速的、准确的应力分析、变形分析和振动分析等创成式结构分析模块。图4.5 分析与仿真图4.6所示，“AEC工厂”子菜单中包含工厂布局模块。图4.6AEC工厂图4.7所示，“数控加工”子菜单中包括车床加工（两轴或4轴加工）、两半轴加工、曲面加工、高级曲面、加工检查和快速成型机等模块。图4.7数控加工图4.8所示，“数学模型”子菜单中包含许多DMU模块，如数字样机漫游器、检查数字样机尺寸和干涉的空间分析模块、运动机构仿真模块和拆装模拟等模块。图4.8 数学模型图4.9中可以看到，“设备与系统”子菜单中有许多设备与系统模块，如电路板设计、管路和设备原理图设计等模块。图4.9设备与系统图4.10所示，“加工的数字流程”子菜单中包括用于加工流程的公差与标注。图4.10加工的数字进程 图4.11所示“人机工程学设计与分析”模块包括人体模型测量编辑器、人体模型构造器、人体行为分析和人体姿势分析。图4.11人机工程学设计与分析图4.12所示，“智件”模块组，是CATIA V5的精髓之一。智件模块组包括知识工程顾问、知识工程专家、产品工程优化、产品知识模板、业务流程知识模板、产品功能定义和产品功能优化。图4.12 智件4.3 CATIA逆向工程建模基础4.4 CATIA曲线曲面基础样条函数、参数样条曲线及Coons曲线曲面，它们都属于构造插值曲线和插值曲面的方法，即主要用于构造那些通过给定型值点的曲线和曲面。4.4.1 曲线在CATIA中用贝赛尔曲线、B样条曲线、NURBS曲线定义自由曲线和近似圆锥曲线（椭圆、双曲线、抛物线）。主要信息包括方向、节点、控制点等，它们决定着曲线的形状和特性。4.4.2 曲面贝塞尔曲面、B样条曲面、NURBS曲面的基本元素包括：法线、节点（Knots）和跨度、控制点、面片（Patch）、分段（Segment）和阶次等。曲面的主要信息和曲线基本是一致的，也包括方向（曲面法矢）、节点、控制点等，不同的是曲面由U、V两个方向决定曲面的形状和特性，阶数越多，曲面越难控制，CATIA最高可以生成1616阶的曲面。4.5 CATIA曲线曲面基础一般而言，产品外形的CAD模型是由多张不同几何形状的曲面经过延伸、过渡、裁剪等处理混合而成，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模型的过程中，单纯的使用某种曲面生成方法是无法完成整个模型的重构，应根据此产品外形的几何特性，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。产品的逆向曲面重构的过程如下图4.13所示。曲面分割选择合适的造型方法生成曲面曲面质量评估（精度、光顺性）曲面裁剪、生成外表面外表面光顺性评价图4.13曲面重构流程可见，在曲面重建的过程中，了解一些曲面生成的方法及数学原理，可以加快曲面重构的进程。这里的分类是应用层面上的，不是数学或专业的分法，主要是日常工作常用的一些曲面生成方法。曲面造型分两种方法，一是曲线构造曲面；二是由曲面派生曲面。4.5.1 由曲线构造曲面的方法1. 旋转曲面：一轮廓曲线绕某一轴线旋转某一角度而生成的曲面。2线性拉伸面：一曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的曲面。3. 直纹面：多条线沿某个方向（U或V）构成面。由于同时用到几条线，且生成曲面时，把相邻两曲线参数数值相同的点用直线段连接而得到曲面，所以，这些的排列距离和均匀程度对结果影响很大。4. 扫描面：截面发生曲线沿一条、二条、或三条方向控制曲线运动、变化而生成的曲面。可根据各发生曲线与脊骨曲线的运动关系，把扫描面分为平行扫描曲面、法向扫描曲面和放射扫描曲面。由于这种造型方法只需指定运动对象及其运动轨迹，方法简洁、高效，因此，许多商用造型系统都有这种造型功能。扫描法在生成复杂形状的曲面和实体的几何造型系统中具有很强的造型功能。扫描曲面涵盖的范围很广，从简单的平面到不同截面所组合而成的曲面等，都能用扫描曲面来表示，工业产品的外形绝大多数是由一般形状简单的曲线或曲面所组成，因此，这些曲面大部分都能表示成扫描曲面。5.网格曲面：由一系列曲线构成的曲面。根据构造曲面的曲线的分布规律，网格曲面可以分为单方向网格曲面和双方向网格曲面。6.边界曲面：由四条曲线做边界创建一个封闭的曲面。7.填充曲面：在N条边界包围的区域填充形成的曲面。4.5.2 由曲面派生曲面的方法1. 等半径倒圆曲面：一定半径的圆弧段与两原始曲面相切，并沿着它们的交线方向运动而生成的圆弧形过渡面。2. 变半径倒圆曲面：半径值按一定的规律变化的圆弧段与两原始曲面相切，并沿它们的交线方向运动而生成的圆弧形过渡面。