您的当前位置：首页 catia在逆向工程技术中的应用

catia在逆向工程技术中的应用

来源：九壹网

第25卷第4期2004年　　8月河南科技大学学报(自然科学版)

JournalofHenanUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience)

Vol.25No.4Aug.　2004　　

文章编号:1672-6871(2004)04-0058-04

CATIA在逆向工程技术中的应用

胡爱军1,谢金法1,苑绍志1,高学浴2,宋红光3

(1.河南科技大学车辆与动力工程学院,河南洛阳471003;2.洛阳宇通汽车有限公司,河南洛阳471009;3.郑州市政工

程管理处,河南郑州450003)

摘要:简要介绍逆向工程技术的基本特点和工作步骤,以及CATIA曲面造型技术的主要功能,结合车门实例探讨了CATIA曲面造型的方法在逆向工程中的应用一般思路。研究表明,CATIA应用于产品设计中能显著提高产品的研发效率。

关键词:计算机辅助设计;应用程序;曲面;造型中图分类号:TH12

文献标识码:A

0　前言

逆向工程(ReverseEngineering,RE)也称反求工程,它是相对传统的设计而言。传统的产品实现通

常是从概念设计到图样,再制造出产品,称之为正向工程,而产品的逆向工程是从一个存在的零件或原型入手,首先对其进行数字化处理,然后构造CAD模型,经检查满意后,最后制造产品。目前大多数有关逆向工程技术的研究和应用都集中在几何形状即重建产品实物的CAD模型和最终产品的制造,称为实物逆向工程[1,2]。逆向工程技术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。CATIA(Computer2graphicsAidedThree2dimensionalInterativeApplication)是法国Dassault公司开发的大型应用软件,该软件在曲面设计、实体造型等方面具有独特的优势,它广泛应用于航空航天工业、汽车制造业等大量涉及到复杂外形设计的工作领域内。目前,我国的制造业存在着产品自主开发能力低;产品设计手段落后;产品开发周期长等不足之处。本文正是基于此现状研究CATIA在逆向工程中的应用。

1　逆向工程工作流程

逆向工程的工作过程可用图1来表示。

逆向工程有两个主要研究内容:样件表面数字化,

即样件表面数据采集;曲面重构。1.1　数字化方法与技术

实物零件的表面数字化就是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据。一般来说,三维表面数据采集方法可分为接触式和非接触式数据采集两大类。

接触式包括基于力-变形原理的触发式和连续扫描式数据采集[3];非接触式主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法等[3]。随着工业CT技术的发展,断层扫描技术也在逆向工程中取得了应用。在接触式和非接触式测量中,三坐标测量机是广泛应用的测量设备。1.2　数据处理

逆向工程的目标是根据离散的数据点集构造出分段、光滑的CAD模型,因此模型重建技术即成为逆向工程的关键技术。产品外形数据是通过坐标测量机获取的,一般不能直接用来生成曲面,要经过以

基金项目:河南省高等学校先进制造技术重点学科开放实验室基金资助项目

作者简介:胡爱军(1974-),男,河南博爱人,硕士生;谢金法(19-),男,江苏宜兴人,副教授,博士,研究方向为汽车现代设计方

法,空气动力学.

收稿日期:2004-02-11

　　第3期

胡爱军等:CATIA在逆向工程技术中的应用

・59・

下几个步骤的处理[3]:

(1)数据预处理。在获取产品外形数据的过程中,不可避免的会引入数据误差,尤其是在尖锐边和产品边界附近测量数据时,测量数据中的坏点可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面。因此,要对所获得的数据点进行坏点剔除、数据插补、数据平滑等处理,使数据点符合后续曲面造型工作的要求。

