基于catia某车前地板逆向设计及装配

1、 本科毕业设计基于CATIA某车前地板逆向设计及装配燕 山 大 学2012年6月 本科毕业设计(论文)基于CATIA某车前地板逆向设计及装配学院（系）： 里仁学院 专 业： 08级交通1班 学生 姓名： 学 号： 08111301 指导 教师： 王连东 答辩 日期： 2012年6月17日 燕山大学毕业设计任务书学院： 车辆与能源学院 系级教学单位：车辆与交通系学号学生姓名专 业班 级题目题目名称基于CATIA某车前地板逆向设计及装配题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（

2、）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1. 介绍了逆向工程的发展及主要过程。2. 运用CATIA软件对三菱欧蓝德前地板主体及部分零部件进行逆向重构。3. 分析点云与数模的贴合情况，分析曲面光顺度。基本要求1. 毕业设计说明书字数不少于2万字；2. 查阅参考文献不少于15篇；3. 翻译与毕业设计有关的外文翻译资料不少于三千字；参考资料1赵宇明 张国忠 于哲峰. CATIA 软件在汽车逆向设计点云技术处理中的应用研究2姚楠.车身设计中逆向工程技术应用研究3孙春华. 逆向工程关键技术研究现状4潘斌. 基于逆向工程的汽车覆盖件快速原型

3、设计及有限元分析周 次第1 4 周第5 8 周第914 周第1516 周第17 18 周应完成的内容进行调查研究，收集资料，翻译外文资料；撰写开题报告、文献综述。学习CATIA软件，分析前地板结构运用CATIA软件对前地板进行初步逆向。完成前地板逆向的3D建模，装配和出图。撰写论文。准备答辩。指导教师：王连东职称： 教授 2011年12月17日系级教学单位审批： 年 月 日摘要摘要逆向工程技术是数字化与快速响应制造大趋势下的一项重要技术，其计算精度高，易获得较高的模型质量，缩短设计和制造周期，具有广阔的应用前景。本文以三菱欧蓝德汽车前地板为例，进行了前地板主体、中通道后横梁、前座椅前横梁、手刹

4、拉线加强板、前座椅后横梁、前座椅中后支架等一个主体部件及五个零部件的逆向三维建模。此次逆向设计主要包括：数据获取、数据处理和模型重建。汽车前地板作为覆盖件，其结构和刚度都影响着汽车各方面的性能。因此研究汽车前地板逆向建模非常有必要。本文通过CATIA逆向设计模块对处理后的点云进行逆向3D建模，生成完整的数模，并做进一步的分析和研究。具体的逆向建模流程为将处理后的数据分成一个个的特征面，对每个特征线、面进行三维数学模型设计重建，然后将得到的每个特征线、面进行缝合、桥接，最终达到完成整个部件的表面三维数学模型，再进行分析和评价。本文还介绍了Top-Down的设计方式，并对所逆向产品进行装配。关键词

5、: 逆向工程；CATIA；汽车前地板；覆盖件AbstractReverse engineering, as a relatively independent category in CAD, is an important technique in the tendency of digital and rapid response manufacture. It is a high precision, easy to gain higher model quality, shorten the design and manufacturing cycle, has wide applica

6、tion prospects This article describes a reverse three-dimensional modeling of parts and five parts of a subject in the CATIA.For example, PNL FR FLOOR, C/MBR FR SEAT FR LH, REINF P/B CABLE, C/MBR FR SEAT RR LH, BRKT FR SEAT CTR RR RH.The reverse design include: data acquisition, data processing and

7、model reconstruction. Its structure and stiffness affect the performance of all aspects of the car. Therefore, Inverse modeling is necessary. In this paper, the reverse modeling process for the processed data into the characteristics of a surface, three-dimensional mathematical model for each charac

8、teristic line, surface reconstruction. Designed the reconstruction of three-dimensional mathematical model for each characteristic line, surface. Sutured, bridged each characteristic line, surface. Finally, completed the surface of three-dimensional mathematical model of the entire part. The article

