逆向設(shè)計(jì)是工業(yè)設(shè)計(jì)和工程開發(fā)的接口，是汽車零部件產(chǎn)品快速開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。逆向工程是將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)?/SPAN>CAD模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)的統(tǒng)稱。汽車內(nèi)飾件的逆向設(shè)計(jì)對(duì)點(diǎn)云測(cè)量和曲面創(chuàng)建提出了很高的要求，點(diǎn)云測(cè)量的質(zhì)量主要取決于測(cè)量設(shè)備的精度，而曲面創(chuàng)建的品質(zhì)與所選用數(shù)據(jù)處理軟件的功能及處理數(shù)據(jù)的方法有關(guān)，本文通過實(shí)例介紹基于CATIA的汽車內(nèi)飾件逆向設(shè)計(jì)工作過程及特點(diǎn)。
CATIA是CAD/CAE/CAM一體化軟件，并具有強(qiáng)大的逆向設(shè)計(jì)應(yīng)用功能?？梢钥焖?、方便地對(duì)測(cè)量云點(diǎn)進(jìn)行處理，勾勒出零件輪廓特征線并擬合出滿足一定條件要求的曲面，在此基礎(chǔ)上利用曲面編輯功能對(duì)其進(jìn)行編輯和光順處理，提高了曲面重構(gòu)效率;能實(shí)現(xiàn)一個(gè)曲面到另一個(gè)曲面及一個(gè)曲面到多個(gè)曲面的匹配，并能達(dá)到匹配后曲面間曲率連續(xù);提供多曲面整體編輯功能(一次編輯多個(gè)曲面并保持曲面間連續(xù));采用混合參數(shù)幾何方式建模，適于設(shè)計(jì)重用。
點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集
數(shù)據(jù)采集技術(shù)是逆向設(shè)計(jì)建模的第一步，它是用一定的設(shè)備對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)量來獲取實(shí)物的表面數(shù)據(jù)，而點(diǎn)云數(shù)據(jù)即零件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集是逆向工程中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，是數(shù)據(jù)處理、模型重建的基礎(chǔ)。點(diǎn)云的質(zhì)量主要取決于測(cè)量設(shè)備的精度，能否高效獲取精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是逆向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。目前常用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方法有以下3種:
(1)接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量。由于測(cè)量時(shí)接觸被測(cè)件，被測(cè)物體接觸產(chǎn)生壓力，從而使被測(cè)物體產(chǎn)生變形.測(cè)量誤差較大。適用于測(cè)量點(diǎn)、特征線、孔等幾何特征。
(2)線狀激光束測(cè)量(相位測(cè)量)。該方法是將周期性的光柵投影到被測(cè)曲面上，通過光柵圖像的調(diào)制解調(diào)，求出被測(cè)曲面形狀的三維信息，測(cè)量范圍大、速度快，但只能測(cè)量較平坦曲面，曲面變化大時(shí)測(cè)量精度較低。
(3)光柵投影式測(cè)量(照相測(cè)量)。該方法是將光柵投影到物體表面，形成一塊待測(cè)區(qū)域，由光學(xué)掃描系統(tǒng)測(cè)取實(shí)物的表面數(shù)據(jù)，用數(shù)碼像機(jī)獲取特征標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)位置。光柵投影式測(cè)量為非接觸測(cè)量，對(duì)復(fù)雜或大面積表面可分塊測(cè)量，測(cè)量速度快，點(diǎn)云密度高。
