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基于CATIA的逆向工程中的曲面重建

曲面模型的建立是逆向工程技术中极为关键的一步。本文通过一个具体实例,介绍了如何利用CATIA逆向工程模块调入点云,经过滤、网格化,到创建扫描线、生成曲线、填充曲面**建立起曲面模型的数据处理过程。

逆向工程是产品设计领域的一门关键技术,是根据已经存在的产品模型,反向推出产品设计数据(包括设计图纸或数字模型)的过程。具体来讲,逆向工程的主要工作,就是指针对现有零件,利用三维数字化测量仪准确、快速地取得点云图像,随后经过曲面构建、编辑、修改之后,置入一般的CAD/CAM系统,再由CAD/CAM计算出NC加工路径,**通过CNC加工设备制作模具。

CATIA是目前应用广泛的新一代的高端, CAD/CAM/CAE软件系统,其逆向处理功能主要由两个模块来完成:数字化编辑器模块及快速曲面创建模块。数字化编辑器模块DSE主要

用来完成点云的调入、输出、过滤、生成网格曲面、生成扫描线等工作,快速曲面创建模块QSR的功能则包括进一步生成扫描线、生成曲线、曲面填充、光顺处理、分析工具等等。在实际工作中,两模块交互使用,可以完成点云快速处理3D模型建立、构建曲面、搭配等等。

2 曲面重建的数据处理流程

一般做逆向工程的软件建立曲面模型的流程大都遵循点—曲线—曲面的原则,CATIA亦是如此。在实际工作中,CATIA逆向工程模块的曲面重建过程,也就是从点云的调入,经各种处理,**拼合曲面,建立完整的零件曲面模型的过程。其具体的处理流程如图1所示。

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图1 CATIA中曲面重建的数据流处理

3 曲面的重建

曲面的重建是逆向工程数据处理过程中*为关键的一步。目前,逆向工程中主要有三种构造曲面的方法:第一种是以B-Spline样条曲线或非均匀有理**条曲线为基础的曲面构造方法;第二种是以三角Bezier 曲面为基础的曲面构造方法,第三种是以多面体方式来描述曲面物体。CATIA支持Bezier样条曲线和NURBS 样条曲线两种曲面构造模式,且允许其相互转换。采用NURBS曲线构造方法有着突出优点:它可以精确地表示二次规则曲线曲面,从而能用统一的数学形式表示规则曲面与自由曲面;具有可影响曲线曲面形状的权因子,使形状更宜于控制和实现;NURBS曲面还可以准确表达多块面片连接而成复合曲面;在几个面片之间连接的NURBS曲面可以达到image2.png连续。NURBS曲线的这些特性对创建高品质的曲面是非常重要的。

4发动机罩点云的数据处理

逆向工程的原始数据“点云”,一般是采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描等测量装置获取的零件原形表面点的三维坐标值。在实际测量过程中,可能由于零件形状复杂,一次扫描无法获得全部的数据,或是零件较大无法一次扫描完成,这就需要移动或旋转零件,从而得到很多单独的点云。本文将以汽车的发动机罩点云文件为例,具体介绍CATIA逆向工程模块曲面重建的处理过程。

4.1 点云文件的调入和过滤

CATIA支持ascii,atoa,cgo,stl等多种格式的点云文件。实际工作中,要通过调入多个点云文件来完善点云数据,这些点云对齐后点数据将变得非常庞大,若所有的点都参与计算,不但没有必要,还将给计算机的处理带来很大的负担。为了便于计算,首先需要滤掉多余的点数据,然后才能对点云作网格划分。发动机罩点云调入对齐后如图2所示。

过滤的方式有两种。若选择homogeneous 类型,点数据将根据输入球半径的大小被均匀过滤,这种方式可能会滤去点云轮廓变化处的一些关键点,只适合曲率变化不大形状简单的点数据。考虑到发动机罩的表面特征及汽车覆盖件A级曲面的要求,选择Adaptative类型。用这种方法,点云数据中平坦部分将比曲率变化大的部分被滤去更多的点,从而保留了曲面重建要用到的关键点。过滤操作时,将局部偏移弦值调整为0.02mm,**留下了4.21%点云数据,如图3 所示,剩下的这些点已经足够做下一步的网格划分,其它的点即被隐藏起来,不再参与后面的计算。

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图2 对其后的汽车发动机罩点云   图3 过滤后的汽车发动机点云

4.2点云的网格划分

网格划分即利用点云过滤后留下的点数据,根据给定的相邻参数,在点云上的相邻点之间镶嵌生成网格状的三角形小面片。在本文的实例中,因为平坦部分过滤时比其他部分滤去了更多的点,点数据相对比较稀疏,网格划分时,将相邻参数设为30mm,这样可以避免因点间距过大而无法镶嵌出现的孔洞,**网格划分后的点云如图4所示。

image5.png    image6.png.

