车门逆向设计及其数控模拟加工

某 轿 车 车 门 数 字 建 模 及 其 模 具 型 面 数 控 加 工 仿 真工 学 部专 业班 级学 号姓 名指导教师负责教师摘 要本设计主要介绍以 CATIA 软件为设计平台，运用逆向工程方法完成某轿车车门的 3D 建模设计及其模具型面数控加工仿真并生成数控加工代码的过程。在设计过程中涉及到：点云的过滤、点云整理，然后对点云进行网格化；曲面造型，主要利用 3D 曲线和扫描线等命令编辑车门轮廓，利用曲面拟合和多截面曲面等命令生成曲面；最后利用 CAM 模块进行其型面数控加工仿真并生成数控加工代码。在建模过程中，运用正向设计的思维探讨出一种方法解决因点云数据误差而产生的变形。在运用几种方法对某轿车车门 3D 建模，并进行精度比较后，最后选取本次设计方法。关键词：逆向工程；点云；CATIA；曲面造型；数控加工仿真AbstractIntroduction to the design of the main design platform for the CATIA software, the use of reverse engineering methods to complete a car door design and 3D modeling of surface mold CNC machining CNC machining simulation and code generation process. During the design process involves: point cloud filtering, point cloud finishing, and then on the point cloud to grid; surface modeling, the main use of 3D curves and editing commands, such as scan line door profile, the use of surface fitting and multi-generation cross-section command surface; the last module of its use of CAM surface CNC machining CNC machining simulation and code generation. In the modeling process, designed to use positive thinking to explore solutions to a kind of point cloud data due to errors arising from the deformation. Several methods in the use of a car door on 3D modeling, and accuracy of comparison, the final selection of this design method.Key words:Reverse Engineering；Point Cloud；CATIA; Surface Modeling；CNC Maching Simulation目 录1 逆向工程概述 .11.1 逆向工程定义及其应用 .11.2 逆向工程系统 .31.2.1 产品实物几何外形的数字化系统 .31.2.2 三维 CAD 模型的重建子系统 .51.2.3 产品或模具的制造 .81.3 逆向工程设计前的准备工作 .82 CATIA V5 介绍 .102.1 CATIA 在制造业的应用 .102.2 CATIA V5 概貌 .103 CATIA V5 在汽车零件逆向开发中的应用及基本流程 .183.1 逆向工程的软硬件条件 .183.1.1 逆向工程的硬件条件 .183.1.2 逆向工程的软件条件 .183.2 CATIA 在汽车零件逆向开发中的应用 .193.2.1 零件表面数字化 .193.2.2 点云预数据处理 .193.2.3 特征线提取 .203.2.4 曲面重构 .213.2.5 曲面品质评定 .223.3 逆向开发中注意的问题 .233.3.1 误差问题 .233.3.2 曲面重构问题 .234 某轿车车门数字建模过程 .244.1 点云的处理 .244.1.1 过滤点云 .244.1.2 点云三角网格化 .274.2 对门把手处创建曲面 .284.2.1 变形处理 .284.2.2 创建空间曲线 .294.2.3 创建曲面及其与点云贴合度分析 .314.3 在点云网格面上对车门整体外形创建曲面 .324.3.2 对车门整体外形创建 3D 曲线 .334.3.3 创建车门整体曲面及其与点云贴合度分析 .354.3.4 桥接并接合车门内各曲面 .384.3.5 综合分析车门整体曲面及其与点云贴合度检测 .415 轿车车门模具型面数控加工仿真 .465.1 创建毛坯零件 .465.2 创建加工坐标原点 .475.3 设置零件操作定义 .495.4 设置加工参数 .515.5 刀路仿真 .555.6 后处理 .595.6.1 激活功能选项 .595.6.2 生成 NC 数据 .596 结束语 .62参考文献 .64致 谢 .65附录 凸面型面 NC 代码 .66附录 凹面型面 NC 代码 .671 逆向工程概述1.1 逆向工程定义及其应用逆向工程（Reverse Engineering，RE）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。