在曲面創(chuàng)建時(shí)，可根據(jù)被測(cè)模型的特征靈活選用測(cè)量方式。本實(shí)例采用光柵投影式方法測(cè)量，采用ATOS非接觸式坐標(biāo)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的高分辨率高速掃描，每幅掃描照片可獲得工件表面400,000個(gè)點(diǎn)的二維坐標(biāo)，每幅掃描照片精度達(dá)0.03 mm ,整體拼合掃描精度為 style="COLOR: black; FONT-FAMILY: 宋體; mso-ascii-font-family: Arial; mso-hansi-font-family: Arial; mso-bidi-font-size: 10.5pt; mso-bidi-font-family: Arial">，并以點(diǎn)云的形式以多種格式輸出，供后續(xù)CAD/ CAM/ CAE使用。本實(shí)例最終采集點(diǎn)數(shù)為14.8萬個(gè)。
2 CATIA逆向流程
在點(diǎn)云數(shù)據(jù)取得后，就可以利用三維造型軟件CATIA進(jìn)行后續(xù)工作，構(gòu)造出我們需要的產(chǎn)品形狀。利用CATIA中的數(shù)字曲面編輯器(Digitized Shape EditorDSE)，創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)(Generative Shape Design GSD),決速曲面重建(Quick Surface Reconstruction QSR)，白由曲面造型(Freestyle FS)等模塊，通過點(diǎn)云處理、曲面重構(gòu)與光順、曲面數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估等一系列操作得到高質(zhì)量的曲面。其具體的處理流程如圖I所示。
2.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和過濾
CATIA支持ascii, atoa, cgo, stl等多種格式的點(diǎn)云文件。加載點(diǎn)云時(shí)可以根據(jù)需要來決定采樣率，即加載點(diǎn)占原來點(diǎn)數(shù)據(jù)的百分比(sampling)這樣可以提高處理速度。
實(shí)際工作中，要通過調(diào)人多個(gè)點(diǎn)云文件來完善點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這此點(diǎn)云對(duì)齊后數(shù)據(jù)量很大。
而且由于受光照條件、被測(cè)件表面反射特性和系統(tǒng)測(cè)量誤差、隨機(jī)誤差等影響，測(cè)量數(shù)據(jù)中存在著許多無用數(shù)據(jù)，即所謂的"噪聲"點(diǎn)。因此必須對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理。
點(diǎn)云過濾可以降低點(diǎn)云密度，濾除噪聲點(diǎn)，常用的過濾方法有曲率過濾法(Adaptative)和球過濾法(Homage-neous)。若選擇homogeneous類型，點(diǎn)數(shù)據(jù)將根據(jù)輸入球半徑的大小被均勻過濾，這種方式可能會(huì)濾去點(diǎn)云輪廓變化處的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，只適合曲率變化不大形狀簡(jiǎn)單的點(diǎn)數(shù)據(jù)?？紤]到內(nèi)飾件的表而特征及對(duì)曲而的要求，選擇Adaptative類型。用這種方法，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中平坦部分將比曲率變化大的部分被濾去更多的點(diǎn)，從而保留了曲面重建要用到的關(guān)鍵點(diǎn)過濾操作時(shí).將局部弦偏移值
2.2點(diǎn)云的網(wǎng)格劃分
