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基于CATIA逆向工程的减震垫设计

1 逆向工程概述

逆向工程又称为反求工程或反向工程,是与正向工程相对的一种工程设计方法,是在对现

有样品的设计原理、结构、材料、工艺、装配、包装等进行分析研究的基础上,研制开发出结构、性能等方面与样品相似甚至更为先进的产品。它的一般流程是先利用测量系统对现有的样品进行数据采集,再将测量数据输入专业处理软件或CAD/CAM系统中进行样品数字模型重建,**利用重建所得数字模型进行生产的一个过程。近年来出现了集成的逆向成型系统,是直接利用三维扫描仪进行样品表面数据采集后传入三维打印机进行快速成型加工的一种系统工具,主要应用在模具设计行业。本文探讨的涡轮叶片减震垫是安装在叶片榫头深根部位,用来减轻相邻叶片之间振动冲击的弹性垫片,因其尺寸小,形状复杂,用接触式的三坐标测量仪测量出来的点数据进行模型重建时难度很大,且模型变形较大,精确度无法保证;所以在对其进行逆向造型时采用非接触式的扫描设备对其实体表面进行扫描得到点云数据,再将该点云数据导入CATIA V5中进行数字模型重建。

2 CATIA V5实现逆向工程造型的一般过程

CATIA V5是一个高度集成的解决方案,利用它不但可以完成产品的逆向造型,而且能直接进行结构设计、工程分析、模具设计、加工装配等一系列后续工作,所以使用CATIA V5实现逆向工程非常方便。CATIA V5在逆向造型方面提供一种由三角网格面自动生成曲面的工具,但一般只适用于简单而规则的曲面。对于形状比较复杂的曲面,需要手工来完成曲面重建。一般地,手工的曲面重建可按以下步骤进行:

  1. 入点云数据;

②点云过滤;

③剔除不规则点;

④生成三维网格面;

⑤画轮廓线将网格三角面分区;

⑥创建规则区域的面(如平面、柱面等);

⑦对非规则区域,建立曲线或曲线网络;

⑧利用所建立的曲线及曲线网络来创建曲面;

⑨曲面修饰;

⑩后续处理。

3 CATIA逆向工程在减震垫设计中的应用

3.1 点云数据导入与处理

进入DSE(Digitized Shape Editor)工作平台,使用Cloud Import命令导入减震垫的点云数据。因为该零件尺寸很小,为了保证建模的精度,在导入点云数据时可以利用比例因子选项将点云的空间尺寸调大。如果不放大尺寸,在利用扫描点进行曲线创建时会因曲线的精度不够而

形成拟合度很小的折线段,此时也可以修改CATIA的显示性能选项中的精度设置来提高曲线创建的精度,将默认的“固定的”精度方式改成“按比例”且把比例调至足够小即可。导入的减震垫点云数据如图1所示。

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图1 导入点云数据

导入点云后,使用Cloud Remove和Cloud Filtering命令对点云进行处理,得到处理过的点云数据如图2所示。

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图2处理过的点云

3.2 三角网格面生成与编辑

利用Mesh Creation命令由处理过的点云生成三角网格面,如图3所示。

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图3 生成三角网格面

由于边角、过渡区域的测量点较稀疏、误差也比其它区域大,所以此类区域的三角网格面在生成时有缺失部分,还需利用网格编辑命令对网格进行优化增补等工作,如图4所示即为对减震垫边角区域进行增补的局部放大图。

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图4 编辑边界网格面局部图

3.3 曲线创建与编辑

进入QSR(Quick Surface Reconstruction)工作平台,利用Activate Areas命令,按照零件的外形结构特点对三维网格进行分块。分块后利用Planar Sections、Create FreeEdges、Create 3D Curves、Curve from Scan等命令创建拟合曲线。并对曲线进行编辑使之与原点云中的正确点尽量吻合。对于便于使用Surface Network命令创建曲面的区域,利用Curves Network命令先将曲线连成网络,以备曲面创建时使用。

3.4 曲面创建及距离分析

利用Multi-section Surface、Surface Network等曲面创建命令将曲线连成曲面。并应用Distance Analysis工具对生成的曲面与点云中各点的距离进行分析,如图5所示,

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图5 减震垫左侧曲面距离分析

减震垫左侧的**距离为0.004mm,*小距离为-0.002mm,两处分别见局部放大图。当所有区域的曲面均创建完成后,可以利用**曲面的相关工具如Edge Fillet、BlendDefinition及Fill Surface等把各曲面衔接起来成为一个完整的曲面。


3.5 后续处理

曲面创建并编辑完成后,利用Apply Material命令为曲面添加材料,然后在应用材料的实时渲染模式下进行曲面光顺度检查,如图6所示,

image6.png

图6 光顺度检查

曲面较为光顺。曲面检查合格后即可利用零件设计模块中的增厚倒角等功能创建零件实

体模型,并进行模具设计和加工装配等后续工作。

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