李麗娟 邢 悅 林雪竹 劉 濤

(長春理工大學光電工程學院， 吉林 長春130022)

隨著航空航天、汽車、船舶等制造業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品的改進設計是縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期的重要手段之一。目前，現(xiàn)有技術(shù)大多是產(chǎn)品設計師通過計算機輔助測量工具獲得產(chǎn)品的外形數(shù)據(jù)信息，然后在此基礎上進行二次創(chuàng)造構(gòu)建出CAD模型，進而對同類產(chǎn)品進行開發(fā)研究[1]。此過程稱為逆向工程，是一種重要的產(chǎn)品外形設計過程。

逆向工程中，在曲面建模前，首先要對試驗樣件進行外形掃描測量，得到外形數(shù)據(jù)即大量散亂三維點云數(shù)據(jù)。隨著光電技術(shù)與計算機技術(shù)的發(fā)展，逆向工程中外形數(shù)據(jù)采集多采用三維光學掃描儀得到，其具備速度快、數(shù)據(jù)量大、精確度高等特點。然后需要使用Gemagic Qualify[2]、Imageware等軟件對點云數(shù)據(jù)進行預處理(即去噪、修補、平滑、精簡)[3]，外形數(shù)據(jù)的精準性直接影響建模的質(zhì)量。最后導入CATIA軟件中，重構(gòu)出樣條曲線及曲面。

使用CATIA軟件，將處理后的點云數(shù)據(jù)重構(gòu)得到滿足特定要求的曲面模型的方法稱為曲面重構(gòu)技術(shù)。隨著逆向工程技術(shù)的發(fā)展，為滿足復雜自由曲面重構(gòu)技術(shù)要求，CATIA V5軟件中提供了逆向工程設計模塊，即快速曲面重建QSR(quick surface reconstruction)設計模塊、自由曲面(freestyle)設計模塊、數(shù)字化曲面編輯DSE(digitized shape editor)設計模塊[4]。由于CATIA具有強大的自由曲面造型和逆向曲面重構(gòu)設計功能以及強大的曲面綜合分析能力，被廣泛應用在航空航天、汽車、船舶等工業(yè)領(lǐng)域中。目前，曲面重構(gòu)工作主要通過人機交互建模來完成，曲面幾何特征的識別、曲面光順性與精確性的控制，都依賴于建模人員的經(jīng)驗和技巧[5]。隨著CATIA軟件的應用日益普及，為提高軟件性能和功能及CATIA用戶個性化服務， CATIA軟件開放了大量接口，又支持NURBS曲面的創(chuàng)建和編輯，具備生成自定義曲面的功能，為個性化工具的開發(fā)提供了良好的理論基礎和二次開發(fā)平臺。

針對CATIA V5軟件中自由曲面(freestyle)設計模塊控制點命令只能定向調(diào)整自由曲面，而不能定量調(diào)整曲面這一缺陷，對控制點命令進行二次開發(fā)，使該命令具備調(diào)整參數(shù)可控的優(yōu)點，從而實現(xiàn)快速定向定量自由曲面調(diào)整功能。使重復、繁瑣的曲面優(yōu)化過程得以簡化，從而提高工作效率，節(jié)省工作時間。使CATIA軟件在曲面重構(gòu)工作中得以更有效地應用。

1 CAA介紹

CAA全稱為(component application architecture)組件應用架構(gòu)[6]，是客戶對達索產(chǎn)品進行擴展的一個開發(fā)平臺，具備對已有應用進行升級更方便、靈活的優(yōu)點。由于CATIA V5本身也是按照組件模型建立的工程應用軟件，所以用戶可以通過組件對CATIA V5進行擴展，實現(xiàn)一些個性化功能。

利用CAA對CATIA進行二次開發(fā)不僅需要具備C++基礎知識、熟悉CATIA軟件、了解COM技術(shù)方法，還要熟悉CAA構(gòu)架中RADE(rapid application development environment)。RADE是一個可視化集成開發(fā)環(huán)境，以Visual Studio 2005為載體，通過加載RADE插件，在VC++環(huán)境下實現(xiàn)用戶對CATIA軟件從簡單到復雜的功能開發(fā)[7]。RADE提供了完整的開發(fā)編程工具以及CAA框架程序編譯器， CATIA CAA-RADE是目前CAD/CAM開發(fā)環(huán)境中應用最廣、功能最強的一個。