3. 等厚偏移曲面：与原始曲面偏移一均匀厚度值的曲面。4. 变厚度偏移曲面：在原始曲面的角点处，沿该点曲面法矢量方向偏移给定值而得到的曲面。5. 混合曲面（桥接曲面）：在两个（或多个）分离曲面的指定边界线处，生成一个以指定边界为生成曲面的边界线，与所选周围原始曲面圆滑连接的中间曲面。6. 延伸曲面：在曲面的指定边界线处，按曲面的原有趋势（或某一给定的矢量方向）进行给定条件的曲面扩展而生成的曲面。7. 修剪曲面：把原始曲面的某一部分去掉而生成的曲面。8. 拓扑连接曲面：把具有公共边界线的两个曲面进行拓扑相加后的曲面。对不规则的自由曲面在CATIA中由贝塞尔曲面（FS自由曲面造型模块）和B样条曲面（包括非均匀B样条曲面NURBS曲面，GSD通用曲面造型模块）两种不同的定义形式。由于贝塞尔曲面和样条曲面以四边面为基础，所以对三边面或多边面的处理将是CAD软件处理的难点，如Imageware通常采用过渡曲面的方法，而CATIA可以对此类曲面的直接处理也可以得到很好的效果，也可以看出此软件的曲面造型功能的强大。4.6 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：数学模型的精度误差满足用户可交付使用；曲面内在的质量要求，如曲面的连续性要求，光顺性要求等；曲面连续过渡的质量要求，如不能出现尖角等；过渡曲面的流动路径要求；曲面或局部协调性和对局部特征分界的合理性；工程制造标准的要求；模具拔模的工程制造符合性要求；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，如下图4.14。扫描点云特征线面实体模型图4.14逆向建模一般流程4.7 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。点及点云数据处理的高效率。可以构建Class A曲面。可以根据需要快速构建Class B曲面。GSD模块曲面功能强大，并可进行可行性分析。多样化检测工具（曲率分析、连续分析、距离分析）。三角网格曲面直接进行3轴加工。以DMU SPA对数位模型进行空间干涉检测。5 三维数据采集与点云处理5.1 三维激光扫描技术简介定义：通过激光测距原理（包括脉冲激光和相位激光），瞬时测得空间三维坐标值的测量技术。特点：1.三维测量传统测量概念里，所测的的数据最终输出的都是二维结果，在现在测量仪器里全站 仪，GPS比重居多，但测量的数据都是二维形式的， 在逐步数字化的今天，三维已经逐渐的代替二维，因为其直观是二维无法表示的，现在的三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含X,Y,Z点的信息，还包括 R,G,B颜色信息，同时还有物体反色率的信息，这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉，是一般测量手段无法做到的。2.快速扫描快速扫描是扫描仪诞生产生的概念，在常规测量手段里，每一点的测量费时都在2-5秒不等，更甚 者，要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量，在数字化的今天，这样的测量速度已经不能满足测量的需求，三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状，最初每秒 1000点的测量速度已经让测量界大为惊叹，而现在脉冲扫描仪（scanstation2）最大速度已经达到50000点每秒，相位式扫描仪 （HDS6000）最高速度已经达到500000点每秒，这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本保证，古文体，工厂管道，隧道，地形等复杂的领域无法测 量已经成为过去式。3.应用领域广泛作为新的高科技产品，三维激光扫描仪已经成功的在文物保护、城市建筑测量、地形测绘、采矿业、变形监测、工厂、大型结构、管道设计、飞机船舶制 造、公路铁路建设、隧道工程、桥梁改建等领域里应用。三维激光扫描仪，其扫描结果直接显示为点云 （pointcloud 意思为无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果），依据点云能够提取任何你想得到的信息。传统三维激光扫描仪器的“硬伤”：1.因为技术限制设备体积较大，因此操作时必须有支架支撑。这样就限制了扫描仪器在空间狭窄区域的应用，如扫描汽车内饰。2.