基于CATIA V5的汽车铝合金副车架逆向设计和优化

基于CATIA V5的汽车铝合金副车架逆向设计和优化
发表时间：2020-11-18T02:34:47.440Z 来源：《中国科技人才》2020年第21期作者：李巍[导读] 逆向工程是实际产品开发过程中一项重要的技术，是设计人员研究竞争对手产品性能的重要手段。

北京航空航天大学宁波创新研究院浙江宁波 315800摘要：逆向工程是实际产品开发过程中一项重要的技术，是设计人员研究竞争对手产品性能的重要手段。

在自身开发类似产品的过程中作为参考，可以缩短设计周期，具有广阔的应用前景。

运用CATIA的曲面设计，结合工程实例，从点云采集，曲面重建等方面介绍逆向
设计的一般流程。

希望文中提及内容可以给人以启发，为汽车零部件企业发展提供支持。

关键词：逆向工程；CATIA；产品设计
1 引言
在产品设计中，通常分为正向设计和逆向设计。

逆向工程作为一种重要的手段，广泛的应用于实际产品开发当中。

各大整车厂一般会设立专门的对标部门，用以研究市场上竞争对手的产品性能，建立同类产品的数据库，作为提升自己产品性能的参考。

第三方的数据库公司也会应用逆向工程建立数据库，卖给有需求的公司。

逆向工程（RE，Reverse Engineering）也称为反求工程、反向工程等，它起源于精密测量和质量检验[1]。

逆向工程主要包括材料反求，工艺反求，外形反求。

本文主要介绍逆向工程中的外形反求，即根据测量目标实物的点云重构CAD模型的过程。

逆向工程为制造业提供了一个全新、高效的重构手段。

2 三维CAD模型建构流程
逆向工程通常是以现有模型或实物为依据，进行重构仿制的流程。

通过三维数字扫描仪将实物以3D点云的形式记录在计算机中，利用得到的点云数据在CAD/CAM软件中完成三维模型的重建工作[2]。

逆向的一般流程：
对标件——>三维扫描——>点云——>点云处理——>参数化建模——>偏差分析——>反复修改——>最终数模 3 逆向建模原则 1）点云作为参考，逆向后数模满足一定的逆向精度即可。

实际应用中，用的最多的就是逆向工程结合正向设计的方法，这样有利于提高零件建模效率以及减短产品的开发周期。

[3]一个好的逆向产品不仅要与点云贴的好，更重要的是能够满足自身的结构和工艺要求；两者相矛盾时取后者。

建模前需分析零件结构，考虑合理的建模顺序，参数化建模。

2）点云贴合原则：小面服从大面，质量差的面服从质量好的面。

3）设计过程中应充分参考其它车型的成熟样件，以便更深入全面地了解被逆向部件，提高逆向设计准确性，降低逆向设计难度。

4）要认真分析点云和样件，切忌把样件的制造缺陷和点云扫描偏差带入逆向设计零件中去。

5）校核精度：车身硬点，如配合面、安装基准面、功能面、定位孔、特征线等尺寸精度要求较高的点线面，点云与零件重构曲面的偏差控制在±0.5㎜之内；结构面，过渡面，工艺面，过渡线等尺寸精度要求一般的点线面，误差范围在±1㎜内；过孔，工艺孔，加强筋边界等尺寸精度要求不高的点线面，误差范围为±2㎜。

