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C A T I A曲面造型在汽车设计中的应用1.曲线、曲面的分析调整 由于高质量的曲线是生成高质量曲面的保证，所以要生成高质量的曲面，首先应生成高质量的曲线。C AT I A提供了功能强大的曲线分析和调整功能。ARC,SPLINE , NURBSCRV通过最小二乘法、分段多项式函数或非均匀有理B样条函数， 生成充分和完全逼近空间曲线的参数表达式。A NALYSIS+CURV以图解的形式描述了曲线曲率半径和切线方向变化的规律，通过ARC+DEFORM, SPLINE+DEFORM等模块对曲线进行调整，使生成曲线尽可能的达到要求。曲面的分析功能和调整功能与曲线的相类似，主要是通过调整曲面的节点、U V方向上的BEZIER特征多边形网格顶点的位置调整曲面片。准确的分析和调整将保证我们生成高质量的曲面片，达到设计要求。2.曲面质量的评价 在曲面设计中，对生成曲面片质量的检查是一个很重要的环节。具体如下: 1 )对生成的单个曲面进行简单的上光着色检查，确认生成的曲面平滑、无扭曲变形。对多个曲面进行检查。 2 )检查连接时，应注意是否有T型连接和错位连接，曲面的连接偏差不应该大于0.02mm， 如果偏差过大会对派生曲面(OFFSET)和数控加工(扎刀)造成困难。另外，必须保证两个曲面片的跨界切矢或跨界曲率连续，用跨界法检查时，其跨界法矢的角度不大于 1 度。用反光线检查时，反光线的趋势要一致，在曲面连接处不应有错位。用光谱检查时，光谱形状疏密应变化均匀，符合造型要求，在曲面连接处不应有错位。 3 )曲面组合连接，构造冷气扇的整体曲面 将前述生成的曲面两两连接为一个整体。曲面连接时利用生成的曲面的边界，用SURF2 + FILLET功能做变半径倒圆，实现曲面间的光滑连接。 4 )曲面整体的评价 光顺的独立曲面连接并不能保证一定能生成光顺的整体曲面，因而对整体曲面的评价是保证设计零件光顺的重要一步。3.设计过程中应注意到的几点问题 首先因为曲线是曲面生成的基础，那么曲线质量的好坏就会直接影响着曲面片的质量，而且在实际的操作过程中，曲面片的修改和调整是比较复杂和繁琐的，相比较而言，曲线的修改要简单的多，因此，耐心的构造出质量较高的曲线是非常重要的。另外，在修改和调整曲线是时要注意保持曲线端点的控制条件 ( 至少C 2阶连续)，这样才能保证曲面的光顺连接。随时检查曲线和曲面的质量，以避免不必要的返工和重复。CATIA中曲线、曲面的光顺性检查及修形处理的方法 本章节主要是对曲线、曲面的光顺检查、不光顺原因的分析、判断和修形的方法作一些使用经验介绍，要熟练的掌握这些方法，需要工程设计人员在设计过程中不断地积累经验，不断提高对几何图形的分析能力，根据曲线曲面的具体情况及设计要求进行具体的分析，修形设计出漂亮光顺的曲面几何外形。1.1光顺的概念光顺性包含光顺和顺眼两方面的概念，光滑表明曲线、曲面的连续性，而顺眼是工程设计人员依据其设计经验的一种模糊的主观判断的感觉。1.2对曲线、曲面光顺的基本准则可以归纳为以下基本的几点： 1) 定义外形的曲线、曲面一般至少应具有一阶连续性，严格的说要求二阶导数连续； 2) 曲线、曲面无多余拐点，首先是尽量保凸，其次可以适当有拐点； 3) 曲率应该均匀变化； 4) 曲面外形应该从肉眼看上去比较顺眼、舒服； 5) 对于空间曲线，要求挠率变化均匀。 实际上曲面的光顺准则更为复杂，通常要根据曲面上的关键曲线（如 U、V 方向的参数线）是否光顺，以及曲面的曲率变化云图进行精确的分析。1.3生成的曲线、曲面不光顺的原因主要有： 1)型值点是光顺的，但由于参数的不合理而导致所生成的曲线、曲面不够光顺； 2)型值点是光顺的，但是曲线、曲面的生成方法或者采用的曲线、曲面表达形式不理想而导致所生成的曲线、曲面不光顺； 3)型值点本身不光顺而导致所生成的曲线、曲面不光顺。 光顺的方法就是要找出坏点、去掉坏点或者修改部分型值点。在 CATIA软件中，提供了有效的方法来对曲线进行光顺检查以及自动对曲线进行光顺。