一般都需要外部定位系统，也就是说被测工件必须是静止不动的，这样才能使扫描仪器的精确定位，同时保证各个方位扫描的点云数据处于同一坐标系下。3.无法实现多扫描头并行工作，注定在扫描大器件时工作周期长。5.2 三维数据获取方法数据测量是指通过特定的测量设备和测量方法，获取实物模型表面离散点的几何坐标数据的过程。数据测量是逆向工程技术的基础，是三维坐标点的来源。同时，测量点的分布和数量的多少都影响模型重构的方法和效果。如何根据几何外形选取不同的测量方法和测量路径，一直是数据测量技术的主要研究内容。研究人员长期以来对这一问题进行了的大量研究，测量系统与物体的作用包括光、声、电、机等方式，本文对这些测量方法进行归类，并对常用的三维数据获取技术的原理、优点和局限性进行简要的介绍和分析。工程中数据测量方法主要有三种：一是接触式测量法；二是非接触测量法；三是逐层扫描测量法。数据测量，又称产品表面数字化，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，就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因而，高效、高精度的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之间扮演着桥梁的作用。可以这么认为，数据测量是逆向工程的基础，测得数据的质量事关最终模型的质量，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的精度。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。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，还造成了测量数据类型及后续处理方式的不同。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，接触式又可分为触发式和连续式；非接触式根据原理不同，又可分为光学式和分非光学式。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；而非光学式则包括CT测量法、MRI测量法、超声波法和层析法等。如图5.1。测量方法接触式声学式逐层扫描式非接触式光学式激光三角形法距离法结构光法图像分析法超声波法工业CT法核磁共振法自动断层扫描法CMM图5.1 测量系统分类5.2.1 接触式测量系统接触式测量一般采用三坐标测量仪，沿着样件截面线进行测量，将复杂的三维曲面测量转化为二维测量，按曲面曲率的变化不均匀的布点。接触式数据采集方法包括使用基于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描数据采集、磁场法、超声波法等。1. 触发式数据采集方法：触发式数据采集采用触发探头，当探头的探针接触到样件的表面时，由于探针尖受力变形触发采样中的开关，这样通过数据采集系统记下探针尖(测球中心点)的当时坐标，逐点移动，就能采集到样件表面轮廓的坐标数据。在触发式数据采集过程中，由于探针必须偏移一个固定数值才会触发开关，而且一旦接触到样件的表面后，探针需要从法向退出以避免过量而折断，因此数据采集速度较低。2. 连续式数据采集方法：连续式数据采集采用模拟量开关采样头，由于数据采集过程是连续进行的，速度比点接触触发式采样头快许多倍，采样精度也较高。此外，由于接触力较小，允许用小直径的探针去扫描具有细微部分或由较软材料制造的模型。由于采样速度快，连续式数据采集可以用来采集大规模的数据。3. 磁场法：该方法是将被测物体置于被磁场包围的工作台上，手持触针在物体表面上运动，通过触针上的传感器感知磁场的变化来检测触针位置，实现对样件表面的数字化，其优点是不需要像坐标测量机一类的设备，但不适宜于导磁的样件。5.2.2 非接触式测量系统非接触式三维数据获取方法主要是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取实体的三维信息，主要包括激光三角形法、结构光法、工业CT法等。1. 激光三角形法：是迄今逆向工程中曲面数据采集运用最广泛的方法。其测量的基本原理是利用有规则几何形状的测量光源投影到被测表面上，形成漫反射光带，并成像于空间位置的图像传感器，根据三角形原理可测出被测表面各点的空间坐标。测量精度在0.01mm左右，采样速度可以达到每秒数万点。2. 结构光法：该方法将一定模式的光照射到被测样件的表面，然后摄取反射光的图像，通过对比不同模式之间的差别来获取样件表面点的位置。这种方法中最典型的是Shadow moire