一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容： (1)新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。(2)已有零件的复制，再现原产品的设计意图。(3)损坏或磨损零件的还原。(4)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。由下图 1.1 可了解逆向工程的整个产品的开发过程。图 1.1 产品开发流程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：在对产品外形的美学有特别要求的领域，为方便评价其美学效果，设计师广泛利用油泥、黏土或木头等材料进行快速且大量的模型制作，将所要表达的意向以实体的方式表现出来，而不采用在 计算机屏幕上显示缩小比例的物体投视图的方法。此时，如何根据造型师制作出来的模型快速建立三维 CAD 模型，就必须引入逆向工程技术。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。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。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。以上五方面都需要运用逆向工程技术完成产品设计，可见，逆向工程在产品开发中发挥着重要作用。1.2 逆向工程系统随着计算机技术的发展，逆向工程技术和先进制造技术的结合日趋紧密，如 20世纪 80 年代初发展起来的快速原形技术、基于网络的异地设计及制造技术等，在产品设计和制造阶段都需要逆向工程技术的支持。同时，逆向工程技术也和计算机辅助测量（CAT）、辅助设计（CAD）、辅助制造（CAM）以及计算机辅助工程分析（CAE）密切相关。逆向工程成功应用的关键不仅在于各计算机辅助子模块能较好地独立完成各项工作，很大程度上还取决于各个子模块的计算机集成程度。可以说，逆向工程是 CAT/CAD/CAM/CAE 等先进的计算机辅助技术集成应用的一个典型例子。如何将这些技术组成一个整体，即集成逆向工程系统，是逆向工程技术应用研究的一个重要方向。逆向工程系统主要由三部分组成：产品实物几何外形的数字化子系统、三维CAD 模型重建子系统、产品或模具的制造子系统等。1.2.1 产品实物几何外形的数字化系统产品表面数字化又称数据测量，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、高精度地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 之间扮演着桥梁的角色。可以这么认为，数据测量是逆向工程的基础，测量数据的质量与最终模型的质量密切相关，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精度的情况。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。测量方法的选用是逆向工程中一个非常重要的问题。不同的测量方式，不但决定了本身的精度、速度和经济性，还使得测量数据类型及后续处理方式不尽相同。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；非接触式按其原理不同，又可分为光学式和非光学式。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；而非光学式包括CT 测量法、MR 测量法、超声波法和层析法等。测量方式对比与设备选型接触式测量有以下优点。因接触式探头发展已有几十年，其机械结构及电子系统已相当成熟，故有较高的准确性和可靠性。接触式测量的探头直接接触工件表面，故对工件表面的反射特性、颜色及曲率关系要求不高。被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速地测量出物体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。与接触式测量相比，非接触式测量主要有以下优点。