CATIA幾何建模CGM(CATIA Geometric Modeler)是CATIA提供的開發(fā)包[8]，CGM提供了各種對象，允許開發(fā)人員開發(fā)自己的幾何應用程序。CGM對曲面的描述主要是采用NURBS方法。

2 曲面重構(gòu)理論模型

2.1 NURBS曲面介紹

工業(yè)產(chǎn)品的曲面一般分為兩種，一種是能由初等曲面組成的曲面，例如多數(shù)機械零件；另一種是不能由初等曲面構(gòu)成的自由曲面，如飛機、汽車的外形曲面。自由曲面復雜繁瑣，直到上世紀八十年代末期，才提出用NURBS (non-uniform rational B-spline)非均勻有理B樣條曲面作為工業(yè)產(chǎn)品外形的唯一數(shù)學表示方法[9]。目前，NURBS曲面已成為CAD/CAE /CAM領(lǐng)域中曲面描述的核心表示方法。由于控制點命令只適用于NURBS曲面，所以CATIA軟件中控制點命令只能在Freestyle環(huán)境中針對自由曲面使用。

2.2 NURBS曲面的定義

NURBS自由曲面是在B樣條曲面基礎上發(fā)展而來的一類數(shù)值曲面形式[10]，u向k次、v向t次的NURBS曲面公式如下：

式中：S(u,v)表示NURBS曲面上任意一點的坐標；Pi,j表示控制點陣的坐標；Ni,k(u)表示在u向的k次B樣條基函數(shù)；Nj,t(v)表示在v向的t次B樣條基函數(shù)。通過在u和v方向上定義n和m個控制點可以確定NURBS曲面表達式?？刂泣c的坐標可以預先給定或者根據(jù)曲面上的已知點反求得到；ωi,j表示對應控制點的權(quán)因子，權(quán)因子必須大于0，且權(quán)因子數(shù)值大小表示曲面與控制點的相關(guān)連程度。因此，NURBS曲面是通過對若干離散控制點加權(quán)得到的自由曲面?？刂泣c網(wǎng)格與對應NURBS曲面如圖1、圖2所示。一個平面的控制點是均勻分布在平面上，成m×n矩形網(wǎng)格狀。移動控制點，曲面會隨著控制點坐標的改變而變形，從而起到對曲面優(yōu)化調(diào)整的作用。

實際應用中，CATIA提供幾何對象包開放NURBS曲面生成接口CATCreateNurbsSur-face，輸入節(jié)點矢量和控制點參數(shù)，調(diào)用結(jié)果可生成Nurbs Surface對象，可在CATIA界面中直接顯示。

在CATIA開發(fā)環(huán)境下，導入NURBS曲面點陣，封裝節(jié)點計算函數(shù)，控制點反求算法，調(diào)用CATGeoFactory接口生成曲面對象，顯示在CATIA界面中。CATIA V5中控制點命令就是控制點與NURBS曲面間相關(guān)理論知識的應用實例。

3 應用實例

以某型飛機艙門(以下簡稱艙門)逆向曲面重構(gòu)為例，說明新方法在曲面重構(gòu)工作中的應用。

首先，使用手持掃描儀對艙門模型進行掃描得到艙門外形點云數(shù)據(jù)，即STL三角網(wǎng)格曲面，如圖3所示。然后，對點云數(shù)據(jù)進行去噪等預處理，得到理想的點云數(shù)據(jù)。最后，進行曲面重構(gòu)工作。

由于艙門模型分為5個曲面，所以艙門的曲面重構(gòu)分為以下幾個步驟：首先把艙門點云分為成五部分，如圖4所示，然后分別對5個自由曲面進行曲面擬合，針對每一個擬合曲面進行優(yōu)化調(diào)整，得到5個理想曲面模型，最后拼接成一個曲面。從而完成艙門曲面重構(gòu)工作。

