CATIA逆向设计基础培训-李永卫

1.3.1
逆向工程系统框架组成
逆向工程的思想最初是来自从油泥模型到产品实物的设计过程。除此之 外，目前基于实物的逆向工程应用最广的还是进行产品复制和仿制， 尤其是产品的外观设计，因为不涉及复杂的动力学分析、材料、加工 热处理等技术难题，相对容易实现。目前基于 CAD/CAM系统的梳子扫 描技术为实物逆向工程提供了有力的支持，在完成数字化扫描、实物 的3D模型重建之后，通过NC加工就能快速的制造出模具，最终得到所 需的产品。这个过程已成为我国沿海地区许多家用电器、玩具、摩托 车等产品企业的产品开发及生产模式，但这只是对海外产品的简单复 制和仿制，只是简单的照抄和照搬，从严格意义上来说，这不等于逆 向工程。
1.3
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型技术、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个计算机辅助子模块能够较好的独立完成
一个研究和应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。在这一意义下，
“实物逆向工程”可定义为：将实物转化为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，是将已有产品和实物模型转化 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。
1.2
逆向工程应用
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：
随着计算机辅助几何设计的理论和技术的发展和应用，以及 CAD/CAM/CAE集成系统的开发和商业化，产品实物的逆向设计首先通 过测量扫描以及各种先进的数据处理手段获得产品实物信息，然后充 分利用成熟的 CAD/CAM技术，快速、准确的建立实体几何模型，在工 程分析的基础上，数控加工出产品模具，最后制成产品，实现从产品 或模型——设计——产品的整个生产流程。
1.1
逆向工程定义
“逆向工程”（Reverse Engineering,RE）,也称反求工程、反向工程
等，它起源于精密测量和质量检验。广义的逆向设计是消化、吸收先进技 术的一系列工作方法的技术结合，是一门跨学科、跨专业的、复杂的系统
工程。它包括影像逆向、软件逆向和实物逆向等三方面。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，已经成为CAD/CAM系统中的
1.3.1
逆向工程系统框架组成
具体系统框架及流程如图所示
从逆向工程系统框架图中可以看出，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。
2
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要求： ①数学模型的精度误差满足用户可交付要求； ②曲面内在的质量要求，如曲面的连续性要求，光顺性要求； ③曲面连续过度的质量要求，如不能出现尖角等； ④过度曲面的流动路径要求； ⑤曲面或局部协调性和对局部特征分界的合理性； ⑥工程制造标准的要求； ⑦模具拔模的工程制造符合性要求； ⑧设计、质量和验证审核的可行性。