9、 also describes the Top-Down design approach, and the reverse product assemblyKeywords： Reverse engineering；CATIA；PNL FR；Covering parts III目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 逆向工程简介11.2 课题的意义31.3 国内外发展现状31.4 本章小结4第2章 逆向工程数据测量62.1 数据测量方法62.1.1 接触式测量72.1.2 非接触式测量82.2 数据测量设备102.3 本章小结12第3章 前地板曲面重构133.1 CATIA逆向模

10、块介绍133.2 数据预处理153.2.1 点云153.2.2 数据重定位163.2.3 噪声去除163.2.4 数据精简173.2.5 数据插补183.2.6 数据分块193.3 前地板点云的网格化203.4 分割点云223.5 曲面的生成243.6 前地板主要特征构建273.7 前地板部分总成装配483.8 前地板孔位描述513.9 本章小结52结论53参考文献54致谢56附录157附录262附录366第1章 绪论第1章 绪论1.1 逆向工程简介逆向工程(Reverse Engineering，RE)也称反求工程、反向工程等。传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造产品，我们称之为“正

11、向工程”，而产品的逆向工程是根据零件生成图样，再制造生产。它是一种以先进产品设备的实物、样条、软件或影像作为研究对象，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几何逆向工程、工艺逆向工程、材料逆向工程等多个方面。目前，大多数有关“逆向工程”技术的研究和应用都集中在几何形状，称为“实物逆向工程”。这是因为一方面，作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广、最多的一类设计成果，也是最容易获得的研究对象；另一方面，在产品开发和制造过程中，

12、虽已广泛使用了计算机几何造型技术，但是仍有许多产品，由于种种原因，最初并不是由计算机辅助设计模型描述的，设计和制造者面对的是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径将实物样件转化为 CAD 模型，以期利用计算机辅助制造，快速原型制造和快速模具、产品数据管理及计算机集成制造系统等先进技术对其进行处理或管理。同时，随着现代测试技术的发展，快速、精确地获取实物的几何信息已变成现实。狭义上，它是指在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，利用三维数字化测量仪(3D Digital Scanner 俗称抄数机)，测量出 sample(即零件原形或者塑造出的模型)表面的点云

13、数据，传CAD/CAM 系统，进行数据处理，生成所需要的CAD模型和设计图纸，并由CAD/CAM 系统计算出加工路径，最后通过CNC(Computer Numerical Control)计算机数字控制)机械加工设备制作模具生产成品。其另一种批量生产方式则是先用快速成形制造技术(Rapid Prototyping快速成形简称RP)将样品模型制作出来，然后再以快速模具进行产品量产。具体分为如下四个阶段：（1）数据获取通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。（2）数据处理对获取的数据进行一系列数据处理(如数据重定位、噪声去除、数据精简、数据插补与数据分块

14、等)。对于形状复杂的点云，经过数据处理，将被分割特征相对单一的块状点云。按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。（3）原型CAD模型的重建将分割后的三维点云数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各曲面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。（4）重建CAD模型的检验与修正根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品，来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求。一个完整的逆向工程流程，主要包括数据获取、数据处理、曲面重构三个主要部分。这里给出了逆向工程的整体框架

15、模型。如图1-1。数据获取曲面重构数据处理实体CAD模型数据重定位噪声去除数据插补曲线面重构ggou构曲面检查非接触测量数据分块数据精简曲面拼接曲面剪裁接触测量图1-1 逆向工程的整体框架1.2 课题的意义在汽车造型设计领域，传统的设计方法需要用实物、模型、图纸和样板来传递信息。从制作 1:5 油泥模型和全尺寸的立体模型开始，设计人员根据模型绘制车身图纸和模具加工图纸。模型上任何细微的改变都将导致主模型和大量图纸的修改。因此不可避免地造成产品开发周期长、设计累计误差大、开发成本高和产品的通用化及系列化程度低等问题。从汽车设计制造业引进逆向工程以来，车身的造型设计方法得到不断发展。通过车身 CA