4 副车架的catia逆向建模实例
本次选举了单面加强筋铸造的副车架进行逆向。

若产品结构为空芯结构，内部结构无法扫描，还需多一个产品剖切扫描其内部结构。

4.1 三维扫描及处理原则
对标件需放置于合理的位置，最好按照产品的基准摆放好再进行扫描。

根据物体的形状，规划好要从几个角度扫描，尽量多地覆盖扫描的区域，并确保扫描时扫描头垂直于工件，即与投影光垂直部分的点云是最准确的，点云编辑时应尽量保留。

每个单次扫描的作用要明确，以利于点云编辑时有目的的取舍。

遵循先拼后裁剪再合并，最后均匀采样的步骤。

设计人员可跟踪扫描，确定重要位置，以便得到更精确的点云数据。

4.2 点云预处理
点云处理主要在Digitized Shape Editor（数字化形状编辑DSE）模块中完成。

其主要操作包括点云导入、点云编辑、网格处理以及对齐&定位这4块。

在导入点云时选择创建面片即可显示产品的轮廓。

4.3 建模过程
首先，进入Quick Surface Reconstruction（快速曲面重构QSR）模块，建立坐标系。

通过观察副车架的结构，稳定杆和转向节安装面共面，且面积较大，点云质量较好，车身安装面和悬置安装面都和此面平行，为整车的Z向，所以以此面为基准确定XY平面，左/右侧转向机的两个安装孔中心连线确定Y向，其对称面作为ZX面，根据此两个面，即可确定ZY面，XY面的位置可自行选择。

利用Active命令，激活稳定杆安装面，刷选过程必须小心细致，选择扫描质量比较好的点云，否则会有较大偏差。

再运用Basic Surface Recognition基础面重构（平面、圆柱、球等）命令，对此安装面进行拟合。

XY面确定后，刷左侧转向机安装孔（因稳定杆安装孔为螺纹孔，点云不准确），拟合出来的圆柱中心和XY面不垂直，角度为90.798deg，则需要修正此圆柱中心的角度，将拟合出来的圆柱边线在XY 面投影，得到近似圆的曲线，再用点复制命令将该曲线均等分三份，再以此三个点建立一个圆，此圆直径为?10.29，考虑到安装螺栓为M10，所以将此孔径修正为?10.5，此时拉伸该圆，形成该安装孔。

右侧转向机安装孔底部为圆孔，上部为腰孔，以圆孔为标准拟合，直径?
12.5，左右两侧圆孔在XY面的投影圆心的连线ab确定Y向。

腰孔尺寸为10.5×12.5，腰孔方向为Y向。

表1 坐标系方向
通过拟合各安装孔，再根据以往的产品，确定各安装孔的孔径。

下表为各安装孔的尺寸
表2 各安装孔孔径
利用Basic Surface Recognition基础面重构，确定所有硬点的安装面位置，注意副车架左右安装点的位置对称。

可以利用Planer Sections剖切点云形成边界线作为实体建模边界的参考。

根据目前的低压铸造工艺，确定拔模角度，上模3°，下模5°。

主要运用Part Design（零件设计）和Generative Design（创成式设计）模块，按照正向设计思路建模，建模过程必须参数化，及时根据实际经验反复修改数模，直至满足要求。

4.4 偏差分析
由于采用的实体建模，建模完成后需提取实体外表面和点云对比。

利用Deviation Analysis偏差分析，评价点云与逆向数模的误差。

点云与逆向数模偏差较大的位置在前悬置衬套中，此部分不在重建范围内。

局部结构面超过±1mm，可以根据经验和工艺水平判断是否需要继续优化。

建好的数模可以用来分析自由模态和静刚度，形成数据库，作为开发同类产品的参考依据。

表3 偏差分析结果
5 结论
本文以逆向一款汽车铝合金副车架为例，介绍了CATIA逆向模块的主要命令，阐述了以逆向点云作为参考正向建模的思路。

着重介绍了建构坐标系的方法，之后确定各个硬点位置，此为正向设计的前提。

对此类产品的重新设计具有普遍的指导意义。

参考文献：
[1]漫谈CATIA与逆向工程湖南工程学院缪华 3D动力技术中心霍有朝 CAD/CAM与制造业信息化.2008年第12期
[2]S Vison，D page，A Koschan，et al Reconstructing 3D CAD Models for Simulation using maging-based Reverse Engineering [C]//Defense and Security Symposium.International Society for Optics and Photonics，2006.
[3]基于Catia的数字化建模及在工程中的应用李寒毅等机械工程与自动化第3期 2013年6月
作者简介：李巍，1983.11，女，蒙古族，本科，工程师，研究方向：汽车底盘轻量化。