在对产品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展现出来，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 速简历三维CAD模型，就必须引入逆向工程的技术。 当设计需要通过实验测试才能定性的工件模型时，通常采用逆向工 程的方法，比如在航空航天、汽车工程等领域，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（如风洞试验等）建立符合要求的产品模型。此类产品通常是
2.2 CATIA逆向工程流程—自由曲面造型点云
① 输入由扫描实物或实物模型得到的点云数据。点云数据的输入可以读 取文件的形式输入，也可以在CATIA专门的逆向工程模块DSE 模块中由 Import命令导入，如图所示，此步在DSE模块中进行。 ② 对扫描的点云数据进行预处理，由点云构造3D轮廓线框，如图所示。 此步在DSE模块中进行。 ③ 由点云直接拟合成基本曲面或由Power Fit拟合自由曲面，并对生成的 曲面进行裁剪、倒角等后处理，并同时检测构建的曲面与点云数据的偏差情 况，根据精度和曲面质量要求进行更改，如图所示。此步在QSR（Quick Surface Reconstruction快速曲面重构）模块中进行。 ④ 由构建好的曲面通过缝合、增厚曲面等方式生成实体，此步在Part Design(实体造型)模块中进行。 上面的流程可以相互结合，灵活应用，根据设计要求和产品结构复杂 程度进行选择。
逆向工程系统
何已经受到重视，一些国际著名的CAD 软件公司开发了与自己的CAD 平台集成的专用逆向软件（模块）。但是。一些不同的数据传输仍需 要采用数据格式的方式：在数字化设备与造型软件的集成上，目前进
在逆向工程系统的研究方面，专用逆向软件和其他计算机辅助技术的几
展பைடு நூலகம்微：提出的方法大多限于单向的集成研究，即是一种无反馈的集
进的产品和技术，极大的缩短产品开发周期，迅速占领市场。
逆向工程也广泛用于破损文物、艺术品的修复，活损坏零件的供应等。 此时，不需要复制整个零件，只是借助逆向工程技术抽取原来零件的设计 思想，用于指导新的设计。 特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需要 利用逆向工程技术建立人体的几何模型。 在快速原型制造（RPM）中通过逆向工程，可以方便的对快速原型制造的 原型产品进行快速、准确的测量。
各项工程，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，逆向工程师CAT/CAD /CAM/CAE等先进计算机辅助技术集成应用的 一个典型例子，也是计算机集成制造系统（CIMS）研究的一个重要分 支。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。
1.3
CATIA 逆向设计基础培训
李永卫 2014.9.2
目录
1、逆向工程技术概况 1.1 逆向工程定义 1.2 逆向工程应用 1.3 逆向工程系统框架组成 2、CATIA逆向工程建模基本流程 2.1 CATIA逆向工程流程—几何形状造型点云 2.2 CATIA逆向工程流程—自由曲面造型点云 2.3 CATIA逆向工程的特点 2.4 CATIA用于逆向工程的主要模块功能简介 2.4.1 DSE数字编辑器模块 2.4.2 QSR（Quick Surface Reconstruction快速曲面重构）模块 2.4.3 GSD（Generative Shape Design通用曲面造型）模块 3、逆向工程常用软件 4、逆向工程与产品创新 附件： DSE(数字化外形编辑器)模块命令详解 实例演示
的模具。然而这些几何外形的改变却未曾反映在原始的CAD模型上。借助
于逆向工程的功能和在设计制造中所扮演的角色，设计者现在可以建立或 修改在制造过程中变更过的设计模型。 很多物品很难用进本几何形状来表现与定义，例如流线型产品、艺术浮 雕及不规则线条等，如果利用通用CAD软件，以正向设计的方式来重建这 些物体的CAD模型，在功能、速度和精度方面都将异常困难。在这种场合 下，必须引入逆向工程，以加速产品设计，降低开发的难度。
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DSE
(Digitized Shape Editor数字编辑器)模块；
QSR（Quick Surface Reconstruction快速曲面重构）模块； GSD( Generative Shape Design通用曲面）模块
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FS（Freestyle自由曲面造型）模块；
Part Design(实体造型)模块等五个模块。
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，即由扫描点云——特征线——面——实体模型。根据CATIA V5模
块的特点有以下逆向建模方式可以满足产品建模的基本要求。
2.1 CATIA逆向工程流程—几何形状造型点云
2.4.1 DSE数字编辑器模块
（1）此模块在CATIA逆向工程中的主要功能 ●导入点或点云数据。 ●预处理点云数据包括点云的过滤、删减、空洞修补、对齐、合并等。 ●点云三角面片网格化。 ●点云剖面生成扫描线（Scan line） ●由扫描线生成特征线或线框 ●误差检测 （2）此模块应用流程 ●点资料的整理，为曲面重构做准备 ●三角网格曲面划分后可直接进行3轴加工或快速成型。 ●点云与重构的曲面做误差检测与控制 ●三角网格曲面划分后可直接进行DMU空间分析检测
1.2

逆向工程应用
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。如韩国现代 汽车在发展汽车工业制造技术全测试在内的各种测试研究，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
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。
1.2

逆向工程应用
在没有设计图纸或者图纸设计不完整，以及没有CAD模型的情况下，通过
对原件原型进行测量，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。 在模具行业，经常需要反复修改原始设计的模具型面，也得到符合要求
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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、距离分析等） 三角网格曲面直接进行3轴加工（SMG模块） 以DMU SPA对数位模型进行空间干涉检测。
2.4 CATIA用于逆向工程的主要模块功能简介
从CATIA逆向工程流程中，用于逆向工程中的模块主要有：
①输入由扫描实物或实体模型得到的点云数据： CATIA V5可以接受任何形式的点云数据（如ASII、STL、IGS、IGES等格 式）。点云数据的输入可以以读取文件的形式读入，也可以在CATIA专门的逆 向工程模块DSE (Digitized Shape Editor数字编辑器)模块中由Import命 令导入。此步在DSE模块中进行。 ②对扫描的点云数据进行预处理，然后生成或构制3D曲线线框，如图所示， 这一步在DSE 模块中进行处理。 ③由3D线框生成3D曲面，并对生成的曲面进行裁剪，倒角等后处理，并同 时检测构建的曲面与点云数据的偏差情况，根据精度和曲面质量要求进行修 改，如图： 这一步在GSD （Generative Shape Design通用曲面造型）模块和FS （Freestyle自由曲面造型）模块中进行。 ④由构建好的曲面通过缝合、增厚曲面等方式生成实体并进行细小结构的 调整设计。这一步实在Part Design (实体造型)模块中进行。
2.3 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（CATIA FS 模块及Automotive Class A 模块） 模块）
可以根据需要快速构建Class B曲面（CATIA QSR
成，集成实现方法主要采用模块化方式，将不用应用功能的子系统和 造型系统组合连接，这样的集成方法存在以下问题： ① 数字化过程仍是一种孤立的行为，数字化过程没有考虑后续的模型
重建、分析、制造等下游需求；
② 数据模型不统一； ③ 由于测试手段、商品化CAD系统（包括专用逆向软件）以及加工制造 手段的多样性，很难有一种适应上述不用手段的集成逆向工程系统。