16、D/CAM 方法，设计师可以在计算机中建立一个逼近于真实模型的数学模型,使得结构设计、有限元分析和模具加工共享统一的车身设计数据库和图库，确保数据和图形的传递准确无误，对车身造型可以方便地行优化设计，而且设计、工艺和检验人员使用同一数据资源，既方便又准确。由于采用这种设计方法不仅效率高，缩短了设计和制造的周期，而且提高了设计精度，因而在车身设计中应用越来越广泛和深入。现在国内的汽车产品开发水平相对于国外还存在明显的差距，采用逆向工程可以很好的借鉴国外成熟的车身造型，大大提高设计制造质量、缩短开发周期、增强产品市场竞争力。在众多 CAD/CAM 软件中，CATIA 在曲面设计和逆向工程方面有自己

17、独特的优势，因此被国内很多轿车企业采用。但它的意义不仅仅在于消化吸收并改进国内外的先进技术，更应该体现在在逆向反求的过程中接纳先进的设计思想和制造理念，进而实现理论上和思想上的创新，最终形成企业独立自主开发新产品的能力。1.3 国内外发展现状汽车问世一个多世纪，车身的设计方法一直朝着缩短设计周期、提高设计质量、降低开发成本的方向不断发展，尽管这样，直到现在国外对汽车造型设计仍然是采用仿形法。即用手工方法绘制效果图，雕塑缩比油泥模型，然后利用三维坐标测量技术对车身油泥模型的表面测量近千个数据点，根据这些数据，设计师在计算机中建立一个逼近于真实模型的数学模型。然后根据要求对模型进行相关的修改，进行

18、结构分析和设计，最后将计算机建立的车身模型直接用于车身覆盖件模具的设计和加工。目前，国外大汽车公司和设计公司具备汽车车身创意和造型的能力，一个公司内就开发过几十至几百种轿车车身，积累了几十年的车身开发经验。在计算机造型技术应用方面，国外大汽车公司及设计公司已建立了相当规模的成套的硬件、软件系统，运用三维技术替代了“主图板、主模型”为主的传统设计方法。近年来计算机制图软件(PRO/E，UG，3ds Max，CATIA)，把概念草图生成、造型、三维效果渲染等都在计算机上完成，从而逐步替代了费时费力的油泥模型制作。美国福特汽车公司从 1967 年就开始开发车身设计 CAD 系统。我国汽车工业明确提出

19、要以车身开发为突破口，形成我国轿车自主开发能力。而国内的汽车造型设计基本上还处于仿制的阶段，一般采用反求工程。近年来，国内制造业不断追求低成本，短周期和高质量的产品，因而随着计算机技术、快速仿形技术等的发展与兴起，快速反求工程技术应运而生，并迅速发展而趋向成熟，逐渐应用到生产实践中。但国内的汽车造型一般都是建立在国外成熟车型的基础上，像自主品牌的佼佼者奇瑞、吉利、比亚迪都是靠这个起家，并且收到了不错的效果。如奇瑞的 QQ 模仿丰田 AYGO，深得都市年轻人的喜爱，比亚迪 F3 模仿丰田皇冠，F3 如今更是牢牢占据国内所有单车型销量冠军。不过逆向工程技术重在分析与吸收，贵在继承与创新，好在能够洋

20、为中用。我们应该学习他们造型的思想和方法，再融入中国元素，形成属于自己独有的风格，对原型进行再设计、再分析、再提高，从而实现重大改型的创新设计，才是逆向工程的真正价值和意义所在。如吉利熊猫，虽然也是以丰田 AYGO 为基础，但是强力植入了中国国宝熊猫的元素，形成了自己的风格。在实际应用当中，反求的整个过程是需要大量的人机交互工作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，自动重建曲面的光顺性难以保证，因此今后逆向工程的发展方向就是要完善 CAD 软件和开发集成的 CAD 逆向软件系统。1.4本章小结本章主要介绍了逆向工程在汽车工程中的实际作用以及国内外发展的状况。通过广义的逆向工程和狭义的逆向工

21、程主要阐述了逆向工程的实际意义和发展前景。简单介绍了逆向工程的方法和步骤。图文说明了获取数据的方法和理论。5第2章 逆向工程数据测量第2章 逆向工程数据测量2.1 数据测量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。数据获取在产品设计师与逆向工程及CAD/CAM/CAE/RP

