樊敏鋒 杜濤 徐帆

摘 要：在汽車產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)中，為了驗證和評審產(chǎn)品的三維造型，通常按照1：1的比例制作模型，模型評審凍結(jié)后，用三維激光掃描儀掃描模型表面，獲得點云。點云導(dǎo)入Catia軟件后，通過逆向設(shè)計得到模型的表面數(shù)據(jù)，為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具和檢具開發(fā)，提供了數(shù)據(jù)來源。文章以某卡車的門護板點云逆向設(shè)計為例，詳細(xì)闡述了逆向設(shè)計過程中的點云編輯、建模、精度分析和逆向數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查的方法。

關(guān)鍵詞：點云編輯;建模方法;精度分析;質(zhì)量檢查

中圖分類號：U462.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）20-61-03

Abstract： In automotive product design and development， to verify and review 3D shape of product， Modeling according to 1：1 ratio. After model review freeze. Scanning the model surface with a laser scanner. Importing cloud point to Catia， Obtain the data of the surface of the model through reverse design. Provides data source for subsequent structural design and mold development. In this article， the cloud point reverse design of the door trim of a truck is taken as an example to elaborate the method of cloud point editing， accuracy analysis and quality inspection in the reverse design process.

Keywords： Cloud point editing; Modeling method; Precision analysis; Quality inspection

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）20-61-03

引言

隨著卡車市場的激烈競爭，卡車內(nèi)外飾的更新?lián)Q代不斷加快，為加快產(chǎn)品開發(fā)速度，縮短開發(fā)周期，計算機輔助設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)中。逆向設(shè)計是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向設(shè)計出產(chǎn)品數(shù)據(jù)，已成為汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)。本文以某卡車的門護板點云逆向設(shè)計為例，詳細(xì)闡述了點云的編輯、建模、精度分析和質(zhì)量檢查的方法。

1 點云編輯

點云，cloud point，通過掃描儀得到的模型外表面的點數(shù)據(jù)集合稱之為點云。

1.1 點云格式

模型掃描完成后，獲得點云，從掃描儀把點云輸出成stl或者txt格式，這兩種格式的文件可以直接在 Catia軟件中打開，是常見的格式。

1.2 坐標(biāo)調(diào)整

在Catia 軟件Digitized shape Editor模塊中通過導(dǎo)入命令把點云導(dǎo)入，導(dǎo)入后的點云坐標(biāo)不在整車中的正確位置，要按照產(chǎn)品在整車中的實際位置調(diào)整點云坐標(biāo)。通常按照以下方法調(diào)整，新建一個裝配設(shè)計文件，把點云裝配在裝配設(shè)計文件中，用旋轉(zhuǎn)、平移等命令調(diào)整點云的位置，當(dāng)點云與實際位置接近時，從產(chǎn)品生成零件，新生成的點云零件，其位置基本與整車相符。為了保證點云與整車坐標(biāo)完全相符，在新生成的點云上做輔助平面、直線或者圓孔等特征來約束點云與周邊件的定位，確認(rèn)點云位置無誤后，再次從產(chǎn)品生成零件。

1.3 點云處理

為了保證點云表面特征清晰可見，要求把不相關(guān)的、多余的、重疊的點云刪除或者隱藏，在Digitized shape Editor模塊中，用提取、過濾和移除命令處理不相關(guān)的點云。對于點云表面上重要特征缺失的部位，比如安裝孔、定位孔、圓角和安裝平面，用填補命令把缺失的部位補上，把造型特征完整顯示出來，為后續(xù)逆向設(shè)計提供保證。見圖1。

1.4 點云三角化

為了更直觀清晰的顯示點云表面特征，通過三角化命令，把點云轉(zhuǎn)化成片狀點云，片狀點云更能清晰的顯示產(chǎn)品的實際特征。在三角化后的點云上構(gòu)建截面線，根據(jù)零件大小，設(shè)置截面線間距為100mm或者200mm，構(gòu)建兩個方向的截面線，這些截面線作為后續(xù)逆向設(shè)計的參考，見圖2。圖2中左圖是三角化后的點云，右圖是帶截面線的點云。