（型值点通过测量或计算得到的曲线或曲面上少量描述曲线或曲面几何形状的数据点）2.1曲线的光顺性检查 使用曲率检查工具“ Porcupine CurvatureAnalysis”进行曲率分析。此工具可以检查曲线的曲率分布情况，显示曲线实际的曲率与该点的曲率大小，结果的表现方式以许多不同长度的线段显示一条曲线上的曲率分布。如图 2.1.1 所示，图中的曲线曲率连续且变化均匀、没有拐点，因此是光顺的。 选择“Project On Plane”选项，可以将曲线的曲率图投影到指南针所在的平面或曲面上，对于空间曲线有时候这样做更容易 图2.1.1 找出曲率变化的拐点。2.2 曲线的光顺处理方法 CATIA中提供了 Curve Smooth 功能自动对曲线进行光顺。如图 2.2.1 是光顺之前的曲线，拐点多，变化很不均匀，有些地方曲率不连续。图 2.2.3和图 2.2.4 中是光顺之后的曲线。Curve Smooth 的主要参数有 Curvature threshold（曲率极小值）、Maximum deviation（最大偏移）、Topology simplification（拓扑简化） 。分别设置相应参数，经过光顺之后的曲线如图 2.2.3，可见曲率变连续了，但还是有很多拐点，如果把 Maximum deviation 值加大一点，则拐点的数目大大减少，如图 2.2.4。但是要综合考虑曲线对型值点的逼近精度是否满足要求。Curve Smooth 工具中的 Freeze 选项可以选择曲线的某一段曲率保持不变，如选择曲线最左边的一小段，得到图 2.2.5的结果。可以看到这段曲线没有光顺，曲率保持不变，而曲线的其他部分进行了光顺处理。Curve Smooth 功能是对手工光顺过程的直接模拟，通过去掉一些坏点来重新插值，减少拐点数，从而改善曲线的光顺性，使用起来很方便，但是由于这个过程是自动完成的，有时候并不能满足我们的要求。这时需要手工进行光顺。找出坏点、进行点的取舍或者修改型值点的参数重新生成曲线。如图 2.2.6和图 2.2.7 所示，在靠近拐点处选一个点给它增加一个切矢，去掉了曲线的拐点。在满足条件的情况下，也可以用去掉点的方法重新生成曲线。曲线的光顺方法需要设计人员在设计过程中不断的摸索，根据不同的情况采取不同的方法。通常在满足条件要求的情况下尽量采用圆锥曲线生成，因为圆锥曲线具有保凸性，曲率变化均匀。3曲面的光顺 曲面光顺的目标： 1) 在满足设计约束条件下，曲面不存在局部凹陷和局部凸出 2) 曲面各处曲率比较均匀，一般至少一阶导数连续 3.1 曲面的光顺性检查 曲面的光顺性检查有很多种方法，大致可分为两类。 1）基于曲率的方法； 2）基于光照模型的方法。 3.1.1 基于曲率的方法 曲率的颜色映射（Surfacic Curvature Analysis） 。就是把曲面上每一点处的曲率值用颜色和亮度信息直观地表示出来。从图上观察曲面曲率的分布情况，可以大致判断曲面的光顺性。比较图 3.1.1和 3.1.2，前者的曲率变化比较均匀，后者的曲率变化比较剧烈，显然后者的曲面品质要差些。 切面分析（Cutting Planes） ：利用一组平面去切割曲面，利用这些交线进行曲面分析。平面的形式可以是一组平行的平面，或者是垂直于某曲线的平面，也可以是各自独立的平面。例如用一组平行的平面去截给定的曲面。图 3.1.3 是对图 3.1.1 的曲面进行检查的结果，可以看到曲面上有拐点，而在图 3.1.1中是看不出来的。图 3.1.4 是对图3.1.2 的曲面重新检查的结果，可以清楚看出不光顺处曲率的跳动情况和拐点的位置。因此，这种方法能够对曲面的曲率进行精确的定量分析，对于要求较高的曲面应该采用。 反曲线（Inflection Lines）的方法。反曲线是指曲面上曲率为零（或者接近为零）的线，可看成许多曲线反曲点的联机，反曲线的两侧曲率方向相反。此法可以利用指南针选定切割平面的法线方向， 也可以曲面的Parametric （参数的） 方向分析曲率。 图3.1.5中采用Parametric方式。3.1.2 基于光照模型 利用等照度线、反射线、环境图形、一束平行的等间距的日光灯等在曲面上的反射线检查曲面的光顺性，若这些反射线比较规则，分布均匀，则光顺性较好。