利用CATIA 的DSE(Digital Shape Editor)模块可以方便地将点云进行分块 曲面重构技术 曲面重构是逆向工程中的一个关键环节。它不仅是要再现造型人员或原有产品的 设计思想,还要修复或克服原有模型上存在的缺陷。因此在进行曲面重构之前, 应该对零件进行仔细分析,主要考虑以下要点: 确定设计的整体思路。面对点云数据,首先要周全地考虑好先做什么,后做什么,用什么方法做,主要是将模型划分为几个特征区,得出设计的整体思路。 确定模型的基本构成形状的曲面类型,这关系到在曲面重构中所采用曲面重构方法和工具的选用 我们在汽车覆盖件逆向设计的曲面重构中,选用的是CATIA软件中的FreeStyle 模块。之所以选择该模块,是因为它具有以下方面的优势: 采用了NURBS方法描述曲面。从而解决了自由曲线曲面与初等解析曲线曲面描述 的不相容问题。另外,由于采用了NURBS 方法,在该模块中,曲面由一组控制点 来控制形状,这样就可以通过编辑控制点灵活地改变曲面形状,实现任意复杂形 状的曲面,提高了造型能力。 提供了曲面到点云的拟合功能。这样就可以先利用此功能根据点云拟合出一个基础曲面,再利用曲面编辑功能对该基础曲面进行局部编辑和光顺,从而提高了曲 面重构的效率。 提供了曲面间的匹配功能。在FreeStyle中,不仅可以实现一个曲面到另一曲面 之间的匹配,还能实现一个曲面到多个曲面之间的匹配。并能达到匹配后的曲面 之间实现曲率连续,从而保证了A 级曲面的要求。 提供了多曲面的整体编辑功能,即一次编辑多个曲面,在编辑过程中保持曲面之间的连续条件。 它提供了网格面及风格扫描面的构造方法。这样就可以按曲面形状或原有产品的设计思想快速实现曲面重构。 曲面评价方法曲面评价在车身覆盖件逆向设计中包括两方面的含义,一是评价曲面的品质,即 曲面是否达到A 级曲面的要求,另一个含义是所重构的曲面与点云之间的误差是 否满足要求。 常用的曲面品质评价方法有以下几种: 反射线的构成原理如上图3 所示,在光源Lc 和视点Ep 确定的条件下,反射线由 曲面上的一组点P 组成,点P 在曲面上的法线方向N 分别与点P 到光源的矢量a 和与视点Ep 所成角度相等。 反射线的连续次数比曲面连续次数小1 次。如果两相邻曲面上的反射线断开,则 该两曲面最多点连续;如反射线有尖点,则曲面切矢连续;如反射线光滑过渡, 则两曲面曲率连续。 等照度线法(Isophote) 等照度线的构成原理如上图4 所示,在光照方向一定的条件下,等照度线由这样 一组点构成,这些点在曲面上的法向N 与光照方向L 所成角度一致,即L•N=c, 为常量。常量c的取值从-1 过渡到1,就生成一组等照度线。 等照度线的连续次数比曲面连续次数小1 次,即如果相邻曲面上的等照度线是光 滑过渡的,则这些曲面之间满足曲率连续。另外,等照度线的形状也反映了曲面 形状的变化,如在球面上,等照度线为圆形。 高光线法(Highlight Lines) 高光线法是在反射线法的基础上发展出来的。它的构建原理与反射线基本相同, 不同之处是在高光线构建过程中光源与视点重合。在数学描述中,高光线由这样 一组点Xi 组成,光线L0 与点Xi 在曲面上的法线N 相交(如图5 所示)。 在CATIA 的FreeStyle 模块中,除提供了以上三种曲面品质评价方法外,还提供 了截面线法来分析曲面品质。所谓截面线法,就是生成一组平面与被分析曲面的 截面线,通过分析这些截面线的曲率变化和截面线之间的形状变化来分析曲面品 质。作为A 级曲面,截面线的曲率变化应均匀,没有多余拐点,截面线之间的形 状变化也应均匀。 针对逆向工程中误差控制的需求,CATIA 提供了距离分析工具(Distance Analysis),用不同的颜色表示重构曲面与点云之间的距离。利用该工具,在进 行曲面编辑时,可以使设计人员精确控制建模误差。 用COMET 系统测量 确定测量时所用的拼合方法和测量的次序。发动机罩外板表面特征较少,不能采用特征拼合,所以选用参考点拼合方法。采 用先中间后两边的测量顺序以减少测量的累积误差。 获得发动机罩外板的整体测量坐标。首先在发动机罩外板上放置标记点,比例尺和十字尺;再用数码相机按一定的角 度依次拍照;然后将所拍照片导入处理软件AICON 3D Studio 中进行处理;最后 生成位于车身坐标系下的参考点列表文件 开始用COMET测量系统进行测量。 在每次测量时,测量区域内应包含三个以上的参考点,这样系统会自动完成拼合。 按先中间后两边的测量次序依次测量,至到测得所有的表面信息。 整体匹配(GlobalMatching) 整体匹配的目的是进一步减少匹配误差。 后处理(PostProcessing) 在点云的后处理过程中,可以过滤点云,优化点云,添补标记点区域,三角化点 云等操作。 特征提取提取三角化点云的边界线和中间的倒角曲面之间的理论交线。 输出三角化点云的STL文件和所提取特征的Scan 线的ASCII 文件 进入CATIA软件,进行曲面重构 进入DSE模块,生成X、Y、Z 方向上的截平面Scan 进入FreeStyle模块,按曲面分块进行曲面重构。 先重构中间大面,再重构侧面,最后重构中间过渡面,按发动机罩外板在X 方向 上曲率的变化程度的不同,在X 方向上将其分成两部分曲面。 在曲面重构过程中,利用曲面到点云的距离分析工具,通过编辑曲面控制点,使 曲面与点云之间的最大距离不超过指定的建模误差。 分析曲面品质。利用CATIA 的FreeStyle 模块提供的分析工具分析所重构曲面的品质,要求曲面 之间曲率连续,曲率变化均匀,没有多余拐点。 结束语 逆向工程应用于车身产品尤其是车身覆盖件产品的开发过程中,可以大大缩短开 发周期,保证产品质量。逆向工程不仅仅是仿形设计和制造技术,而是在原型产 品的基础上进行二次设计和加工,是更高层次的设计技术。这一技术使产品模型 得到精确的表达和再现,为产品的进一步分析、优化和制造确立了统一的对象, 在产品快速设计开发和复杂型面数控加工方面都具有重大的意义。 本文希望通过提出一种逆向工程应用于车身覆盖件产品开发过程中的解决方案, 对我国汽车产品开发提供一些借鉴和帮助。 概述CATIA 是由法国Dassault 公司开发的大型CAD/CAM 应用软件,后被美国的 IBM 公司收购。该软件运行于IBM 的工作站上,驱动系统为VM/CMS。与UG、EUCLID 相比,该软件在曲面造型方面具有独特的优势,因而广泛应用于航天、汽车等行 业的复杂曲面造型设计中。 汽车产品设计中很大部分零部件是由一系列复杂的空间曲面构成的,这些曲 面是由不同曲率的空间曲面相互连接而成,这种连接既要满足零件功能、结构的 要求,又要光滑过渡,达到平顺、和谐的效果。