不必做探头半径补偿，因为激光光点位置就是工作表面的位置。测量速度非常快，不必像接触式触发探头那样逐点进行测量。软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。对于逆向测量而言，数据采集的方式应满足下面这些要求。采集精度应满足工程的实际需要，如汽车工业，其最终的整体符合精度不能低于 0.1 。m/采集速度要快，尽量减少测量在整个逆向工程中所占有的时间。数据采集要完整，不能有缺漏，以免给后期的曲面重构带来障碍。数据采集过程中不能破坏原形。降低测量成本。根据上面这些要求，可以根据逆向工程中测量的实际情况，选择不同的测量方式，或同时利用不同的测量方式进行互补，以得到一个精度高、信息全面的测量数据。在接触式测量方法中，三坐标测量机（CMM）是应用最为广泛的一种测量设备，再结合实际情况，利用三坐标测量机进行测量。1.2.2 三维 CAD 模型的重建子系统在逆向工程中，由于后续的产品加工制造、快速原形制造、虚拟制造仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要 CAD 数学模型的支持，这些应用都不同程度地要求重建的 CAD 模型能准确的还原实物样件，所以实物的三维 CAD 模型重建是整个过程最关键、最复杂的一环，其模型重建流程如图 1.2 所示，从流程图可以看出整个环节具有工作量大、技术性强的特点，因此，对如何快速、准确地实现模型重建，国内外的研究者进行了大量的研究。总的来说，影响三维 CAD 模型重建系统的主要包括两个部分：一是逆向工程软件；二是人员。 图 1.2 模型重建流程1.逆向工程商品化软件迄今为止，在国际市场上的四大逆向工程软件，有美国 EDS 公司的 Imageware美国雨滴公司产品 Geomagic Studio, 由英国 DELCAM 公司出品 CopyCAD ， 韩国 INUS 公司出品的 RapidForm。在一些流行的 CAD/CAM 集成系统中也开始集成了类似模块，如 CATIA 中的 DSE、QSR 模块，Pro/E 中的 Pro/SCAN 功能等。点云处理提取特征点云建立特征曲线选择适当的方法创建曲面模型 曲面光顺性检查 曲面间连续性检验 曲面与点云的误差检验是否满足要求生成实体模型否是 专业逆向工程商品化软件 目前，就专用逆向工程软件来说主要有Imageware、 CopyCAD、 Geomagic、及 RapidForm 四大软件。 通用 CAD 软件CATIA CATIA 是法国达索系统公司开发的大型 CAD/CAE/CAM 应用软件，在世界 CAD/CAE/CAM 领域中处于主导地位。CATIA 被广泛应用于航天航空、汽车制造、造船、机械制造、电子、电器、消费品行业，它集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，满足了工业领域各大、中、小型企业需要。CATIA V5 具备最完美和友好的操作界面，具备 VGX、C-NEXT 等多种先进技术，可以说 CATIA 最善于吸取其他 CAD 软件的优点。无论 V4 和 V5，CARTIA 在曲面造型方面可谓功力深厚。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，LOST 等功能也是目前所有 CAD 平台中功能最强的，V5 在曲面修补缝合上也花了不少工夫。CATIA V5 的数字曲面编辑模块（Digitized Shape Editor）和快速曲面重构模块（Quick Surface Reconstruction）等是逆向工程的专用模块，可以提供多种格式的点云输入和输出数据，除了具有对点云数据进行处理的功能外，还提供了强大的曲面、曲线直接拟合功能，由于植入了 STYLER 的算法，CATIA 的 POWER FIT 功能比专用逆向工程软件 IMAGEWARE 的 FIT FEREFROM 要强大得多。在云点质量较好的情况下 CATIA FIT 出的面比 IMAGEWARE 的 FIT 出的面要好得多，只是人工控制能力差，但对于精度要求不高的情况下已经完全可以把握。 UG 和 Pro/E 等软件也有逆向功能模块，例如，UG 中的 Quick Shape 逆向功能模块、Pro/E 中的 Surface 逆向功能模块。 逆向工程软件选型目前，进行 CAD 模型的重建，有两种选择方案，一是基于正向的商品化CAD/CAE/CAM 系统软件，如 I-deas、UG、Pro/E 和 CATIA 等；二是专用的逆向造型软件，如 Imageware、RapidForm、Geomagic 等。逆向 CAD 建模通常是由曲面到实体，对 CAD 系统的曲面、曲线处理功能要求较高。