图4 网络划分后的点云        表5创建扫描线

4.3 创建扫描线

扫描线是创建样条曲线的基础,在创建过程中,要求扫描线一定要体现零件几何轮廓特征的变化。扫描线创建的方法有很多种,可以由平面和点云网格求交来生成,可以分析曲率从相同曲率处生成,也可以直接从点云上生成等。对发动机罩点云来讲,用分析曲率的方法得到的扫描线平滑性较差,直接在点云上由点生成又太过费时,因此采用了点云与平面的办法。根据发动机罩的几何轮廓特征,创建了如图5所示的扫描线。

4.4 创建样条曲线及曲线的光顺处理

样条曲线的创建是曲面重构过程中*为关键的一步。只有对点云拟合程度高的光顺曲线才能得到高品质的光顺曲面。光顺是一个工程上的概念,包括光滑和顺眼两方面的含义。光滑是指空间曲线和曲面的连续阶,数学上一阶倒数连续的曲线即为光滑的曲线;而顺眼是人的主观感觉评价。对于平面曲线,光顺需要满足以下几点:1)曲线image7.png连续;2)没有多余拐点;3)曲率变化均匀。

在逆向设计中,扫描或拟合得到的曲线一般很难保证其光顺,为了构造出一条光顺的插值曲线,需要修正原型值点序列,利用软件的相关工具进行调节。曲面的光顺往往归结为曲线网格的光顺,即网格的每一条曲线都是光顺的,光顺的曲面,应该是没有凸区和凹区的。

样条曲线的创建主要是从扫描线生成,也可以直接绘制或采用其他的办法。本文中的发动机罩点云,由于零件模型本身的缺陷,周边部分很不齐整,导致了自动生成的点云边界曲线及扫描线端点处与理想的曲线形状差别很大,因此必须删除部分边界线重新绘制,并在扫描线生成样条曲线后对边界处进行重点修改,添加、删除了一些型值点,改动了某些型值点的坐标。为保证曲面的精度不受太大的影响,对原始型值点进行光顺修改时,还要控制修改后的型值点同原始型值点的坐标偏差,该偏差要尽可能的小。而后要检查曲线的曲率变化是否均匀,以及曲线连接节点处曲率是否连续,对不合格的曲线及时进行修改。**还要检查所有样条曲线的连续性,对不连续的节点用软件提供的工具进行处理,只有当所有的样条曲线都连续,且在节点处曲率大小、方向一致时,才能保证曲面填充的成功。图6 所示为发动机罩经以上处理后创建的样条曲线。

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图6 光顺后的样条曲线

4.5 曲面填充

通常情况下,由所有的样条曲线一次填充生成曲面是非常困难的,一般都是逐个填充每个封闭的曲线网格,再将这些小曲面拼合成完整的曲面模型。软件提供了PowerFit、Loft Surface等曲面填充生成工具。Loft Surface支持从线到面的创建过程,可以通过定义引导线、

脊线或连接线的方法来控制曲面的过渡。PowerFit的功能更为强大,它支持从点云到面、从

多边形到面、从曲线到面等多种曲面创建形式。PowerFit填充生成的是NURBS 曲面,修改曲面的允许偏差(如间隙系数)、网格的数目和顺序、张紧度等参数都会改变曲面的表面质量。

为提高发动机罩的曲面质量,填充曲面大都采用PowerFit 工具来完成,在填充过程中使样条曲线和点云都参与填充计算,并将Point Gap( 曲面与点云的允许偏离值)系数设为

0.1mm,得到了如图7 所示的曲面模型。从图8可以看出填充后的曲面与点云的逼近程度。

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图7填充后的曲面

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图8 曲面与点云的逼近情况

4.6 曲面拼合

由于曲面不是一次性填充生成的,在小曲面之间或多或少都会产生一些缝隙,将这些小曲面经延伸、裁剪、过渡后即可拼合成一张完整的曲面模型。软件提供的曲面拼合工具很多,如Join、Split、Extrapolate等等,有必要的话也可转到其他的曲面模块来处理。将拼合后的曲面再作镜像、中间填充处理后即可得到零件完整的曲面模型。如图9 所示,是将填充后的曲面经拼合、镜像等处理后得到的汽车发动机罩曲面模型。

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图9 完整的发动机罩曲面模型

在逆向工程中曲面重建是*为关键的一步。曲面重建的难点就在于:如何利用现有的逆向软件系统,从点云数据中提取特征样条曲线,将其填充成光顺的曲面。在实际工作中,曲面重建过程可以结合软件其他的曲线、曲面模块,甚至结合其他逆向工程软件,取长补短,灵活应用,及时完善点云到曲线、曲面的处理,这样不仅可以创建出更高品质的曲面模型,还能提高工作效率,大幅减轻逆向工程的难度,使产品更具竞争力。

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