逆向工程中使用CATIA軟件快速構(gòu)建高質(zhì)量曲面

1、逆向工程中使用CATIA軟件快速構(gòu)建高質(zhì)量曲面2009-04-30 09:16逆向工程中，使用激光測量機(jī)對產(chǎn)品樣件進(jìn)行測量，得到產(chǎn)品的點云數(shù)據(jù)，對這些點云數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，將處理好的點云生成小三角網(wǎng)格面，反映產(chǎn)品的樣子。根據(jù)這些點云數(shù)據(jù)，利用CATlA軟件，快速構(gòu)建高質(zhì)量的曲面。在構(gòu)建過程中，對產(chǎn)品進(jìn)行拓?fù)浞纸夥治銮媾c曲面之間的拼接關(guān)系，快速構(gòu)建曲面的光順性檢查及與點云數(shù)據(jù)之間的距離誤差，產(chǎn)品的功能性及工藝性檢查。使用CATIA軟件中強(qiáng)力擬合工具進(jìn)行曲面擬合時，調(diào)節(jié)曲面的階數(shù)和段數(shù)，在誤差允許的范圍內(nèi)生成光順的曲面。    理論上，產(chǎn)品開發(fā)過程應(yīng)是由設(shè)計(圖紙

2、或造型)到實物(模型或產(chǎn)品)。而產(chǎn)品的實際開發(fā)工作常常采用一種“相反”的過程進(jìn)行，即以某種實物(模型或樣品)為藍(lán)本進(jìn)行設(shè)計，然后再進(jìn)行制造得到最終產(chǎn)品。這種由實物到設(shè)計的過程以及其中所采用的各種技術(shù)稱為逆向工程(Reverse Engineering)。    由于逆向工程常用于產(chǎn)品外觀設(shè)計，因此如無特別說明，它通常指產(chǎn)品的逆向幾何建模(逆向造型)。    逆向工程在不同的地區(qū)存在不同的稱謂，如抄數(shù)、三坐標(biāo)點測繪、三坐標(biāo)點造型、數(shù)據(jù)處理和反求工程等等。、    一段時期以來，國內(nèi)逆向工程的應(yīng)用常常局限在對

3、國外產(chǎn)品的仿制上，因此在某種程度上造成了逆向工程等于仿制的誤解。而事實卻是：逆向工程技術(shù)本身是應(yīng)產(chǎn)品原創(chuàng)設(shè)計的需要而產(chǎn)生的，并首先在國外得到廣泛的應(yīng)用。    近年來，國內(nèi)企業(yè)也日益重視對具有自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的開發(fā)，所以逆向工程的應(yīng)用也逐步走入快速發(fā)展的軌道。以我校數(shù)控技術(shù)中心為例，2005年以前的逆向工程項目基本上是對國外產(chǎn)品的仿制，而目前所進(jìn)行的逆向工程項目已經(jīng)完全屬于產(chǎn)品的原創(chuàng)設(shè)計。    CATIA是法國Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件。居世界CAO/CAE/CAM領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，廣泛應(yīng)用于

4、航空航天、汽車制造、造船、機(jī)械制造、電子/電器及消費品行業(yè)，它的集成解決方案覆蓋所有的產(chǎn)品設(shè)計與制造領(lǐng)域，其特有的DMU電子樣機(jī)模塊功能及混合建模技術(shù)更是推動著企業(yè)競爭力和生產(chǎn)力的提高。CATIA提供方便的解決方案，迎合所有工業(yè)領(lǐng)域的大、中、小型企業(yè)需要。包括從大型的波音747飛機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)到化妝品的設(shè)計。1 點云數(shù)據(jù)的獲取    在逆向工程中。通常對產(chǎn)品樣件進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣有2種模式，一種是點接觸式測量，這種測量方式的結(jié)果是點數(shù)據(jù)相對較少，不能完全反映產(chǎn)品的形狀；另一種是激光式或光柵式測量，這種測量結(jié)果是點數(shù)據(jù)相對較大，通常有上百萬個點，能完全反映產(chǎn)品的形狀。測量

5、所保存的數(shù)據(jù)格式也有很多種，目前使用最普遍的格式為IGES格式?，F(xiàn)以我校數(shù)控技術(shù)中心用3D激光測量機(jī)獲取的摩托車后視鏡的點云數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。2 點云數(shù)據(jù)的輸入與網(wǎng)格面的生成    在CATIA軟件中新建一個文件，切換到DSE(數(shù)字編輯器)工作臺，選擇import(導(dǎo)入)圖標(biāo)，會彈出如圖1所示的對話框，通過該對話框?qū)y量所得到的產(chǎn)品點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA軟件。圖1 導(dǎo)入對話框    在導(dǎo)人數(shù)據(jù)時，應(yīng)首先在Format(格式)下拉列表框中選擇數(shù)據(jù)的格式，在本文中數(shù)據(jù)以IGES為例。再選擇文件，其它選項一般為默認(rèn)值，單擊“Apply”按鈕

