逆向工程中使用CATIA软件快速构建高质量曲面

逆向工程中使用CATIA软件快速构建高质量曲面
2009-04-30 09:16
逆向工程中，使用激光测量机对产品样件进行测量，得到产品的点云数据，对这些点云数据进行必要的处理，将处理好的点云生成小三角网格面，反映产品的样子。

根据这些点云数据，利用CATlA软件，快速构建高质量的曲面。

在构建过程中，对产品进行拓扑分解．分析曲面与曲面之间的拼接关系，快速构建曲面的光顺性检查及与点云数据之间的距离误差，产品的功能性及工艺性检查。

使用CATIA软件中强力拟合工具进行曲面拟合时，调节曲面的阶数和段数，在误差允许的范围内生成光顺的曲面。

理论上，产品开发过程应是由设计(图纸或造型)到实物(模型或产品)。

而产品的实际开发工作常常采用一种“相反”的过程进行，即以某种实物(模型或样品)为蓝本进行设计，然后再进行制造得到最终产品。

这种由实物到设计的过程以及其中所采用的各种技术称为逆向工程(Reverse Engineering)。

由于逆向工程常用于产品外观设计，因此如无特别说明，它通常指产品的逆向几何建模(逆向造型)。

逆向工程在不同的地区存在不同的称谓，如抄数、三坐标点测绘、三坐标点造型、数据处理和反求工程等等。

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一段时期以来，国内逆向工程的应用常常局限在对国外产品的仿制上，因此在某种程度上造成了逆向工程等于仿制的误解。

而事实却是：逆向工程技术本身是应产品原创设计的需要而产生的，并首先在国外得到广泛的应用。

近年来，国内企业也日益重视对具有自主知识产权产品的开发，所以逆向工程的应用也逐步走入快速发展的轨道。

以我校数控技术中心为例，2005年以前的逆向工程项目基本上是对国外产品的仿制，而目前所进行的逆向工程项目已经完全属于产品的原创设计。

CATIA是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件。

居世界CAO/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子/电器及消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。

CATIA提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。

包括从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的设计。

1 点云数据的获取
在逆向工程中。

通常对产品样件进行数据采样有2种模式，一种是点接触式测量，这种测量方式的结果是点数据相对较少，不能完全反映产品的形状；另一种是激光式或光栅式测量，这种测量结果是点数据相对较大，通常有上百万个点，能完全反映产品的形状。

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。

现以我校数控技术中心用3D激光测量机获取的摩托车后视镜的点云数据为例进行分析。

2 点云数据的输入与网格面的生成
在CATIA软件中新建一个文件，切换到DSE(数字编辑器)工作台，选择import(导入)图标，会弹出如图1所示的对话框，通过该对话框将测量所得到的产品点云数据导入CATIA软件。

图1 导入对话框
在导人数据时，应首先在Format(格式)下拉列表框中选择数据的格式，在本文中数据以IGES为例。

再选择文件，其它选项一般为默认值，单击“Apply”按钮即可将数据输入到CATIA软件中。

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，这时需取消图1对话框中的“Grouped”复选框。

如图2所示为一款摩托车后视镜的点云数据。

图2 输入的点云图3 生成的网格面
在导入点云数据后，通过图2可以看出。

点数量很大，占用内存容量也大，操作就比较缓慢，可以使用Filter(过滤器)命令将点云进行过滤，只保留少部分点，过滤的点只是不显示，并没有被删除。

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，图3所示为生成的网格面，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，下面将对主体的顶面进行创建，首先对主体顶面的点进行选择，由于顶面与侧面之间有一个圆角面的过渡，在选择顶面点的时候，很难确定圆角面与顶面的分界位置在哪里，所以首先需要将顶面和圆角区分开来。

切换至Quick Surface Reconstruction(快速曲面构建)工作台，使用Segmentation byCurvature(通过曲面分段)命令在网格面上生成等曲率云线，生成的等曲率云线如图4所示。

图4 等曲率云线图5 选择后的结果
上一步生成的等曲率云线作为选择顶面的边界参考，使用Activate(激活)命令，选择云线中间的部分，也就是顶面的区域。

选择后的结果如图5所示。

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 Informations按钮可以查看生成曲面与点云的最大值和最小值。

如图6所示。

图6 生成曲面的误差
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，如图7所示。

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。

图7 针状线图
在满足过点要求后还需要对曲面的质量进行评估，使用CuttingPlnHea 扩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。

4 结语
目前，逆向工程大量应用于汽车等交通工具的造型中，这些产品的曲面质量要求很高，在实际工作中，还需要对不同的产品进行分析，选择合适的方法来创建，在使用强力拟合工具时也要耐心反复的筛选点云数据，最终达到熟练快速的创建高质量的曲面。