2 設(shè)計方法

點云的逆向建模主要在Catia 軟件 FreeStyle模塊中完成，通過構(gòu)建點線面來完成。

2.1 建模思路

在建模之前，應(yīng)仔細(xì)觀察模型的基本特征，揣摩造型設(shè)計意圖，想清楚各個特征關(guān)系后，再著手建模?？偟乃悸肥窍葮?gòu)建基礎(chǔ)面，再構(gòu)建特征面，然后倒圓角，最后構(gòu)建分縫線。

2.2 建模方法

基礎(chǔ)面構(gòu)建。一是通過空間四點構(gòu)建曲面;二是通過曲線橋接曲面。本文以曲線橋接曲面為例說明。以截面線為參考，構(gòu)建兩條樣條曲線，通過樣條曲線橋接曲面，把曲面拉伸延長，拉伸延長后的曲面要覆蓋點云基礎(chǔ)特征面，用截面分析功能在曲面上切割，生成切割線，切割線是動態(tài)的，隨曲面的變化而變化;調(diào)節(jié)曲面，目的是讓曲面與點云貼合，用控制點調(diào)整功能調(diào)節(jié)曲面，拖動曲面控制點，曲面的形狀隨之改變，切割線也隨之改變，通過觀察切割線與截面線的擬合來判斷曲面與點云的貼合情況，經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)直到曲面與點云貼合。基礎(chǔ)面是構(gòu)建其他特征面的基礎(chǔ)，要耐心仔細(xì)的調(diào)節(jié)，見圖3。

特征面構(gòu)建。特征面是指基礎(chǔ)面上的凹凸、漸變、過渡等特征，其構(gòu)建方法與基礎(chǔ)面類似，只是在構(gòu)建特征面的時候應(yīng)多次反復(fù)調(diào)節(jié)，確保設(shè)計的曲面與模型造型特征相同和貼合。當(dāng)基礎(chǔ)面和特征面構(gòu)建完成后，就獲得了模型表面的初版數(shù)據(jù)，見圖4。

圓角面構(gòu)建。圓角面是相鄰特征面的過渡面，同一個模型上的圓角有大有小，構(gòu)建思路是先做大圓角，再做小圓角，即先大后小原則。根據(jù)圓角面特征長度大小，選取3-5組截面線，在截面線上建立三個點，通過三點做圓弧，觀察圓弧與截面線的貼合情況，反復(fù)多次調(diào)節(jié)，直到圓弧線與截面線貼合，測量圓弧半徑，求取幾組圓弧半徑的平均值，這個平均值即是圓角大小，見圖5。

圓角面完成后，還要根據(jù)DTS（間隙面差）要求，設(shè)計分縫線，分縫線完成后，就完成了模型的逆向設(shè)計。

3 精度分析

在模型逆向完成后，為了確保逆向數(shù)據(jù)與模型的貼合情況，要進(jìn)行精度分析，用距離分析功能分析逆向數(shù)據(jù)與點云之間的距離，通過分析，可以顯示出數(shù)據(jù)與點云的最大距離和最小距離，以此來判斷數(shù)據(jù)與點云的貼合情況，見圖6。精度分析穿插在基礎(chǔ)面和特征面的構(gòu)建過程中，每構(gòu)建一個面都要進(jìn)行貼合檢查。

4 質(zhì)量檢查

逆向建模完成后，要檢查數(shù)據(jù)曲面質(zhì)量是否滿足要求，通過外形分析工具進(jìn)行檢查。常用檢查工具包括斑馬線分析、環(huán)境映射、曲面曲線連續(xù)性檢查和截面分析等。通過觀察斑馬線或者環(huán)境映射圖案檢查數(shù)據(jù)表面是否有凹凸和不光順現(xiàn)象，如果有以上現(xiàn)象，說明構(gòu)建的曲面有問題，應(yīng)再次調(diào)節(jié)，直到滿足曲面質(zhì)量要求。

5 總結(jié)

本文以門護板點云逆向建模為例，詳細(xì)闡述了基于Catia的點云逆向設(shè)計的思路和建模方法，該思路和方法也適用于卡車其他內(nèi)外飾產(chǎn)品的逆向設(shè)計。通過Catia將建立的數(shù)據(jù)與點云進(jìn)行對比，確保了數(shù)據(jù)與點云的吻合度;通過檢查命令，確保了曲面和曲線質(zhì)量，為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程設(shè)計提供了數(shù)據(jù)來源。逆向設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜自由曲面產(chǎn)品的重建和精度檢測，不僅能夠提高實際生產(chǎn)的工作效率，也縮短了開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本。

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