6、即可將數(shù)據(jù)輸入到CATIA軟件中。在輸入數(shù)據(jù)時，如果同一個產(chǎn)品有多個點云數(shù)據(jù)，在輸入時又一次性輸入，這時需取消圖1對話框中的“Grouped”復(fù)選框。如圖2所示為一款摩托車后視鏡的點云數(shù)據(jù)。圖2 輸入的點云      圖3 生成的網(wǎng)格面    在導(dǎo)入點云數(shù)據(jù)后，通過圖2可以看出。點數(shù)量很大，占用內(nèi)存容量也大，操作就比較緩慢，可以使用Filter(過濾器)命令將點云進(jìn)行過濾，只保留少部分點，過濾的點只是不顯示，并沒有被刪除。輸入的點云很難辨別產(chǎn)品的細(xì)節(jié)特征。所以還需對點云進(jìn)行網(wǎng)格化，選擇Mesh Creation(網(wǎng)

7、格創(chuàng)建)圖標(biāo)，彈出網(wǎng)格創(chuàng)建對話框，對話框中參數(shù)通常使用默認(rèn)值，系統(tǒng)會根據(jù)選擇點云的情況自動產(chǎn)生一個合適的值，圖3所示為生成的網(wǎng)格面，從生成的網(wǎng)格面可以看出產(chǎn)品的細(xì)節(jié)特征，對后面產(chǎn)品造型起到輔助作用。    使用Activate(激活)圖標(biāo)，只顯示前面主體的部分，下面將對主體的頂面進(jìn)行創(chuàng)建，首先對主體頂面的點進(jìn)行選擇，由于頂面與側(cè)面之間有一個圓角面的過渡，在選擇頂面點的時候，很難確定圓角面與頂面的分界位置在哪里，所以首先需要將頂面和圓角區(qū)分開來。切換至Quick Surface Reconstruction(快速曲面構(gòu)建)工作臺，使用Segmentation byC

8、urvature(通過曲面分段)命令在網(wǎng)格面上生成等曲率云線，生成的等曲率云線如圖4所示。圖4 等曲率云線        圖5 選擇后的結(jié)果    上一步生成的等曲率云線作為選擇頂面的邊界參考，使用Activate(激活)命令，選擇云線中間的部分，也就是頂面的區(qū)域。選擇后的結(jié)果如圖5所示。    前面所做的是逆向工程的前期工作，選擇點云的范圍將直接決定后面曲面的大小與質(zhì)量，所以在選擇時應(yīng)盡量精確，這樣可以減少后續(xù)反復(fù)的次數(shù)，提高成功率。下面使用選擇的點云來構(gòu)建相應(yīng)的

9、曲面。確定當(dāng)前工作臺為Quick Surface Reconstruction(快速曲面構(gòu)建)，單擊Power fit(強(qiáng)力擬合)圖標(biāo)，彈出相應(yīng)對話框，注意對話框中一些參數(shù)的設(shè)置，首先是設(shè)置Tolerance(公差)值，公差值可以從大慢慢變到小。在變小的過程中注意曲面的變形情況。在保證曲面不變形的情況下設(shè)置到最小的公差值。如果這個最小值還超出允許誤差值，則需要改變曲面的階數(shù)(Order)和段數(shù)(Segments)2個參數(shù)。通常情況下，設(shè)置段數(shù)為1，階數(shù)小于8，如果8階不能滿足要求，可以適當(dāng)增加曲面的段數(shù)。設(shè)置好參數(shù)后，單擊Apply按鈕，生成曲面。單擊Show Informations按鈕可以

10、查看生成曲面與點云的最大值和最小值。如圖6所示。圖6 生成曲面的誤差3 曲面重構(gòu)與量化評價    生成的曲面和點云如果不滿足誤差要求，需要通過距離分析工具來分析點云和生成曲面之間的距離值，通過觀察距離值來查看最大誤差區(qū)域的位置，這些位置有可能是噪音點或不是該面的點。單擊Distance Analysis(距離分析)圖標(biāo)，彈出相應(yīng)對話框，選擇生成的曲面和點云數(shù)據(jù)，曲面與點云之間的距離通過針狀線顯示在繪圖區(qū)中，如圖7所示。可以設(shè)置針狀線的顏色來區(qū)別距離的大小，也可以通過針狀線的長短來了解距離的大小。針狀線越長距離越大，在某個位置。如果有幾個點與附近的點相反，那說明是噪音點，可以刪除這些點，再重新擬合。由于擬合的曲面沒有參數(shù)，所以在刪除噪音點后。需要重新擬合，這樣重復(fù)幾次后就可以生成高質(zhì)量且過點云的曲面。圖7 針狀線圖    在滿足過點要求后還需要對曲面的質(zhì)量進(jìn)行評估，使用CuttingPlnHea擴(kuò)命令檢查曲面的曲率情況，如果曲率滿足要求，就說明曲面創(chuàng)建完成，如果曲率不