(2)数据分割。在造型之前还要进行的数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型,将属于同一子曲面类型的数据成组,这样全部数据将划分成代表不同曲面类型的数据域,为后续的曲面模型重建提供方便。数据分割方法分为基于测量的分割和自动分割两种方法[3]。基于测量的分割是在测量过程中操作人员根据实物的外形特征,将外形曲面划分成不同的子曲面并对曲面的轮廓、孔、槽边界、表面脊线等特征进行标记,在此基础上进行路径规划,这样不同的曲面特征数据将保存在不同的文件中,输入CAD软件时,可以实现对不同数据类型的分层处理及显示,为造型提供极大的方便。自动分割方法有基于边和基于面两种基本方法:基于边的方法首先是从数据点集中,根据组成曲面片的边界轮廓特征、两个曲面片之间的相交、过渡特征,以及形状表面曲面片之间存在的棱线或脊线特征,确定出相同类型曲面片的边界点,实现数据分割;基于面的技术是确定哪些点属于某个曲面来分割,这种方法和曲面的拟合结合在一起,是很有发展前途的一种技术。

(3)数据对齐。在逆向工程实际过程中,对实物样件实行数字化时,往往不能在同一坐标系下将产品的几何数据一次测出,其原因一是产品尺寸超出测量机的行程,二是在部分区域测量探头受被测实物几何形状的干涉阻碍以及不能触及产品的反面。在上述两种情况下,得到的数据就必须经过数据的对齐,或数据拼合、重定位等的处理。1.3　曲面模型的重建与评价

在逆向工程中,实物的三维CAD模型重建是最关键、最复杂的工作。常用的曲面有Bezier,B2Spline,NURBS和三角Bezier曲面等。曲面模型的重建方法一般分为基于曲线的曲面重建和基于测量点直接拟合的曲面重建两种。基于曲线的曲面重建方法的原理是在数据分割的基础上,首先由测量点插值或拟合出组成曲面的网格样条曲线,再利用系统提供的混合、扫掠、曲线延伸等曲面造型功能进行曲面模型重建,最后通过延伸、求交、过渡等操作,将各曲面片光滑拼接或缝合成整体的复合曲面模型。基于测量点的曲面重建是直接对测量数据拟合,生成曲面片,最终经过对曲面片的过渡、拼接和剪裁等曲面编辑操作完成曲面模型的重建。在基于实物数字化的曲面重建中,由于缺乏必要的特征信息,以及存在测量和造型误差,曲面光顺变得尤为重要。曲面的光顺性可按组成曲面网格的曲线的光顺准则判断,一般认为曲线满足以下四条准则[4,5],可认为曲线是光顺的:二阶几何连续(指位置、切线方向与曲率矢连续,简称曲率连续);不存在奇点与多余拐点;曲率变化小;应变能小。

在模型重建过程中,从形状表面数字化到CAD建模都会产生误差,目前误差计算及评定方法是通过最终模型的对比来计算逆向模型的总体误差。

2　CATIA在逆向工程技术中的应用

任意空间曲面可以看作是无数点的集合,如图2所示:在V方向通过选择特征点,用逼近的方法生成B样条曲线;采用同样的方法在U方向的不同截面也生成一组B样条曲线;由U、V两两组曲线可求得B样条曲面。任意复杂空间曲面的数学表达式为[6,7]

P(u,v)=

i=0

∑∑PN

j=0

(u)Njl(v)

　　CATIA的曲面造型的原理就是基于上述曲面数学模型来描述任意空间曲面,在汽车零部件复杂曲面设计中,一般采用的B样条曲面为双三次B样条曲面[8]。

CATIA曲面造型技术主要有规则曲面造型和复杂曲面造型两种,复杂曲面的造型设计是产品设计的难点和重点。曲面构造的方式,可分为以下几类[8]:

(1)扫描曲面:发生线沿“脊线”运动扫过形成的曲面;(2)截面驱动曲面:控制各截面形状/面积,按“脊线”运动形成的曲面;

・60・

河南科技大学学报(自然科学版)

