付雅軍 王有軍

摘 要：產(chǎn)品的逆向造型設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過(guò)程中不可缺少的設(shè)計(jì)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(guò)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例歸納出如何運(yùn)用CATIA V5來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的逆向造型設(shè)計(jì)的過(guò)程，并在實(shí)際操作中總結(jié)出了相關(guān)的應(yīng)用方法，為其他設(shè)計(jì)人員在使用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA V5進(jìn)行產(chǎn)品的逆向造型設(shè)計(jì)時(shí)提供一定的參考依據(jù)。

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

引言

逆向設(shè)計(jì)是一個(gè)極其復(fù)雜和繁瑣的過(guò)程，要求設(shè)計(jì)者具有豐富的產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的觀察去深刻揣摩原設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)方法[1]。目前數(shù)字化系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的完美結(jié)合為逆向工程設(shè)計(jì)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(duì)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(guó)達(dá)索公司研發(fā)的一款知名三維設(shè)計(jì)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(guò)它可以很好地實(shí)現(xiàn)逆向工程在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)、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(jì)中使用到的主要模塊有逆向點(diǎn)云編輯模塊（Digitized Shape Editor）和逆向曲面重建模塊QSR（Quick Surface Reconstruction）。逆向點(diǎn)云編輯模塊主要用于曲面構(gòu)建前期的點(diǎn)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(guò)程中的各種曲線和曲面特征的創(chuàng)建和編輯，上述兩個(gè)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(jì)模塊GSD（Generative Shape Design），便能完美的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的逆向造型過(guò)程。

逆向設(shè)計(jì)一般遵循的造型過(guò)程為點(diǎn)-線-面-實(shí)體。下面結(jié)合一個(gè)實(shí)例來(lái)詳細(xì)闡述如何運(yùn)用CATIA V5三維設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)零件的逆向設(shè)計(jì)過(guò)程。

一、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和處理

產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)成功實(shí)施的關(guān)鍵是正確掌握它的一些技術(shù)要點(diǎn)，而首先就是產(chǎn)品點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。CATIA V5用到前期處理模塊（逆向點(diǎn)云編輯模塊DSE）是可以導(dǎo)入幾乎所有的三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)，格式通常為：STL、ASCII、IGES、CGO等[4]。該模塊主要完成對(duì)云點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“輸入”命令，導(dǎo)入后的數(shù)據(jù)。如果三坐標(biāo)測(cè)量出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)比較粗糙，導(dǎo)入點(diǎn)云后我們還要對(duì)它進(jìn)行相應(yīng)的處理，常用到的命令為激活點(diǎn)云、過(guò)濾點(diǎn)云、移除點(diǎn)云。在激活和移除點(diǎn)云時(shí)注意，要根據(jù)實(shí)際需要處理哪一部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在彈出的相應(yīng)對(duì)話框中去選擇不同的選項(xiàng)進(jìn)行選擇，盡量做到靈活運(yùn)用。

其次如果零件形狀復(fù)雜，一次掃描無(wú)法獲得全部的數(shù)據(jù)，或是零件較大無(wú)法一次掃描完成，而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了多次掃描時(shí)，就需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行多次導(dǎo)入。此時(shí)就需要對(duì)點(diǎn)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(pán)對(duì)正點(diǎn)云、以最佳適應(yīng)對(duì)正、以球?qū)φ⒂肦PS對(duì)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(yùn)用RPS對(duì)正點(diǎn)云的方法，來(lái)更加精確的保證產(chǎn)品的尺寸精度。

最后要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理。因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上創(chuàng)建各種形狀的網(wǎng)格特征，以凸顯出點(diǎn)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(duì)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(guò)運(yùn)用以上命令對(duì)點(diǎn)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(wú)非就是先構(gòu)線再鋪面的過(guò)程，所以需要設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)云掃描、如果你不能通過(guò)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(shí)，可以用“通過(guò)曲率分割段”命令來(lái)提取特征曲線。通過(guò)上述命令的操作得到幾條特征曲線。

特別需要注意的是，對(duì)于所創(chuàng)建的每條曲線都要對(duì)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(diǎn)云的吻合程度，保證曲線上的各點(diǎn)距離和點(diǎn)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(jì)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(jì)的后期處理平臺(tái)是逆向曲面重建模塊QSR，因?yàn)榇蟛糠值那€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(shí)別”來(lái)創(chuàng)建。通常一個(gè)零件是由很多單獨(dú)的曲面構(gòu)成，對(duì)于每一個(gè)曲面，可根據(jù)特性判斷用什么方式來(lái)構(gòu)成。逆向設(shè)計(jì)中曲面的創(chuàng)建最常用的方法是綜合運(yùn)用逆向曲面重建模塊中強(qiáng)力黏合命令、自由曲面模塊FS和創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊GSD中的各種創(chuàng)建曲面命令來(lái)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(duì)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(lái)檢查生成曲面的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)一系列的操作得到的曲面。

四、轉(zhuǎn)換成實(shí)體模型

由于曲面在實(shí)際工作中是無(wú)法生產(chǎn)的，只有將曲面轉(zhuǎn)換成實(shí)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(shí)體零件設(shè)計(jì)”工作平臺(tái)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(guò)上述操作得到的實(shí)體零件。

五、結(jié)語(yǔ)

產(chǎn)品的逆向造型設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中極大的降低了難度系數(shù)，使得工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)成本低、設(shè)計(jì)周期縮短[6]，而用逆向設(shè)計(jì)的方法所得到的產(chǎn)品模型，可以參與各種試驗(yàn)，可隨時(shí)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的結(jié)果是否合理以備進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹１疚脑敿?xì)闡述了如何運(yùn)用CATIA V5三維軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品逆向的全部過(guò)程，對(duì)于有著豐富正向設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師來(lái)說(shuō)，有著一定的參考價(jià)值，為以后在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，能夠靈活運(yùn)用正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)綜合使用的方法來(lái)完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(shí)戰(zhàn)技術(shù)手冊(cè)[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(qiáng)度設(shè)計(jì)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(kāi)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(cè)[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(jì)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

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