这种方法直观性强，检查速度快，可以作为光顺性的初步检查。下面取同一组两张曲面用每种方法分别进行检查。 等照度线(Isophotes Analysis)。点击该工具按钮，即可得到等照度线在曲面上的映像图。比较图 3.1.6中左右两幅图像，左图反射线比较规则，分布均匀，因此曲面的光顺性较好。而右图的映像存在局部紊乱，因此光顺性较差。 反射线（Reflection Lines） 。此功能可以建立一组直线，将其映像到曲面上，通过观察反射的结果来分析曲面的光顺性。如图 3.1.7 的两幅图象，左图反射线比较规则而且分布均匀，可以粗略判断曲面的光顺性较好。而右图的反射线不够规则，局部出现紊乱，所以曲面品质不太好。此功能跟入射光的方向有关，入射光的方向不同，反射的结果也不同，在某些方向上看上去较好的结果不等于曲面的品质就好，需从多个角度进行观察，确保各个方向的反射结果都比较好。 环境映射（Environment Mapping） 。通过环境中的一幅图形在曲面上的映像来检查曲面的品质和光滑程度。如图 3.1.8 中的两幅图象，左图的映像变化比较均匀，说明曲面比较光顺。而右图存在局部紊乱，说明曲面局部光顺性较差。 ACA Highlight。通过一束等间距的灯光在曲面上的映像来判断曲面的品质。如图 3.1.9 中的两幅图像，左图的映像比较均匀，没有出现扭曲。右图的映像变化不是很规则，说明该曲面品质不如左边的好。3.1.3 曲面光顺检查方法的对比 基于曲率的方法可以使我们方便地观察曲面曲率的分布情况。曲率的颜色映射能帮助我们识别曲面上的波动、凹凸区域等，找出曲面上的最大和最小曲率值和判别相邻曲面之间的一阶、二阶连续性，这种方法对曲面形状的微小变化很敏感，但是只能大概判断曲面的光顺情况，对于要求较高的曲面，可以用切面分析法，通过截面线的曲率可以进一步判断曲面是否光顺以及不光顺处的曲率变化。基于光照模型的方法实质上反映了曲面法矢的变化情况，但是这些方法也都只是定性的分析，有经验的设计人员通常可以根据这些方法的检查结果对曲面的光顺性进行大致的判断，而要进行精确的分析，就要依靠切面分析法，在曲面的纵横向用多个平面切出若干曲线，通过检查曲线的曲率来判断曲面是否光顺以及曲面不光顺时的局部曲率变化。3.2曲面的光顺 在曲面设计的时候，首先要注意，在满足构形要求的情况下，尽量采用简单曲面如旋转曲面、直纹曲面。而用迭层（Loft）功能生成的曲面，由于是用渐进变形的方式生成，所以局部容易出现凹凸。 曲面光顺方法是与曲面的检查方法结合使用的，通过检查曲面的曲率变化规律，找出曲面的不光顺区以及不光顺的量值，调整生成曲面的控制曲线，重新生成曲面，再检查，反复进行直至满足设计条件。 曲面的光顺通常是通过增加或减少控制切面、修改导向曲线或切面线来进行。比如对于过渡曲面，有缺陷或曲率变化较大的地方应适当增加控制切面。 方法使用举例： 1修改切面线：比较图 3.2.1 的两幅图，左图是光顺之前的曲面局部放大图，用曲率云图法检查可以看到曲面有凹陷，这是因为切面线本身有凹陷，修改切面线以后曲面较光顺，如右图所示。2增加导向曲线。图 3.2.2 是一张曲面的侧视图，该曲面从一个近似于方形的切面过渡到一个圆形切面， 在切面不能更改的情况下只能通过调整导向曲线来控制曲面的过渡。 左图的曲面显得前面比较平，后头有点鼓（图中深色部分曲率较大） ，过渡不够均匀。右图在曲面侧面的中间位置增加了一条导向曲线，曲面的过渡就显得平滑了很多。在 CATIA 的自由造型模块里面，还提供了一种利用控制点来调整曲线、曲面形状的功能，通过选取控制点并移动其位置，从而改变曲线、曲面的外形。但是该方法在应用上有较大的弹性，不容易达到光顺的目标。基于CATIA的逆向工程的曲面重建在曲面重构时，对于曲率变化较小或者变化均匀的曲面，可将它当作一张曲面来构建。对于曲率变化不是很大的地方，直接由特征线建面（如拉伸、扫掠等功能）的精度比用Power Fit更高。曲面重构过程1) 将处理好的点云数据 即图-数据 导入CATIA中 对零件外形进行分析，若为左右对称结构，可以删除一部分点云,减少计算机的运算量节省时间。