22、/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

23、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。图2-1所示为各种测量方法的分类。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2-1 测量方法的分类2.1.1 接触式测量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

24、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(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。

25、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。接触式测量有很多优点，例如：接触式探头发展已经有几十年，其机械结构及电子系统已经相当成熟，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，与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大；被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确的测量出物体的基本几何形状，迅速建立起被测物体的三维模型，如面、圆、圆柱、圆锥、圆

26、球等。接触式测量有如下缺点：为确定测量基准点而使用特殊的夹具，会导致较高的测量费用，不同形状的产品会要求不同的夹具，而使成本大幅度增加；球形探头很容易因为接触力而造成磨耗，所以，为维持一定的精度，需要校正探头的直径；不当的操作容易损害工件某些重要部位的表面精度，也会使探头损坏；接触式探头是以逐点的方式进行测量的，所以测量速度慢；检测一些内部元件有先天的限制，如测量内圆直径，触发探头的直径必定要小于被测内圆直径；对三维曲面的测量，因传统接触式触发探头是感应元件，测得的数据是探头的球心位置，要测得物体真实外形，则需要对探头半径进行补偿，因此可能会导致误差修正的问题；接触探头在测量时，探头的力将使探

27、头尖端部分与被测件之间发生局部变形，而影响测量值的实际读数；测量系统的支撑结构存在静态及动态的误差；由于探头触发机构的惯性及时间延迟，使探头产生超越现象，趋近速度会产生动态误差；测量接触力量即使一定，而测量压力并不能保证一定，这是因为接触面积与工件表面纹路的几何形状有关，所以不能保证恒定压力。2.1.2 非接触式测量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

28、，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。激光三角法测量原理如图2-2所示。图2-2 激光三角形测量原理（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干涉条纹法，它的特点是不需要坐标测量机等精密设备，造价较低，但精度较低，操作复杂。（3）逐层扫描测量法：主要包括工业计算机断层扫描成像(又称工业CT)法、核磁共振法和自动断层扫描法等。（4） 计算机工业CT法：该方法以测量物体对X射

29、线的衰减系数为基础，是对产品实物经过CT层析扫描后，获得一系列断面图像切片和数据，这些切片和数据提供了样件截面轮廓及其内部结构的完整信息，不仅可以进行样件的形状、结构和功能分析，还可以提取产品样件的截面，并由样件系列截面数据重建样件的三维几何模型。CT的最大优点在于它能测量样件的内部截面的信息，因而适用于任意的形状结构。但其测量精度较低。自动断层扫描法：该方法采用材料逐层铣削与逐层光扫描相结合的方式，快速、准确、自动地测量零件的表面和内部尺寸。它的片层厚度最小可达0.013 mm，测量不确定度为0.025mm。与工业CT相比，价格便宜70%-80%，测量准确度显著提高，且实现全自动操作。但是这

30、种方法为破坏性测量，对于贵重零件，则不宜采用，另外测量速度慢，一般零件的测量需数小时以上。非接触式测量主要有以下优点：不必作探头半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置；测量速度非常快，不必像接触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。非接触式测量的主要缺点如下：测量精度较差，因非接触式探头大多使用光敏位置探PSD(position sensitive detector)来检测光点位置，目前的PSD的精度仍然不够，约为20pm以上；因非接触式探头大多是接受工件表面的反射光或散射光，易受工件表面的反射特性的影响，如颜色、斜率等，从而导致测量精度误差，产生大量

31、不规则的散乱点；PSD易受环境光线及散杂光影响，故噪声较高，噪声信号的处理比较困难；非接触式测量只做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理，凹孔处理以及不连续形状的处理较为困难；工件表面粗糙度会影响测量结果。非接触式激光三角形法由于同时拥有采样精度高和采集速度快的特点，因而在逆向工程中应用最为广泛；接触式连续扫描测量方法由于具有高精度、较高速度，同时价格较合适等诸多优点，其应用潜力也相当大。2.2 数据测量设备三坐标测量机（CMM）是20世纪60年代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器。它的出现，一方面是由于自动机床、数控机床高效率加工以及越来越多复杂形状零件加工需要有快速可靠的测量设备与之配套