　　年2004

(3)连接曲面:以确定的控制线对两个曲面倒圆形成的曲面;(4)填充曲面:在已有的曲面围成的区域的空白处填充形成的曲面;(5)布尔运算:对几个曲面的布尔运算形成的曲面。

CATIA软件还可以对曲面外形进行分析,检查曲面或曲线间的细缝大小与连续性,检查曲线、曲面

的曲率,分析曲面的品质,检查几何元素间的距离等。CATIA提供了反射线、反曲线、影像映射等多种检

查曲面品质的功能,通过检查、修改,使曲面达到满意的效果。在汽车产品设计中,大部分零件是由一系列复杂的空间曲面构成的,这些曲面是由不同曲率的空间曲面经过光滑处理相互连接而成,达到一定的平顺和谐的效果。

下面结合某轿车车门的曲面重构来说明CATIA曲面造型的过程和步骤。图3是测得的车门点云。(1)根据车门点云分析,该车门点云可分割成左右两个点云;(2)经过点云过滤,减少数据点的数量;

(3)利用CATIA中的铺面工具,得到点云网格,若有漏洞,可以利用补洞工具将破洞填充;(4)将云点切层,生成插值于云点的交线;(5)由交线生成曲面。对生成的曲面片进行曲率检查,确定生成的曲面光滑,无扭曲变形。然后,将生成的曲面片拟合,生成整个曲面,再将生成的曲面进行整体曲面评价,使曲面符合光顺准则,以保证曲面的光顺,见图4。

3　结束语

逆向工程技术是基于新的设计思路和方法的计算机技术,它在获得已知事物信息的基础上,能获得这些信息的科学根据,充分消化和吸收新技术。CATIA应用于逆向工程技术中,大大缩短了产品的生产周期。参考文献:

[1]　栗全庆,王　宏,张英杰,等.实物反求工程的关键技术分析[J].机械设计,1999,6(6):4-7.

[2]　李江雄,柯映林,程耀东.基于实物的复杂曲面产品反求工程中的CAD建模技术[J].中国机械工程,1999,10(4):390

-394.

[3]　金　涛,童水光.逆向工程技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

[4]　闫　华,林巨广,蔡树煌,等.汽车覆盖件逆向工程中的若干关键技术探讨[J].模具技术,2001,2(2):4-7.[5]　苗　勇,蔡树煌,林巨广,等.汽车覆盖件微机测量及曲面造型的研[J].合肥工业大学学报,1999,22(4):36-41.[6]　尤春风.CATIAV5曲面造型[M].北京:清华大学出版社,2002.

[7]　LeeKH,WooH,SukT.PointDataReductionUsing3DGrids[J].IntJAdvManufTechnol,2001,(18):201-210.[8]　荀　斌.CATIA曲面造型技术在汽车产品设计中的应用[J].机械开发,1999,(3):53-55.

　　第3期

胡爱军等:CATIA在逆向工程技术中的应用

・61・

ApplicationofCATIAinReverseEngineering

HUAi2Jun1,XIEJin2Fa1,YUANShao2Zhi1,GAOXue2Yu2,SONGHong2Guang3

(1.Vehicle&MotivePowerEngineeringCollege,HenanUniversityofScience&Technology,Luoyang471003,China;2.HenanYutongAutomobileCo.Ltd,Luoyang471009,China;3.ZhengzhouMunicipalEngineeringAdministrationDepartment,Zhengzhou450003,China)

Abstract:SomecharacteristicandprocessofreverseengineeringaswellasprimaryfunctionofsurfacemodelingofCATIAareintroducedsimply.ThemethodofsurfacemodelingofCATIAisexploredwithexampleofthedoorofAutomobile.TheresearchindicatesthattheapplicationofCATIAinproductdesigningcanimprovetheefficiencyofresearchanddevelopment.

Keywords:Computeraideddesign;Applicationprogram;Curvedsurface;Mouldings

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文