2）在CATIA的DSE模块下,利用Mesh Creation生成云点网格面,在建立网格面后可能存在未铺面的洞,可以使用DSE下的Fill Hole修补网格命令进行修补。使用Analysis下面的Distance Analysis命令进行分析 直到所得到的网格面与云点之间的距离达到拟合程度的要求3）创建扫描线。建立扫描线的方法有多种方法，可以利用DSE模块下Curve from Scan命令直接由云点生成,也可以使用DSE模块下Planar Section命令，由平面与点云或网格面相交求扫描线等。4）创建曲线。曲线的建立有很多种方法，如在DSE模块下直接使用Curve from Scan命令，利用存在的扫描线生成曲线等。曲线是曲面重构的关键所在，一般认为曲线光顺了，曲面也就光顺了。曲面满足以下4个准则认为曲线达到光顺：a.二阶几何连续(指位置、切线方向与曲率矢量连续，简称曲率连续）b. 不存在奇点与多余拐点c. 曲率变化小d. 应变能小5）曲面填充。在创成式曲面设计简称GSD模块下,通过Fill命令将曲线围成的封闭区域填充形成曲面片。6）曲面拼合。由于鼠标是由多个曲面组成的，因此需要在GSD模块下利用Split(裁剪)、Shape Fillet(曲面圆角)、Join(曲面合并)等命令生成一张完整的曲面模型，最后在通过镜像得到鼠标的曲面模型。逆向工程中使用CATIA软件快速构建高质量曲面1.点云数据的获取测量所保存的数据格式也有很多种，目前使用最普遍的格式为IGES格式。2.点云数据的输入与网格面的生成在DSE模块中，在输入数据时，如果同一个产品有多个点云数据，在输入时又一次性输入，这时需取消导入点云话框中的“Grouped”复选框。用Filter(过滤器)命令将点云进行过滤，只保留少部分点。输入的点云很难辨别产品的细节特征。所以还需对点云进行网格化，选择Mesh Creation(网格创建)图标，弹出网格创建对话框，对话框中参数通常使用默认值，系统会根据选择点云的情况自动产生一个合适的值以生成的网格面，从生成的网格面可以看出产品的细节特征，对后面产品造型起到辅助作用。 使用Activate(激活)图标，只显示前面主体的部分，下面将对主体面进行创建。切换至Quick Surface Reconstruction(快速曲面构建)工作台，使用Segmentation by Curvature(通过曲面分段)命令在网格面上生成等曲率云线，以上一步生成的等曲率云线作为选择主体面的边界参考，使用Activate(激活)命令，选择云线中间的部分（也就是主体面部分）。前面所做的是逆向工程的前期工作，选择点云的范围将直接决定后面曲面的大小与质量，所以在选择时应尽量精确，这样可以减少后续反复的次数，提高成功率。下面使用选择的点云来构建相应的曲面：确定当前工作台为Quick Surface Reconstruction(快速曲面构建)，单击Power fit(强力拟合)图标，弹出相应对话框，注意对话框中一些参数的设置，首先是设置Tolerance(公差)值，公差值可以从大慢慢变到小。在变小的过程中注意曲面的变形情况。在保证曲面不变形的情况下设置到最小的公差值。如果这个最小值还超出允许误差值，则需要改变曲面的阶数(Order)和段数(Segments)2个参数。通常情况下，设置段数为1，阶数小于8，如果8阶不能满足要求，可以适当增加曲面的段数。设置好参数后，单击Apply按钮，生成曲面。单击Show Information按钮，可以查看生成曲面与点云的最大值和最小值。3.曲面重构与量化评价生成的曲面和点云如果不满足误差要求，需要通过距离分析工具来分析点云和生成曲面之间的距离值，通过观察距离值来查看最大误差区域的位置，这些位置有可能是噪音点或不是该面的点。单击Distance Analysis(距离分析)图标，弹出相应对话框，选择生成的曲面和点云数据，曲面与点云之间的距离通过针状线显示在绘图区中。可以设置针状线的颜色来区别距离的大小，也可以通过针状线的长短来了解距离的大小。针状线越长距离越大，在某个位置,如果有几个点与附近的点相反，那说明是噪音点，可以删除这些点，再重新拟合。