以其中一個曲面為例介紹曲面重構(gòu)的具體操作：首先激活所需擬合曲面的點云如圖5所示；其次使用最佳擬合工具對點云進行曲面擬合，得到擬合曲面如圖6所示；再用偏差分析工具對曲面和點云進行測試，如圖7所示。偏差分析圖及柱狀圖顯示僅邊緣區(qū)域偏差較大，曲面大部分偏差值在0～0.68 mm之間，而曲面邊緣偏差達到1.7 mm，超出最大允許偏差1 mm。此時就需要用到控制點命令對擬合曲面進行優(yōu)化調(diào)整，直到偏差檢測合格為止。

3.1 CATIA V5軟件中控制點命令介紹

軟件CATIA V5中，F(xiàn)reestyle模塊下控制點命令對話框如圖8所示。

主要操作流程如下：

(1)選擇所要優(yōu)化的曲面元素，此時曲面上會出現(xiàn)控制點網(wǎng)格如圖9所示。

(2)在對話框中選擇控制點移動的方向，例如切線方向、法線方向和坐標軸方向等。

(3)在曲面上拖動任意控制點(或任意一條線上n個控制點)，并觀察曲面變化。

(4)調(diào)整曲面光順度數(shù)值。

(5)對調(diào)整后曲面進行偏差檢測，若不符合要求，重復以上步驟，再一次優(yōu)化曲面。

CATIA軟件中控制點命令存在的缺點是每一次調(diào)整曲面，移動的控制點距離不定，曲面優(yōu)化效果需要靠人工觀察得到，誤差較大，僅一個控制點的調(diào)整就需要多次嘗試才能得到理想優(yōu)化曲面。對于高精度曲面，原控制點命令缺陷更為突出。針對這一缺陷，現(xiàn)結(jié)合偏差分析，開發(fā)出新的控制點命令，目的是使控制點的移動距離量化，以偏移數(shù)值做參考，達到快速優(yōu)化曲面的效果。

3.2 NURBS控制點命令的開發(fā)

二次開發(fā)的任務是在 CATIA中嵌入名為“NURBS控制點”的命令。新命令在原有“控制點”功能基礎上，新添加定向定量優(yōu)化功能。操作人員在優(yōu)化時，輸入需要調(diào)整控制點的方向以及距離。實現(xiàn)距離可控的曲面調(diào)整。參考調(diào)整數(shù)值，可以減少曲面調(diào)整的操作次數(shù)。

其開發(fā)主要分為兩部分：一是工具條、窗口設計；二是命令的實現(xiàn)。

3.2.1 工具窗口設計

創(chuàng)建新CAA工程，首先創(chuàng)建一個工作區(qū)(workspace)并添加Framework，在創(chuàng)建完workspace之后需要建立workspace與CATIA系統(tǒng)的連接接口。之后添加至少一個Module，在Module中對工作臺(workbench)和工具條、命令(addin)進行開發(fā)?？刂泣c命令的二次開發(fā)屬于后者Addin的開發(fā)。創(chuàng)建Addin時需要注意，接口可以多選，常選用CATIAfrGeneralWksAddin，這樣打開CATIA時，任何Workbench下都能顯示該工作條。創(chuàng)建工具條時還需要給命令添加菜單，在源文件中Create Toolbars( )函數(shù)下添加代碼。

此開發(fā)并不生成新的工作臺，只通過CreateWorkbench和CreateCommands來添加新的控制點命令的工具條、命令圖標以及菜單響應。

關(guān)鍵代碼如下：

…

//創(chuàng)建工具條

CATCmdContainer* NewProjectTemplateAddin::CreateToolbars()

…

//創(chuàng)建NurbsSurface命令

NewAccess (CATCmdStarter,pNewProjectTemplate,NewProjectTemplate);

SetAccessCommand (pNewProjectTemplate,"NurbsSurface" );

SetAccessChild (pNewProjectTemplateAddinTlb,pNewProjectTemplate);

…

//設置菜單

NewAccess (CATCmdContainer, pNewProjectTemplateAddinTlbM,NurbsSurfaceM);