32、；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为三坐标测量机的产生提供了技术基础。目前，三坐标测量机已广泛用于机械制造、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。三维激光扫描技术，它能够完整及高精密度的重建实物或实景、三维实体模型及原始测绘数据。最大特点就是：精度高、速度快、逼近原形。法国KREON 系列三维激光超高精密度扫描仪，（KREON KZ 50）具有很多优质：扫描精度极高，这利于将重建内容更逼近原形。扫描密度极高，扫描速度极快，这利于快速原形化目标、实时扫描、同步移动操作等。具有一对CCD（图像传感

33、器）同时同步工作，可无死角的实时扫描任何复杂目标，减少重复性工作，目前国际同类技术都是一个CCD，双CCD技术还利于实时检测监测工作,KREON可以与目前各种三坐标测量机、数控加工中心、机械关节臂等配接,KREON扫描头可以与现有的很多设备互换使用,KREON激光扫描技术不同于传统的光学照相三维成像技术，KREON保证了所有扫描云点的实测性、实时性及真实性，而光学照相技术做不到，它是基于少数测量点并经过后处理三维数学推算后得到点云。本次选用的KREON 系列中的KZ 50是近距三维激光扫描系统。分辨率可达5m，速度：30000点/每秒，(可借助机械臂或数控机械平台扫描任何大小的物体）。实体如图

34、2-3,2-4。图2-3 三维激光扫描仪 图2-4 三坐标测量仪本文所获得的数据是采用非接触式的测量设备三维激光扫描仪测绘所得，原始点云数据如图2-5。图2-5 前地板点云数据2.3本章小结本章介绍了逆向工程首要的数据测量工作，主要介绍了数据测量所采用的方法和数据测量的理论知识。重点讲述了接触式测量和非接触式测量的比较和优缺点，最后介绍了数据测量所用的激光扫描仪的相关知识。63第3章 前地板曲面重构 第3章 前地板曲面重构3.1 CATIA逆向模块介绍CATIA应用与于逆向工程的模块主要有3个： “数字化外形编辑器”模块，主要是对测量点云进行处理，对点云进行网格化处理，建立云点交线，以及生成三

35、维轮廓特征曲线；“快速曲面重建”模块，主要是对点云特征曲线进行处理，并在点云上拟合生成基本曲面； “创成式曲面设计”模块，主要是通过曲线创建曲面，并可以对建构的曲线、曲面进行分析，检验所建立曲面的质量。CATIA软件把曲面造型与实体造型融合起来。它接收多种格式的文件，应用该软件在曲面造型手段及辅助功能方面的优势将曲线构建成曲面，完成曲面间的裁剪、缝合等编辑工作。经编辑的曲面可在该软件中进行光顺检验，如果不满足模型重建的要求则需要重新对曲面进行修改直至满足要求为止。对于汽车覆盖件来说，只需将曲面沿垂直方向生长一定的厚度就可以完成实体造型。这样获得的实体模型直接面向加工，可以方便的添加倒角、挖孔等

36、特征，方便进行各种检验和性能分析。前地板运用CATIA逆向曲面重构主要有两种方法：一是先将测量点拟合成曲线，再通过曲面造型的方式将曲线构建成曲面；二是直接对测量数据拟合，生成曲面，最终经过曲面片的过渡、拼接和裁剪等曲面编辑操作，完成曲面模型的构建。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，而需根据此产品外形的几何特性，选择适当的处理方法，方可较好地得到产品的几何形状，以满足产品外形的几何特性。一般C

37、ATIA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，即由点生成线，由线生成面，由面构建实体。CATIA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。（1）由曲线构造曲面的方法旋

38、转曲面：轮廓曲线围绕某一轴线旋转某一角度而生成的曲面。线性拉伸面：曲线沿某矢量方向拉伸一段距离而得到的曲面。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。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，把扫描曲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

39、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。（2）由曲面派生曲面的方法等半径倒圆角曲面：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。变半径倒圆角曲面：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。等厚偏移曲面：与原始曲面偏移均匀厚度值的曲面。变厚度偏移曲面：在原始曲面的拐点处，沿该点曲面法矢量方向偏移给定值而得到的曲面。混合曲面（桥接曲面）：在两个（或

