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基于CATIA的逆向设计在汽车内饰件设计中的应用

逆向工程也称反求工程和反向工程,起源于精密测量和质量检验,是设计下游向设计上游反馈信息的回路。它是将实物转变为CAD 模型相关的数字化技术与几何模型重建技术的统称。传统的设计理念是从概念到数字模型再到产品,而逆向工程则是从样件开始,利用激光扫描仪获取表面点云,然后利用逆向软件进行数据处理,构建模型,经检查满意后再制造出产品。

1 CATIA 逆向流程

CATIA 逆向流程,如图1 所示。CATIA 里的数字化编辑器模块DSE 主要用来完成点云的导入、输出、过滤、生成网格曲面与创建扫描线等工作;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、光顺处理和分析工具等工作;创成式外形设计GSD 是完整的曲线操作工具和*基础的曲面构造工具,除了可以完成所有曲线操作以外,还可以完成拉伸、旋转、扫描、边界填补和倒角等功能,连续性**达到G2;自由曲面造型FreeStyle 除包括GSD 中的所有功能以外,还可完成曲面控制点、自由约束边界及去除参数,实现汽车A 面标准的曲面桥接、倒角和光顺等功能。在实际工作中,4 个模块交互使用,可以快速完成点云处理与构建曲面等。

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图1  CATIA逆向设计流程

CATIA 可以接受多种格式的点云数据( 如ASII、STL、IGS 和IGES 等),以某轿车三角窗内饰为例,对CATIA 逆向步骤进行介绍。

1.1 产品表面数字化

点云的质量主要取决于测量设备的精度,能否**获取精确的点云数据是逆向设计的关键技术。产品表面数字化是指通过特定的测量设备和测量方法,将物体表面的形状转换成离散的几何点坐标数据。逆向工程中的物体表面三维数据的获取方法分为接触式和非接触式,文章通过非接触式三坐标测量机得到点云数据。

1.2 点云的导入和处理

1.2.1 点云的导入

利用CATIA 的DSE 模块导入点云。在测量中可能得到一块数据量很大的点云,对于这种情况可以先将点云分块导入以减小运算负荷,提**率。图2 示出导入的某轿车的三角窗内饰点云。为了提高运算速度,加载点云时可以根据需要确定采样率,即加载点占原始点的百分比,文章以1:1 的比率导入。导入时要注意导入文件单位,不然也会引起比率的变化,默认为mm。

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图2 过滤前点云

1.2.2 点云的处理

1)点云的过滤。刚扫描的点云数据非常庞大,并且由于受光照条件、被测件表面反射特性和系统测量误差及随机误差等影响,测量数据中存在着许多无用数据,即所谓的 “噪声”点。在保证一定精度的前提下可以过滤掉一部分数据以减少运算负荷。一般常用的过滤方法有球过滤法和曲率过滤。考虑到三角窗内饰的表面特征及对曲面的要求,选择曲率过滤。过滤的宗旨是:曲面变化小的部位滤去较多的点,而变化较大的部位滤去较少的点,使曲面的外形特征更加明显的同时也能提高运算效率。图3 示出过滤后的点云图。

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图3 过滤后的点云

2)点云的网格化。扫描得到的点云呈现散乱无序状态,并且经过过滤后各点之间距离变大,为了更好地辨识点云的特征,方便在点云上画线做面重建模型,需要将处理好的点云进行网格化。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,图4 示出网格化的曲面。

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图4 网格化曲面

1.3 创建扫描线和样条曲线

基本曲面构建时,首先要选择合适的曲面构建方法。在CATIA 中主要有2 种方法:一是从点云拟合;二是基于曲线构建。由于从点云拟合曲面时,对点云的质量要求较高,拟合后的曲面还需很多繁琐的工作,因此在实际工作中,大都采用基于曲线的曲面构建方法。

扫描线(Scans)是创建样条曲线的基础,在创建过程中,扫描线一定要体现零件几何轮廓特征。扫描线创建的方法有很多种,可以由DSE 模块下的Planar Sections 和点云网格相交来生成,也可以直接用DSE 下的Create Scan on Clouds 从点云上生成等。

样条曲线的创建是曲面重构过程中*关键的一步,样条曲线的创建主要是从扫描线生成,也可以通过曲面的相交得到。由于扫描仪器精度有限,扫描线或拟合得到的曲线一般很难保证其光顺,而曲面的光顺主要取决于曲线的光顺程度,可以通过分析工具分析曲线的曲率变化,根据曲率变化调节曲线,保证曲线曲率变化比较均匀。

1.4 曲面重构

根据1.3 中所创建的曲线,可以运用QSR 模块里的一些工具进行曲面拟合,GSD 模块通过填充曲面或定义脊线、引导线或连接线的方法来拟合曲面。根据三角窗内饰的特性,运用曲面自识别和点 —线 —面的方法来创建曲面。对于曲率变化较小或者变化均匀的曲面,可将它作为一张曲面来处理,直接由特征线得到的曲面精度比用powerfit 得到的更高。一块比较大的点云应根据表面特征分成若干份小的点云来实现曲面的重构,**将这些曲面放在同一个Geometrical Set 中,就能实现拼合。因为之前没有改变坐标系,所以它们仍然共用一个坐标系,然后通过拉伸和剪切等操作完成三维模型的建立。

1.5 曲面拼合

在曲面建完之后,对各个曲面进行拉伸、裁剪和倒角处理,再利用自由造型FreeStyle 的分析工具对曲面质量进行评价分析,**将所有的面连接在一起,并检查曲面的连接情况,*终得到理想的曲面,图5 示出*终建立的曲面模型。

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图5 三维模型

在逆向过程中,首先应分析样件和点云特征。如果对称,只需对一半进行逆向,然后进行镜像,**填充两者之间的缝隙,这样可以减少工作量。一般将逆向设计和正向设计相结合,在保证曲面表面光顺的同时,还能满足零件之间的装配和约束。

2 结语

逆向工程是一项新兴的技术,它不仅还原实物原型,而且还能在此基础上进行设计修改,制造出新产品。文章通过实例介绍了逆向工程在汽车内饰件开发中的应用,由于目前我国汽车工业存在基础差、自主开发能力低及产品设计周期长等不足,因此应用逆向工程技术,在消化和吸收先进成果的基础上有所改进和创新,不仅会提高我国汽车产品开发速度,也会提

升我国汽车业的制造水平。

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