…

3.2.2 命令創(chuàng)建

CAA命令(command)主要分為單步命令、對話框命令、狀態(tài)對話命令。控制點命令的二次開發(fā)屬于對話框命令，即用戶在對話框中輸入?yún)?shù)，對話框本身就是命令。創(chuàng)建Command和Dialog，并在源文件中添加功能函數(shù)。此時Command命令還無效，需要添加鏈接命令和實現(xiàn)代碼的橋梁，使Command命令能夠觸發(fā)Dialog。選擇曲面，獲得所有的控制點坐標，然后設置對話框中參數(shù)即控制點偏移量，原控制點加上偏移量得到新控制點坐標，創(chuàng)建出新的NURBS曲面。通過CATNurbssurface接口和CATKnotV-ector接口生成NURBS曲面和提取相應的控制參數(shù)。

關(guān)鍵代碼如下：

…

//獲得選擇的元素

obj->QueryInterface(IID_CATISpecObject,(void**)&(_pNewProjectTemplateDlg->_pSelectElement));

…

//執(zhí)行用戶的操作 首先獲得向量

CATMathVector NormalVector(_Editor007->GetValue(),_Editor009->GetValue(),_Editor011->GetValue());

…

//將控制點沿著向量進行偏移

spNurbsResultSur->SetOneControlPoint(i,j,AllMathPointList[index+1]+_Editor014->GetValue()*NormalVector);

…

//偏移后的曲面進行實例化出新的曲面

CATTopSkin *pSkinOp = CATCreateTopSkin( piGeomFactory, &topdata, spNurbsResultSur, &faceLimits);

…

3.3 NURBS控制點命令的應用

“NURBS控制點”命令操作流程：

(1)曲面優(yōu)化前對曲面與點云進行偏差檢測，得到如圖7所示的各局部曲面具體偏移量和方向。

(2)選取要優(yōu)化的NURBS曲面，曲面上會顯示出全部控制點，如圖10所示。

(3)對話框點列表會顯示出曲面所有控制點坐標及相應編號,如圖11所示。

(4)根據(jù)曲面變形部位，在曲面上找到對應控制點編號。

(5)在對話框中輸入?yún)?shù)(即偏移量和偏移方向)。

(6)點擊預覽，激活曲面，得到由新一組控制點所構(gòu)成的曲面。

(7)對優(yōu)化后曲面進行偏差分析，若不滿足要求，只需調(diào)整控制點偏移量，重新調(diào)整。

曲面偏差分析結(jié)果顯示，擬合曲面的4個角處偏差較大需要調(diào)整，分別對應編號為1、9、46、54的控制點，分別對這4個控制點進行調(diào)整，調(diào)整前后控制點坐標如表1 、表2所示。

表1 調(diào)整前的控制點坐標 cm

表2 調(diào)整后的控制點坐標 cm

激活NURBS控制點命令響應，軟件會根據(jù)調(diào)整后的控制點坐標重新生成一個NURBS曲面，即優(yōu)化后曲面。然后對優(yōu)化后曲面進行偏差分析。相比原控制點命令，新命令“NURBS控制點”的優(yōu)點在于，調(diào)整曲面前做偏差分析，在已知偏移量和方向的基礎上做到明確的、有目的性的調(diào)整，使優(yōu)曲面優(yōu)化成功率大大提高。曲面優(yōu)化具體操作流程如圖12所示。

曲面優(yōu)化完畢后，再通過提取邊界線對曲面進行剪切，對曲面進行偏差分析，如圖13

所示，曲面最大正偏差值為0.26 mm，最大負偏差值為-0.23 mm。經(jīng)偏差檢測曲面最大正負偏差均小于最大允許偏差1 mm。重復以上步驟對艙門的5個曲面進行同樣的操作后，拼接在一起生成完整的艙門曲面模型，對曲面進行加厚，生成實體如圖14所示。

4 結(jié)語

以CAA為開發(fā)平臺，以 NURBS曲面與控制點相關(guān)理論為基礎，針對CATIA V5軟件中控制點命令只能定向不能定量調(diào)整曲面這一缺陷，進行二次開發(fā)。提供了一種基于CATIA/CAA實現(xiàn)定向定量快速曲面重構(gòu)的方法。新命令具備方向可選定，數(shù)值可控的優(yōu)點。與原曲面重構(gòu)方法相比時間復雜度更優(yōu)，精確性更高。使用新方法可以做到快速精準的反求出產(chǎn)品的曲面模型，顯著提高了CATIA軟件在逆向工程中的實用性，對于產(chǎn)品開發(fā)研究和新產(chǎn)品升級改進尤為重要。

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