40、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。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。修剪曲面：把原始曲面的某一部分去掉而生成的曲面。拓扑连接曲面：把具有公共边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

41、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。3.2 数据预处理3.2.1 点云点云是一种特殊的测量数据点，它是三维空间中的数据点的集合，最小的“点云”只包括一个点(称孤点或奇点，Singular)，而高密度的“点云”则可达到几百万数据点。根据“点云”中点的分布特征(如排列方式、密度等)将点云分为：散乱点云、扫描线点云、网格化点云、多边形点云。（1）散乱点云：点云没有明显的几何分布特征，呈散乱无序状态。随机扫描方式下的 CMM、激光点测量等系统的“点云”多呈现散乱状态。（2）扫描线点云：点云由一组扫描线组成，扫描线上的所有点

42、位于扫描平面内。CMM、激光测量系统沿直线扫描的测量数据和线结构光扫描测量数据多呈现扫描线特征。（3）网格化点云：点云中所有点都与参数域中一个均匀网格的顶点对应。CMM、激光点三角扫描系统、投影光栅测量系统及立体视差法获得的数据经过网格化插值后得到的点云即为网格化点云。（本文所得到的点云即为该类点云）（4）多边形点云：点云分布在一系列平行平面内，用小线段将同一平面内距离最小的若干相邻点依次连接可形成一组平面多边形。莫尔等高线测量、CT 测量、层析法、磁共振成像等系统的测量点云呈现多边形特征。数据处理一般包括以下几个方面：数据重定位、噪声去除、数据精简、数据插补、数据分块。下面详细介绍。3.2.

43、2 数据重定位数据重定位又称数据拼合。在实际测量中，要求测量的范围一般是零件的全部轮廓，即整体外形和内部型腔。无论是采用接触式还是非接触式的数字测量方法，希望通过一次测量完成对整个零件的数字化是很困难的。其原因：一是产品尺寸超出测量机的行程；二是在部分区域测量探头受被测实物几何形状的干涉阻碍以及不能触及产品的反面，这时就需要在不同的定位状态(即不同的坐标系)下测量产品的各个部分，然后将全部测量数据整合到一个坐标系下，这就是数据重定位。目前一般的逆向软件均具有此项功能。数据重定位处理可分为对数据的直接对齐和基于图形的对齐两种方法。数据的直接对齐是直接对数据点集操作，实现点云数据的对齐，以获得完整

44、的数据信息和一致的数据结构；基于图形的对齐是对各视图数据进行局部造型，最后拼合对齐这些几何图形，其优点是可以利用图形几何特征（点、线、面等）进行对齐，对齐过程快捷、结果准确，但通常情况下，一个特征往往会分割在不同的视图中，由于缺乏完整的拓扑和特征信息，局部造型往往十分困难。数据重定位一直是逆向工程中一个难点。3.2.3 噪声去除由于受测量设备精度、扫描速度、操作者的经验和被测零件表面质量等诸多因素的影响，会产生测量误差数据点，习惯上称为噪声点。在进行曲面构造之前必须去除噪声点，否则最后构建出来的实体形状将由于噪声点的存在而与原实体大相径庭。最简单的噪声去除方法是人机交互，通过图形显示，判别明显

45、坏点，在数据序列中将这些点删除。此种方法简单，但是对于数量比较大的点云就不适宜了。国内出现了很多关于去除噪声点的算法，主要有高斯滤波、均值滤波和中值滤波。高斯滤波器在指定域内的权重为高斯分布，其平均效果较小，故在滤波的同时能较好地保持原数据的形貌。平均滤波器采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计平均值。而中值滤波器采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计中值，这种滤波器消除数据毛刺的效果较好。实际使用时，可根据点云的质量和后序建模要求灵活选择滤波算法。各种滤波算法的滤波效果如下图 3-1。图3-1 滤波效果图3.2.4 数据精简数字化实物模型得到的是大量离散数据的集合，数据量非常巨大，并且存在大量的

