CATIA V5在逆向造型中的應(yīng)用方法研究

付雅軍 王有軍

摘 要：產(chǎn)品的逆向造型設(shè)計是設(shè)計過程中不可缺少的設(shè)計手段，它在產(chǎn)品造型、型面構(gòu)建和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)布置等方面都起著重要的作用。通過一個設(shè)計實例歸納出如何運用CATIA V5來進(jìn)行產(chǎn)品的逆向造型設(shè)計的過程，并在實際操作中總結(jié)出了相關(guān)的應(yīng)用方法，為其他設(shè)計人員在使用三維設(shè)計軟件CATIA V5進(jìn)行產(chǎn)品的逆向造型設(shè)計時提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品設(shè)計;逆向造型;CATIA V5;應(yīng)用方法

引言

逆向設(shè)計是一個極其復(fù)雜和繁瑣的過程，要求設(shè)計者具有豐富的產(chǎn)品正向設(shè)計經(jīng)驗，通過對產(chǎn)品的點云數(shù)據(jù)的觀察去深刻揣摩原設(shè)計者的設(shè)計方法[1]。目前數(shù)字化系統(tǒng)和計算機(jī)軟件技術(shù)的完美結(jié)合為逆向工程設(shè)計提供了先進(jìn)的解決方案。它能最精確和高效率地處理幾乎所有針對復(fù)雜部件和產(chǎn)品的逆向工程工作[2]。其中，CATIA軟件是法國達(dá)索公司研發(fā)的一款知名三維設(shè)計軟件，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、工業(yè)設(shè)備、建筑工程等領(lǐng)域[3]，通過它可以很好地實現(xiàn)逆向工程在新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品改型設(shè)計、產(chǎn)品仿制等方面的應(yīng)用，并已成為汽車行業(yè)CAD軟件的標(biāo)準(zhǔn)。

CATIA V5軟件在產(chǎn)品的逆向造型設(shè)計中使用到的主要模塊有逆向點云編輯模塊（Digitized Shape Editor）和逆向曲面重建模塊QSR（Quick Surface Reconstruction）。逆向點云編輯模塊主要用于曲面構(gòu)建前期的點云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、輸出以及各種編輯處理;逆向曲面重建模塊主要用于逆向過程中的各種曲線和曲面特征的創(chuàng)建和編輯，上述兩個模塊再綜合使用自由曲面模塊FS（Free Style）和創(chuàng)成式曲面設(shè)計模塊GSD（Generative Shape Design），便能完美的實現(xiàn)產(chǎn)品的逆向造型過程。

逆向設(shè)計一般遵循的造型過程為點-線-面-實體。下面結(jié)合一個實例來詳細(xì)闡述如何運用CATIA V5三維設(shè)計軟件來實現(xiàn)零件的逆向設(shè)計過程。

一、點云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和處理

產(chǎn)品的逆向設(shè)計成功實施的關(guān)鍵是正確掌握它的一些技術(shù)要點，而首先就是產(chǎn)品點云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。CATIA V5用到前期處理模塊（逆向點云編輯模塊DSE）是可以導(dǎo)入幾乎所有的三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)，格式通常為：STL、ASCII、IGES、CGO等[4]。該模塊主要完成對云點數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出、網(wǎng)格化、編輯處理、操作及分析等任務(wù)。

首先導(dǎo)入點云數(shù)據(jù)，點擊“輸入”命令，導(dǎo)入后的數(shù)據(jù)。如果三坐標(biāo)測量出的點云數(shù)據(jù)比較粗糙，導(dǎo)入點云后我們還要對它進(jìn)行相應(yīng)的處理，常用到的命令為激活點云、過濾點云、移除點云。在激活和移除點云時注意，要根據(jù)實際需要處理哪一部分的點云數(shù)據(jù)，在彈出的相應(yīng)對話框中去選擇不同的選項進(jìn)行選擇，盡量做到靈活運用。

其次如果零件形狀復(fù)雜，一次掃描無法獲得全部的數(shù)據(jù)，或是零件較大無法一次掃描完成，而對產(chǎn)品進(jìn)行了多次掃描時，就需要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行多次導(dǎo)入。此時就需要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行重新定位，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。常用到的命令有：使用羅盤對正點云、以最佳適應(yīng)對正、以球?qū)φ?、用RPS對正。目前RPS系統(tǒng)已被世界各大公司使用，因此我們一定要靈活運用RPS對正點云的方法，來更加精確的保證產(chǎn)品的尺寸精度。