在點(diǎn)云上劃分特征線網(wǎng)格的目的，是為了給自由造型模塊重建曲面之用，是擬合網(wǎng)格曲面的基礎(chǔ)。一般情況下由一個(gè)曲面來擬合所有云點(diǎn)是不可行的，應(yīng)按照模型具有的特征將數(shù)據(jù)點(diǎn)云分割成不同區(qū)域，分別擬合出不同的曲面塊，然后應(yīng)用曲面求交或曲面間過渡的方法將不同的曲面塊拼接起來構(gòu)成一個(gè)整體。
2.3樣條曲線的創(chuàng)建與光順
樣條曲線的創(chuàng)建是曲面重構(gòu)過程中最為關(guān)鍵的一步，只有對(duì)點(diǎn)云擬合程度高的光順曲線才能得到高品質(zhì)的光順曲面。在逆向設(shè)計(jì)中，掃描或擬合得到的曲線一般很難保證其光順.為了構(gòu)造出一條光順的插值曲線，需要對(duì)原序列點(diǎn)進(jìn)行修正。曲面的光順往往歸結(jié)為曲線網(wǎng)格的光順，只有網(wǎng)格的每一條曲線光順才能保證曲面的光順。
樣條曲線的創(chuàng)建主要是從掃描線生成，也可以曲面求交來重構(gòu)曲線。為保證曲面的精度而對(duì)原始值點(diǎn)進(jìn)行光順修改時(shí)．其修改后的值點(diǎn)同原始值點(diǎn)的坐標(biāo)偏差要盡可能的小。對(duì)于創(chuàng)建的曲線要檢查曲率變化是否均勻，以及曲線連接節(jié)點(diǎn)處曲率是否連續(xù)，使曲線上各段曲率單凸或單凹，初步光順曲線。最后還要檢查所有樣條曲線的連續(xù)性，只有當(dāng)所有的樣條曲線都連續(xù)，且在節(jié)點(diǎn)處曲率大小、方向一致時(shí)，才能保證曲面填充的成功。
2.4曲面的創(chuàng)建與光順
根據(jù)所創(chuàng)建的曲線，我們可以運(yùn)用QSR模塊里的曲面擬合，以及GSD模塊里構(gòu)建曲面的各種方法，如放樣、掃掠、縫合等來實(shí)現(xiàn)曲面的重建。其中曲面擬合的功能最為強(qiáng)大，它支持從點(diǎn)云到面、從多邊形到面、從曲線到面等多種曲創(chuàng)建形式。曲面擬合填充生成的是NURBS曲面，修改曲面的允許偏差(如間隙系數(shù))、網(wǎng)格的數(shù)n和順序、張緊度等參數(shù)都會(huì)改變曲而的表而質(zhì)量。而GSD模塊支持從線到面的創(chuàng)建過程，可以通過定義引導(dǎo)線、脊線或連接線的方法來控制曲面的過渡。
根據(jù)內(nèi)飾件的曲面特性，在創(chuàng)建曲面的過程中運(yùn)用了由點(diǎn)到面以及點(diǎn)、線結(jié)合重構(gòu)曲面的方法，并充分運(yùn)用了做面功能、距離分析功能及調(diào)整功能依次完成各曲面的重構(gòu)與光順.最終得到理想曲面.結(jié)果如圖3所示。
2.5曲面拼合
由于曲面的填充不是一次性完成的，在曲面填充時(shí)會(huì)產(chǎn)生縫隙.這些曲面要經(jīng)延伸、裁剪、過渡后才可拼合成一張完整的曲面模型;并且曲面的連接時(shí)要考慮曲率的連續(xù)，因此要用過渡曲面將光順好的曲面連接起來。過渡曲面分為兩類，一類是各種倒圓〔等半徑和變半徑)，另一類是兩個(gè)或多個(gè)主要曲面的相接曲面，以保證各個(gè)面的曲率連續(xù)。在本實(shí)例中運(yùn)用Blend功能做出過渡曲面，再從不同視角進(jìn)行光順處理以確保滿足設(shè)計(jì)要求。如圖4所示，是將填充后的曲面經(jīng)過拼合等處理后得到的內(nèi)飾件數(shù)字模型。
3結(jié)束語
本文通過工程實(shí)例介紹了逆向設(shè)計(jì)在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的作用。通過對(duì)內(nèi)飾件表面數(shù)據(jù)的采集、曲線曲面構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)飾件模型的數(shù)字化。逆向設(shè)計(jì)在應(yīng)用于車身產(chǎn)品的開發(fā)過程中，大大縮短開發(fā)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量。隨著技術(shù)和數(shù)據(jù)處理的不斷進(jìn)步，逆向設(shè)計(jì)必將會(huì)為工業(yè)造型、產(chǎn)品復(fù)制與改進(jìn)等應(yīng)用領(lǐng)域更好地服務(wù)。
（轉(zhuǎn)載）