46、冗余数据。对于曲面重构来说，这么多的数据没有必要，而且如此庞大的测量点集，有时候会严重影响曲面重建的效率和质量，因此非常有必要进行数据精简。对于不同类型的点云可采用不同的精简方式。散乱点云可以通过随即采样的方法来精简；对于扫描线点云和多边形点云可采用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减、弦高差等方法；网格化点云可用等分布密度和最小包围区域法进行数据缩减。数据精简只是简单地对原始点云中的点云进行了删减，不产生新的点。本文的点云是散乱点云，所以采用的是随即采样的方法。3.2.5 数据插补由于被测实物本身的几何拓扑原因或者是受到其它物体的阻挡，会使样件模型的部分表面无法测量，采集的数字化模型存在数据缺损的

47、现象，为了得到样件的完整模型必须对所得到的测量数据进行补缺。例如，深孔类零件在进行数据扫描的时候就无法获取孔的点云数据，这样在造型的时候就会出现数据“空白”现象；又如在测量过程中，常需要一定的支撑或夹具，样件模型与夹具接触的部分，就无法获得真实的坐标数据；再如用于数据拼合的固定球和标签处的数据也无法测量。这些情况都会使曲面重构变得困难。数据插补就是利用周围点的信息插值出缺损处的坐标最大限度获得样件模型的数据信息，希望数据点间有一定的拓扑关系。逆向工程的数据插补方法主要有实物填充法、造型设计法和曲线、曲面插值补充法。实物填充法是指在测量之前，将凹边、孔及槽等区域用一种填充物填充好，要求填充表面尽

48、量平滑、与周围区域光滑连接。填充物要求有一定的可塑性，在常温下则要求有一定的刚度特性(支持接触探头)。实践中，可以采用生石膏、加水后将孔或槽的缺口补好，在短时间内固化，等其表面较硬时就可以开始测量。测量完毕后，将填充物去除，再测出孔或槽的边界，用来确定剪裁边界。造型设计法指在样件模型的缺口区域无法进行实物填充时，可以在模型重建过程中运用 CAD 软件或逆向造型软件的曲面编辑功能，如延伸(Extend)、连接(Connect)和插入(Insert)等功能，根据样件模型表面的几何特征，设计出相应的曲面，再通过剪裁，离散出需插补的曲面，得到测量点。曲线、曲面插值补充法主要用于插补区域面积不大，周围数

49、据信息完善的场合。其中曲线插补主要适用于具有规则数据点或采用截面扫描测量的曲面，而曲面插补既适用于规则数据点也适用于散乱点。曲线、曲面插补得到的数据点在曲面生成以后，根据曲面的光顺和边界情况反复调整，以达到最佳效果。CATIA 软件提供了“修补网格面”的功能，这个功能就是为了实现数据的插补。3.2.6 数据分块在实际的产品中，只由一张曲面构成的情况不多，产品形面往往由多张曲面混和而成，由于组成曲面类型不同，所以CAD模型重建一般根据曲面的外形特征将样件模型的表面分为多个曲面片，先分别拟合单个曲面片，再通过曲面的过渡、相交、裁剪、倒圆角、合并等编辑功能，将多个曲面缝合成一个整体。数据分块(Poi

50、nt Data Segmentation)是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型，将属于同一子曲面类型的数据分为一组，这样全部数据将划分成代表不同曲面类型的数据域，为后续的曲面模型重构提供方便。采用数据分块将复杂的数据处理问题简单化，使得对数据的处理更加方便灵活便于曲面的重构，能提高建模的精度。数据分割方法分为基于测量的分块和自动分块两种方法。基于测量的分块适用于曲面特征非常明显的样件模型。操作人员根据样件模型的外形特征，曲面划分成不同的子曲面并对曲面的轮廓、孔、槽边界、表面脊线等特征进行标记，在此基础上进行测量路径规划，这样不同的曲面类型数据将保存在不同的文件中。此种划分方法获得的点云数据的精