最后要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理。因為只有通過在點云數(shù)據(jù)上創(chuàng)建各種形狀的網(wǎng)格特征，以凸顯出點云數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的產(chǎn)品幾何形狀，才能為后續(xù)創(chuàng)建各種幾何曲線、曲面提供參考。常用到的命令有：創(chuàng)建網(wǎng)格面、偏移網(wǎng)格面、光順網(wǎng)格面、優(yōu)化網(wǎng)格面、孔填充，以及對創(chuàng)建的網(wǎng)格面的操作命令：合并網(wǎng)格面、分割網(wǎng)格面、修剪網(wǎng)格面、投影網(wǎng)格面至平面，通過運用以上命令對點云數(shù)據(jù)的一系列的操作，得到網(wǎng)格面。

二、創(chuàng)建產(chǎn)品的特征曲線

產(chǎn)品的逆向無非就是先構(gòu)線再鋪面的過程，所以需要設(shè)計人員創(chuàng)建出反應(yīng)產(chǎn)品幾何形狀的特征曲線，為后續(xù)創(chuàng)建各種曲面提供參考。此時就需要使用到模塊為逆向曲面重建模塊QSR中的命令。常用的命令有：3D曲線、創(chuàng)建投影曲線、創(chuàng)建平面交線和從掃描創(chuàng)建曲線聯(lián)合使用生成曲線、網(wǎng)格面邊線、點云掃描、如果你不能通過上述命令構(gòu)造出特征曲線，又想要提取出產(chǎn)品中曲率變化較大的邊界曲線時，可以用“通過曲率分割段”命令來提取特征曲線。通過上述命令的操作得到幾條特征曲線。

特別需要注意的是，對于所創(chuàng)建的每條曲線都要對其進(jìn)行曲線的曲率分析、連接檢查器分析和距離分析，以確保曲線的連續(xù)性和光滑性以及曲線與點云的吻合程度，保證曲線上的各點距離和點云數(shù)據(jù)二者的距離誤差在±0.1mm之間[5]，這樣做出的曲線才符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

三、創(chuàng)建產(chǎn)品的外形曲面

產(chǎn)品逆向造型設(shè)計的后期處理平臺是逆向曲面重建模塊QSR，因為大部分的曲線編輯修改和曲面創(chuàng)建、編輯都是在該模塊下完成的。任何零件的外表面都是由平面與曲面組成的，如果是平面，就用該模塊下的命令“基本曲面識別”來創(chuàng)建。通常一個零件是由很多單獨的曲面構(gòu)成，對于每一個曲面，可根據(jù)特性判斷用什么方式來構(gòu)成。逆向設(shè)計中曲面的創(chuàng)建最常用的方法是綜合運用逆向曲面重建模塊中強力黏合命令、自由曲面模塊FS和創(chuàng)成式曲面設(shè)計模塊GSD中的各種創(chuàng)建曲面命令來完成。同創(chuàng)建曲線一樣，為了得到更準(zhǔn)確、更光順的曲面，要對曲面的進(jìn)行曲面的斑馬線分析、距離分析和曲面的曲率分析等來檢查生成曲面的質(zhì)量。經(jīng)過一系列的操作得到的曲面。

四、轉(zhuǎn)換成實體模型

由于曲面在實際工作中是無法生產(chǎn)的，只有將曲面轉(zhuǎn)換成實體，才可以用于加工制造。因此，構(gòu)建完產(chǎn)品的外形曲面后，一定要到“實體零件設(shè)計”工作平臺去進(jìn)行最后的操作。常用的命令如下：分割、厚曲面、封閉曲面和縫合曲面。通過上述操作得到的實體零件。

五、結(jié)語

產(chǎn)品的逆向造型設(shè)計的特點是在產(chǎn)品的設(shè)計過程中極大的降低了難度系數(shù)，使得工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計成本低、設(shè)計周期縮短[6]，而用逆向設(shè)計的方法所得到的產(chǎn)品模型，可以參與各種試驗，可隨時驗證設(shè)計的結(jié)果是否合理以備進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?。本文詳?xì)闡述了如何運用CATIA V5三維軟件來實現(xiàn)產(chǎn)品逆向的全部過程，對于有著豐富正向設(shè)計經(jīng)驗的工程師來說，有著一定的參考價值，為以后在新產(chǎn)品開發(fā)時，能夠靈活運用正向設(shè)計和逆向設(shè)計綜合使用的方法來完成產(chǎn)品的設(shè)計提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]秦琳晶，姜東梅，王曉坤.中文版CATIA V5R21完全實戰(zhàn)技術(shù)手冊[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[2]熊仆，丁全. CATIAV5軟件在汽車零部件強度設(shè)計上的應(yīng)用[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2004（11）：47–48.

[3]王永輝. CATIA V5在汽車零件逆向開發(fā)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2006（1）：113–115.

[4]喬建軍，王挺.中文版CATIA V5經(jīng)典學(xué)習(xí)手冊[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[5]林清福. CATIA V5 R13逆向工程產(chǎn)品設(shè)計[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[6]趙宇明，張國忠，于哲峰. CATIA軟件在汽車逆向設(shè)計點云處理技術(shù)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2005（6）：80–82.