由于拟合的曲面没有参数，所以在删除噪音点后。需要重新拟合，这样重复几次后就可以生成高质量且过点云的曲面。在满足过点要求后还需要对曲面的质量进行评估，使用Cutting PlnHead 命令检查曲面的曲率情况，如果曲率满足要求，就说明曲面创建完成，如果曲率不满足要求，还需重复前面的步骤对曲面进行调整，直到曲率满足要求。基于CATIA的逆向设计在汽车内饰件中的应用1.点云数据的导入和过滤加载点云时可以根据需要来决定采样率。即加载点占原来点数据的百分比(sampling)这样可以提高处理速度。点云过滤可以降低点云密度。滤除噪声点常用的过滤方法有曲率过滤法(Adaptative)和球过滤法(Homogeneous)。若选择Homogeneous类型，点数据将根据输入球半径的大小被均匀过滤这种方式可能会滤去点云轮廓变化处的一些关键点只适合曲率变化不大形状简单的点数据。考虑到有时表面特征及对曲而的要求。选择Adaptative类型。用这种方法，点云数据中平坦部分将比曲率变化大的部分被滤去更多的点，从而保留了曲面重建要用到的关键点。过滤操作时，调整局部弦偏移值。2.点云的网格划分在点云上划分特征线网格的目的，是为了给自由造型模块重建曲面之用，是拟合网格曲面的基础。一般情况下由一个曲面来拟合所有云点是不可行的，应按照模型具有的特征将数据点云分割成不同区域，分别拟合出不同的曲面块，然后应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同的曲面块拼接起来构成一个整体。3.样条曲线的创建与光顺样条曲线的创建是曲面重构过程中最为关键的一步。只有对点云拟合程度高的光顺曲线才能得到高品质的光顺曲面。在逆向设计中，扫描或拟合得到的曲线一般很难保证其光顺，为了构造出一条光顺的插值曲线，需要对原序列点进行修正。样条曲线的创建主要是从扫描线生成，也可以曲面求交来重构曲线。为保证曲面的精度而对原始值点进行光顺修改时其修改后的值点同原始值点的坐标偏差要尽可能的小。对于创建的曲线要检查曲率变化是否均匀，以及曲线连接节点处曲率是否连续，使曲线上各段曲率单凸或单凹。初步光顺曲线。最后还要检查所有样条曲线的连续性只有当所有的样条曲线都连续，且在节点处曲率大小、方向一致时,才能保证曲面填充的成功。4.曲面的创建与光顺根据所创建的曲线，我们可以运用QSR模块里的曲面拟合以及GSD模块里构建曲面的各种方法，如放样、扫掠、缝合等来实现曲面的重建。其中曲面拟合的功能最为强大，它支持从点云到面、从多边形到面、从曲线到面等多种曲创建形式。曲面拟合填充生成的是NURBS曲面，修改曲面的允许偏差(如间隙系数)、网格的数目和顺序、张紧度等参数都会改变曲而的表而质量。而GSD模块支持从线到面的创建过程，可以通过定义引导线、脊线或连接线的方法来控制曲面的过渡。5.曲面拼合由于曲面的填充不是一次性完成的，在曲面填充时会产生缝隙，这些曲面要经延伸、裁剪、过渡后才可拼合成一张完整的曲面模型：并且曲面的连接时要考虑曲率的连续，因此要用过渡曲面将光顺好的曲面连接起来。过渡曲面分为两类，一类是各种倒圆(等半径和变半径)，另一类是两个或多个主要曲面的相接曲面，以保证各个面的曲率连续。在本实例中运用Blend功能做出过渡曲面，再从不同视角进行光顺处理以确保满足设计要求。基于CATIA的逆向工程在汽车车身设计中的应用1.导入点云文件加载点云时可以根据需要（如工作站的配置）来决定采样率，即加载点占原来点数据的百分比（sampling）,以提高处理速度。2.点云过滤(Filter)滤的原理是在曲面变化缓慢的地方，取点的密度较稀疏，在曲率变化较大的部分，才密集地取点，如此用来表现曲面的点的数量才会变少。CATIA的过滤命令中提供了两种方式来过滤: 曲率过滤法(Adaptative)和球过滤法(Homogeneous)Adaptative：根据点与点之间的弦偏差量，把某偏差量以内的点都滤掉，数值越大代表容许的偏差越大Homogeneous：选中此项会在点云上出现一个小圆球，输入的值为此球半径，除了球心，小球周围的点全部滤除掉3.铺面(M