51、度和质量受操作者水平和经验的影响。自动分块方法有基于边和基于面两种基本方法。基于边的分块是指边的识别和连接。边识别是要找出曲面间数据点表示的边界，然后连接相关点形成一连续边；基于面的分块方法是试探着推断出具有相同曲面性质的点，然后进一步决定所属的曲面，最后由相邻曲面决定曲面间的边界。基于面的分块适于二次曲面的样件模型表面，不适用于自由曲面。测量数据的分块一般要遵循以下几个原则：（1）保证每个分块数据凹凸性一致。即这个分块数据中的每一条数据要么是凹的，要么是凸的，不能既凹又凸。这是为了便于后序的测量数据的光顺处理。（2）保证分块数据所生成的曲面具有良好的形态，尽量避免由于分块所带来的不好的曲面形

52、态。（3）保证散乱数据、三角数据等不规则数据的划分，以便对这些数据进行特殊处理。（4）划分时，要有利于后序数据块的拼接、过渡处理，使拼接、过渡处理尽量简单。（5）尽量减少分块个数，能不分块的就不分块，尽可能地减少曲面片的拼接、过渡处理。3.3 前地板点云的网格化经过处理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。通过点云网格化功能，可以在点云上建立三角片网格，使点云的几何形状更加明显，方便点云轮廓的建立。通过建立网格面功能，可以再点云上建立三角面，使调整更加易于观察。此过程可以“MeshCretion”（建立网格面）工具来完成。生成的网格面有些地方非常不平整，为了使网格面更加光顺，

53、可以使用“MeshSmoothing”（平顺网格面）工具来实现。此时还会发现，生成的网格面上可能会有比较明显的洞存在，因此用“FillHole”（修补网格面）工具来修补网格面上的洞。通过上述步骤，点云的网格化基本完成。图3-2等为点云网格面修补前后的状况。图3-2 创建网络命令图3-3 光顺网络命令图3-4 修补网络面命令3.4 分割点云处理点云的最终目的是将点云生成曲面，即通过指定边界条件，在点云上生成满足条件的曲面。一般情况下由一个曲面来拟合所有点云是不可行的，应按照模型具有的特征将数据点云分割成不同区域(分块)，分别拟合出不同的曲面片，然后应用曲面求交线或曲面间过渡的方法将不同的曲面片拼

54、接起来构成一个整体。面片划分的好不仅使数据处理变得简单，而且可以很好的保证曲面的最终精度，否则可能使重构工作变得烦琐且很难保证精度。分割原则为：数据块的凸凹性一致，曲面重构时态性较好。本文将整个前地板特征分成 9 块。如图 3-5。这个过程是通过自由曲面模块的3Dcurve，工具实现的，需要注意的是取点并不是越多越好。 图3-5 曲面分块命令1图3-6 曲面分块命令23.5 曲面的生成曲面生成的具体处理方法主要有两种：一是由曲线生成曲面；二是由点云生成曲面。由曲线生成曲面的方法，是用截面法或通过点云特征提取特征线(Curve Creation 或 Create Free Edges) 的方法，

55、然后用扫掠(Sweep)、多截面曲面(Multi-Section Surface)、填充(Fill)或桥接(Blend)等功能来创建光顺曲面片。这种方法的关键是要有质量好的架构线和合理的曲面片生成规划。高质量的架构线作面，曲面的精度和光顺性都能很好满足，而有高质量的构架线，却无法生成曲面或是理想的曲面也不行，所以在构面前也要规划合理的曲面片生成顺序和生成方法。构建曲线类型有直线、圆弧、样条线等多种，一般常采用样条线(Spline)，DSE 模块中的 3DCurve 或GSD 模块的 Spline 均可生成样条线，其编辑功能包含移除、增加控制点和约束控制点保证曲线切矢连续或曲率连续等，可根据需要对已生成的样条线进行调整。此外，在GSD 模块中，常对曲线进行断开(Split)、桥接 (Curve Connect)、光顺 (Curve Smooth)处理，以获得构面所需的架构线。如图3-7，3-8。图3-7 截面法提取特征线图3-8 生成3Dcurve由点云生成曲面的方法有两种，一是由扫描点云直接构建曲面，另一种则是先建周边曲线，再用该边界与其内部的扫描点云来产生曲面。在 CATIA 软件中，前者对应的功能是曲