为满足复杂曲面重建的要求，一些软件商在其传统 CAD 系统里集成了逆向造型模块，较有代表性的如 Pro/E 的 Scan-Tools 模块、Strim100 的 Surface Recondtruction 模块、UG 中的 Point Cloud 功能 CATIA 中的 Digitized Shape Editor、Quick Surface Reconstruction 模块等。应该说，这些通用 CAD/CAM 系统中集成的模块，自动化程度比较高，但功能尚显单一，仍不能应用的要求，在完成高精度的项目、在点云质量不高和细节特征较多时，就不能较好地完成任务。因此，在正向 CAD 软件的基础上配备专用的逆向造型软件是目前业界流行的软件造型方式。目前在市场上，尽管出现了多个与逆向工程相关的软件系统，但许多是采用以三角 Bezier 曲面为基础的曲面构造方法，如 RE-SOFT、CopyCAD、Geomagic、及 RapidForm 等，尽管这些软件都提供了相应的把Bezier 曲面转换成通用 CAD/CAM 软件采用的矩形域四边曲面模型表达方式的模块，但是，在转换过程中不可避免地会失去一些信息，产生一定误差。同时，这类软件还存在着对曲面修改能力不足、可控性差的缺点，这些都限制了它们在实践中的应用。而作为逆向工程软件的典型代表，Imageware 采用的 NURBS 曲面模型，与UG、Pro/E 和 CATIA 等通用 CAD/CAM 软件采用的曲面描述方法相同，相互间可方便地沟通，被广泛用来与其他软件进行搭配。随着 CAD/CAE/CAM 系统软件和逆向造型软件对曲面造型的不断深化和发展，必定为逆向工程的实施提供更大的发展空间。2.人员作为逆向工程人员除了了解产品特点，制造方法和熟练使用 CAD 软件、逆向造型软件外，还应熟悉上游的测量设备，甚至必须参与测量过程，以了解数据特点，还应了解下游的制造过程，包括制造设备和制造方法等。1.2.3 产品或模具的制造在完成实物的 CAD 模型重建后，可以在 CAD 软件中进行模具设计模块中进行模具设计，通过数控加工制造原型，也可以利用快速技术来制造原型和模具，一方面为模型的修改和再设计提供实物样件，另一方面，对一些材料制造的零部件，还可以直接制造出来产品的模具。这样做，可以避免机械加工的长周期和复杂的工艺设计，为产品的快速开发和制造提供有效的工具支持。1.3 逆向工程设计前的准备工作做一个逆向设计的工作，可能比做一个正向设计更具挑战性。在设计一个之前，首先必须尽量理解原有模型的设计思想，在此基础上还可能还可能要修复或克服原有模型上存在的缺陷。从某种意义上看，逆向设计也是一个重新设计的过程。在开始进行一个逆向设计前，应该对零件进行仔细分析，主要考虑以下一些方面。 确定设计的整体思路，对自己手中的设计模型进行系统地分析。面对大批量、无序的点云数据，应该首先要考虑周全，步骤明确，做到心中有数，主要是将模型划分为几个特征区，得出整个设计思路，并找到设计的难点和疑点，从多方面考虑和解决问题。 确定模型的基本构成形状的曲面类型，这关系到相应设计软件的选择和软件模块的确定。对于用肉眼就可以辨别的初等解析曲面件，如平面、圆柱面、圆锥面等则没必要因为有测量数据而用自由曲面去拟合一张，这样就能做到直接面对难点疑点，有针对性地解决问题，缩短工作时间。2 CATIA V5 介绍2.1 CATIA 在制造业的应用CATIA 是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 的缩写。CATIA 是法国 Dassault System 公司的 CAD/CAE/CAM 一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM 领域的领导地位。在 70 年代 Dassault Aviation 成为了第一个用户，CATIA 也应运而生。从 1982 年到 1988 年，CATIA 相继发布了 1 版本、2 版本、3 版本，并于 1993 年发布了功能强大的 4 版本，现在的 CATIA 软件分为 V4 版本和 V5版本两个系列。V4 版本应用于 UNIX 平台，V5 版本应用于 UNIX 和 Windows 两种平台。V5 版本的开发开始于 1994 年。为了使软件能够易学易用，Dassault System 于 94 年开始重新开发全新的 CATIA V5 版本，新的 V5 版本界面更加友好，功能也日趋强大，并且开创了 CAD/CAE/CAM 软件的一种全新风格。CATIA 广泛应用于制造业的各个领域，从航空、汽车、造船、通用机械到电子电器、生活用品。许多世界知名的公司如波音、克莱斯勒、宝马、奔驰、本田、丰田等都使用 CATIA 作为主要的设计软件。随着中国制造业的发展，特别是汽车工业的发展，随着越来越多的国际把生产和开发工作引入中国，CATIA 也在不断地普及和深入。2.2 CATIA V5 概貌CATIA V5 涵盖了机械设计、外形设计、分析与仿真、工厂设计、数控加工、数字化样机、数字样机、设备与系统、人体工程和知识工程等丰富的内容。