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基于CATIA的钣金零件逆向设计

CAD 开发平台CATIA V5 在钣金类零部件设计中的运用中,通过采用自定义的CATIA V5 参数化设计模板,对某钣金件进行了实例设计,利用其参数化的建模过程,便于优化和改进设计,提高了零件设计质量,缩短了设计时间。

1 产品

当前,对产品外形的美学要求日益提高,不断推陈出新,产品更新换代周期缩短,提高产品设计与开发的效率势在必行。大多数钣金类零件具有功能多、外观造型复杂的特点,传统开发流程已经很难适应当前发展需要。正向设计产品周期长、成本高的缺点不断突出,笔者针对机械产品中普遍的钣金件逆向设计的方法和流程,以实例设计进行详细介绍,为钣金类零部件提供一种**的设计理念。

2 逆向设计

逆向设计是产品设计的逆向工程也称反求工程,反向设计等,它是相对传统设计而言的。传统产品的实现通常是先由设计人员根据市场要求,抽象出产品的功能描述,接着在CAD 造型软件中进行产品的概念设计,在此基础上进行详细设计,**完成其物理实现,称为正向设计。产品的逆向设计是针对现有的工件( 样品或者模型,尤其适合复杂不规则的自由曲面) ,利用3D 数字化测量仪器准确快速地测量出轮廓坐标值,并构建曲面,经编辑、再与精确计算结合去除工件加工误差以后,将图档转至一般的CAD/CAM系统,再由CAM 所产生的刀具的NC 加工路径送至CNC 加工制造所需模具; 或者以快速成型系统( Rapidprototyping) 将样品模型制作出来的一整套流程,整个设计流程如图1 所示。

逆向设计能快速建立新产品的数据化模型,大大缩短新产品研发周期,提高企业生产效率。整个逆向工程的关键技术问题主要包括: 数据采集点云、数据预处理和三角网格剖分技术、三维曲面模型重构技术等。数据采集好坏直接影响后续建模的质量; CAD模型重构方法的速度、质量直接关系着物体重构的效率以及*终的模型精度。


1 逆向设计流程图

3 反求建模

反求建模即要求所建三维模型的特征具有修改其设计参数的功能。经过参数化后的模型修改方便,用户对模型进行优化时无需重新建模,但必须注意要对背侧件的结构、特性、工作原理有一定的了解,确定关键尺寸。根据反求对象的形状特点选择不同的测头。在测量的过程中要有合理的测量规划,为使实物表面全部数字化,必须尽量保证测量数据的必要性和

充分性,选择合理的测点和方位。

3 1 三维实体模型重建

逆向工程的另一个关键在于三维实体模型的重建工作。其难点在于对数据处理中*能反映曲面特征点、线、面的提取。文中采用的CATIA 参数化模板

3 反求建模

反求建模即要求所建三维模型的特征具有修改其设计参数的功能。经过参数化后的模型修改方便,用户对模型进行优化时无需重新建模,但必须注意要对背侧件的结构、特性、工作原理有一定的了解,确定关键尺寸。根据反求对象的形状特点选择不同的测头。在测量的过程中要有合理的测量规划,为使实物表面全部数字化,必须尽量保证测量数据的必要性和

充分性,选择合理的测点和方位。

3 1 三维实体模型重建

逆向工程的另一个关键在于三维实体模型的重建工作。其难点在于对数据处理中*能反映曲面特征点、线、面的提取。文中采用的CATIA 参数化模板合到参数化模板树中,将其分成: 零件名称( Partnumber) 、原点坐标系( Axis Systems) 、零件实体数据( Part Body) 、外部数据( External Geometry) 、*终结果( Final Part) 、零件设计过程( Part Definition) 和对称面( Section) ,共七部分。整体结构树形式如图2 所示。

2 参数化模板树

3 2 实例设计过程

( 1 ) 通过加拿大公司生产的

Handyscan 手持式自定位三维激光扫描仪采集了某钣金件的数据。由于环境及仪器本身震动等因素影响,出现了一部分误差较大的数据,因此在进行建模之前,先进行预处理,定位好坐标系; 然后去杂、光顺和三角化; **数据优化,由于扫描的点多且密集,通过压缩不必要的数据,可提高计算机运行速度。导入CATIA 的数据如图3 所示。

( 2) 根据参数化模板进行设计: 第一步修改Part_number 命名该零件,以便后期使用; 第二步设置坐标系,是该零件在整个产品中的参考坐标原点,用于装配或导入其它软件进行分析; 第三步对零件模型进行设计,整个建模过程需先取好参考点( ReferencePoint) ,一般以特殊的点,如孔的中心点。然后是大面设计( Basic Surface) ,凸凹台( Depresssions) ,翻边( Flanges) ,切边( Trimmed_Part) ,孔( Holes) ,按步骤依次完成,如图4 所示; 第四步设置对称面( Section) ,便于一些对称或旋转零件; 第五步将设计**得到的面体放在*终模型中( Final Part) ,然后生成零件实体,存放实体数据( Part Body) 中生成*终模型。

                       图3 钣金件点云图          4 零件设计过程图

( 3) 整个参数化设计的核心在于建模都是通过一个点( reference_point) 来形成关联,通过控制点的位置就可控制零件特征的位置,通过草图( Sketch) 的中特征的尺寸来控制所绘制的图形尺寸,如图5 所示。一般情况下,钣金件是由若干个平面和规则曲面组成的,故在建模时,按照上述步骤进行一般可以实现,但对于复杂的曲面类型的零件则不适用。

4 结果分析

对逆向的数模进行分析,以保证必要的精度,不同的零件精度要求不同,分析只是为了满足对该零件的要求。分析结果如图6 所示,可以看出逆向设计的零件在安装孔位及安装面都达到了很高的相合度( 绿色位面差符合零件设计要求)

 

                    图5 参数化树            6 模型与点云的面差分布图

5 结语

近年来,随着坐标测量技术、自定位激光扫描技术的不断完善,应用参数化设计在现代机械产品开发中具有重要意义,可大大提高零件开发设计的工作效率,适合系列产品的演变,缩短产品开发周期,降低了开发成本。钣金零件相互间有着紧密的联系和协调性。自定义参数化模板在零件设计过程中可很好的体现CATIA V5 的参数化设计优势,培养设计人员在零件开发设计中的整体设计理念,设计人员通过对零件结构特征的分析理解,可很好把握零件的要素特征和关键结构形式,再加入创新利于优化设计零件,从而提高钣金件设计质量。


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