图 2.1 所示为包含了所有 CATIA V5 模块的菜单。每个使用 CATIA V5 的企业都只是用其中的一部分模块，但是，了解一下 CATIA V5 所包含的模块还是很有用的。“基础模块”包含了如图 2.2 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 2.1 CATIA V5 模块图 2.2 基础结构在图 2.3 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、钣金设计等模块。图 2.3 机械设计图 2.4 所示，“形状”子菜单中包含了 CATIA 曲面造型的模块，包括能够创建A 级曲面的自由曲面造型、汽车 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、在点云数据上直接造型的外形雕刻，还有产品结构设计过程中普遍应用的创成式外形设计等模块。 图 2.4 形状图 2.5 所示，“分析与仿真”子菜单中包括可变形装配的公差分析、网格划分工具和对零件和装配件进行强度分析等模块。图 2.5 分析与仿真图 2.6 所示，“AEC 工厂”子菜单中包含工厂布局模块。图 2.6 AEC 工厂图 2.7 所示，“数控加工”子菜单中包括两轴加工、两半轴加工、曲面加工、高级曲面、加工检查和快速原型等模块。图 2.7 数控加工图 2.8 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 2.8 数学模型图 2.9 中可以看到，“设备与系统”子菜单中有许多设备与系统模块，如电路板设计等模块。图 2.10 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 2.11 所示“人机工程学设计与分析”模块包括人体测量编辑器、人体行为分析、人体建模和人体姿势分析。图 2.12 所示，“知识工程”，是 CATIA V5 的精髓之一。知识工程包括知识顾问、知识专家、产品工程优化器、产品知识模板、业务知识流程模板、产品功能优化和产品功能定义。 图 2.9 设备与系统图 2.10 加工的数字流程图 2.11 人机工程学设计与分析图 2.12 智件3 CATIA V5 在汽车零件逆向开发中的应用及基本流程目前,汽车工业主要是通过设计数据,构造零、部件 CAD 模型和模具 CAD 模型,再通过数控加工制造模具,进而再进行零件生产的设计制造流程。但在我国“引进组装再引进”的汽车生产方式中,中方往往缺乏零、部件的 CAD 模型,使得国产化开发的进程受到极大制约。该现状促成逆向工程技术在我国汽车制造业中的发展。逆向程技术在汽车领域主要应用是:1) 车身零件制造质量检测的应用;2) 复杂型面的车身设计开发和制造;3) 损坏或磨损零件模具、检具和夹具的还原。3.1 逆向工程的软硬件条件3.1.1 逆向工程的硬件条件逆向工程的主要测量手段有两种:接触式测量和非接触式测量。采用光电法的非接触式测量方法的特点是测量过程中测头不接触被测表面,避免了接触式测量中测头或被测表面的损伤和测头半径的补偿,测量速度快、自动化程度高,适用于各种软、硬材料的各种复杂曲面模型的三维高速测量。本文采用 COMET 非接触光学扫描系统完成汽车零件表面的数据采集。3.1.2 逆向工程的软件条件CATIA 软件在造型风格、车身等方面具有独特的长处,使用自动化的多表面曲率与切矢管理,可帮助用户快速进行风格造型和曲面造型。目前,CATIA 发布了第 5 版本。目前一些著名汽车制造商如 Renault 、Toyota 、Kar2man、Volvo 、Chrysler 等已经 100 %的切换为 CATIA 设计2 ,并且被各国的汽车零、部件供应商所认可。CATIA 事实上已成为汽车行业 CAD 软件标准。CATIA 的数字化外形编辑器(Digital Shape Editor ,DSE) 、快速曲面重建(Quick Surface Reconstruction ,QSR)以及创成式外形设计模块( Generative Shape Design ,GSD) 是强大的逆向开发工具。它们能完成点云读入、输出、编辑以及曲面快速而便捷的重建。本文介绍以 CATIA V5 的 DSE、QSR 和 GSD 模块为零件逆向开发的软件基础。3.2 CATIA 在汽车零件逆向开发中的应用下面结合某车型的油箱盖外板逆向开发,来说明 CATIA V5 逆向开发过程。3.2.1 零件表面数字化零件正确装夹以后,可用光学扫描仪对零件进行测量。测量内容可包括工件的分型(边界) 线、轮廓线、面、结构等几何特征,以及用于重定位的定位基准。由此得到零件表面数字化的 ASCII 文件。3.2.2 点云预数据处理1) 在 CATIA V5 的 DSE 模块中,通过 Insert| Import cloud 导入零件的 ASCII 文件( 如图 3.1 所示) 。导入过程中可以用鼠标移动 6 个绿色的控制点,改变导入点云边界, 过滤一些无用的点(即降噪) 。图 3.1 油箱盖外板原始点云2) 选择 Insert| Cloud Edition|Cloud Filter ,利用 Adaptative 选项能将曲面变化小的地方过滤较多的点,而变化大的地方过滤较少的点,使特征变得更明显。本开发将 Adaptative 值设为 01005 进行第二次降噪(如图 3.2 所示) ,该值越大则过滤掉的点越多。图 3.2 降噪去掉多余点后的点云3) 通过 Insert | Cloud Edition| Remove Point ,进一步删除扫描过程中边界、部的误点和缺陷点。4) 对点云进行铺面处理,它是点云的三角片图像,主要是为了提高点云的可视性,以便于提高曲面造型的效率。选择 Insert| Mesh| Mesh Creation 进行铺面。如果有破洞存在(如图 3.3 所示) ,不能单纯增加 Neigh2borhood 的值,否则一些不该补部分也会被铺成面。可用 Insert| Mesh| Fill Holes 完成破洞的手动修补。图 3.3 点云的铺面3.2.3 特征线提取从零件具体结构特征出发,先用斑马线仔细分析点云的铺面(如图 3.4 所示) ,进行曲面重构之前的合理规划。划分曲面块的主要依据是零件的棱线以及曲面的曲率变化。零件一般由多块曲面构成,每块曲面根据特性可以判断用什么方式构建,是点面(这种情况较少) ,还是点线面的方式。CATIA V5 QSR 模块 Insert| Scan Creation|lanar Sections 提取部分特征线,然后用 Insert| Scan Creation| Free Edges 得到点云的边界线(如图 3.5 所示) ,以便于用 GSD 模块完成曲面的重构。图 3.4 点云铺面的斑马线 图 3.5 点云的特种线 对每一条曲线都要仔细检查其连接的连续性、曲率的连续性以及它与点云的误差。这是构建高品质曲面的必要保证。可以通过 Insert | Analysis| CurvatureAnalysis、Connect Checker 和 Distance Analysis 来检查曲线的质量和精度。3.2.4 曲面重构根据特征线,利用 GSD 提供的扫掠( sweep) 、混合(blend) 等曲面造型功能生成特征面(如图 3.6 所示 ) ,再通过求交(join) 、裁减 (trim) 、倒圆(fillet) 等操作将各曲面片光滑拼接或缝合成整体的复合曲面,最后通过 In2sert| Wireframe| Projection 将边界线投影到复合曲面上,并用剪刀 ( split) 功能完成零件曲面的边界(如图 3.7 所示) 。图 3.6 利用特征线生成的特征面 图 3.7 油箱盖外板逆向曲面数模3.2.5 曲面品质评定精度分析在 QSR 模块中,通过法向距离分析,可分析出点云与零件重构曲面的偏差(如图 3.8所示) , 结果显示误差控制在015mm 之内。观察发现极值点仅出现在开口部,而保证整车装配精度的型面与翻边部位误差都在011mm 内。考虑到开口是因修边再翻边的变形,这样的精度还可满足要求。图 3.8 点云与面曲的偏差曲面质量分析曲面质量对轿车的外覆盖件尤其重要,表面上微小的缺陷都会在喷漆之后引起光的漫反射,从而有损外观。通过斑马线分析功能、曲面断面线分析功能、几何连接性分析功能可以分析曲面的质量（图 3.9 所示）。图3.9 斑马线分析结果3.3 逆向开发中注意的问题3.3.1 误差问题对于车身覆盖件,考虑到在冲压后的回弹以及拆卸时的变形,在曲面重建时应从整车装配工艺出发,在保证曲面质量的前提下,要充分考虑零件之间的配合面问题,确保间隙和段差在合理公差允许的范围内,并且均匀一致。如果只追求完全忠实于零件,零件的制造误差和缺陷会不断带到建模中,从而导致逆向零件装配的不良。3.3.2 曲面重构问题对于零件细小的结构可稍后考虑,先构建较大的面。大面可以分块, 面与面之间可以用 blend 或者 QSR 模块中的 power fit 方式连接。对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(如用拉伸、扫掠和放样等功能) 的精度比用 powerfit 更高。4 某轿车车门数字建模过程4.1 点云的处理4.1.1 过滤点云进入 CATIA 用户界面如下图 4.1 所示：图 4.1 CATIA 用户界面读入点云数据：点击开始选项，选择形状里的 Digitized Shape Editor 选项点击 选项导入点云。操作如图 4.2、图 4.3 所示。 图 4.2 读入对话框图 4.3 选择文件对话框 此时，某轿车车门点云数据就显示在 CATIA 界面中，如图 4.4 所示。图 4.4 点云外形第 1 步：用鼠标中键+鼠标右键在视图中旋转此点云数据模型，以便仔细观察。为以后分析做准备。第 2 步：观察点云数据模型，点击 和 对点云过滤进行