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CATIA V5在汽车零件逆向开发中的应用 |
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作者： |
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目前，汽车工业主要是通过设计数据，构造零、部件CAD模型和模具CAD模型，再通过数控加工制造模具，进而再进行零件生产的设计制造流程。但在我国引进、组装、再引进的汽车生产方式中，中方往往缺乏零、部件的CAD模型，使得国产化开发的进程受到极大制约。该现状促成逆向工程技术在我国汽车制造业中的发展。
逆向工程技术在汽车领域主要应用是：1)车身零件制造质量检测的应用；2)复杂型面的车身设计开发和制造；3)损坏或磨损零件模具、检具和夹具的还原。
一、逆向工程的软硬件条件
1. 逆向工程的硬件条件
逆向工程的主要测量手段有两种：接触式测量和非接触式测量。采用光电法的非接触式测量方法的特点是测量过程中测头不接触被测表面，避免了接触式测量中测头或被测表面的损伤和测头半径的补偿测量速度快、自动化程度高，适用于各种软、硬材料的各种复杂曲面模型的三维高速测量。
本文采用COMET非接触光学扫描系统完成汽车零件表面的数据采集。
2. 逆向工程的软件条件
CATIA软件在造型风格、车身等方面具有独特的长处，使用自动化的多表面曲率与切矢管理，可帮助用户快速进行风格造型和曲面造型。目前，CATIA发布了第5版本。
目前一些著名汽车制造商如Renault、Toyota、Kar2man、Volvo、Chrysler等已经100%的切换为CATIA设计，并且被各国的汽车零、部件供应商所认可。
CATIA事实上已成为汽车行业CAD软件标准。CATIA的数字化外形编辑器(Digital Shape Editor，DSE)、快速曲面重建(Quick Surface Reconstruction，QSR)以及创成式外形设计模块(Generative Shape Design，GSD)是强大的逆向开发工具。它们能完成点云读入、输出、编辑以及曲面快速而便捷的重建。本文介绍以CATIAV5的DSE、QSR和GSD模块为零件逆向开发的软件基础。
二、CATIA在汽车零件逆向开发中的应用
下面结合某车型的油箱盖外板逆向开发，来说明CATIAV5逆向开发过程。
1. 零件表面数字化
零件正确装夹以后，可用光学扫描仪对零件进行测量。测量内容可包括工件的分型(边界)线、轮廓线、面、结构等几何特征，以及用于重定位的定位基准。由此得到零件表面数字化的ASCII文件。
2. 点云预数据处理
1) 在CATIAV5的DSE模块中，通过Insert|Importcloud导入零件的ASCII文件(如图1所示)。导入过程中可以用鼠标移动6个绿色的控制点，改变导入点云边界，过滤一些无用的点(即降噪)。
图1 油箱盖外板原始点云
2) 选择Insert | Cloud Edition | Cloud Filter，利用Adaptative选项能将曲面变化小的地方过滤较多的点，而变化大的地方过滤较少的点，使特征变得更明显。本开发将Adaptative值设为0.005进行第二次降噪(如图2所示)，该值越大则过滤掉的点越多。
图2 降噪去掉多余点后的点云
3) 通过Insert | Cloud Edition | Remove Point，进一删除扫描过程中边界部分的误点和缺陷点。
4) 对点云进行铺面处理，它是点云的三角片图像，主要是为了提高点云的可视性，以便于提高曲面造型的效率。选择Insert|Mesh|MeshCreation进行铺面。如果有破洞存在(如图3所示)，不能单纯增加Neigborhood的值，否则一些不该补的部分也会被铺成面可用Insert | Mesh | Fill Holes完成破洞的手动修补。
图3 点云的铺面
3. 特征线提取
从零件具体结构特征出发，先用斑马线仔细分点云的铺面(如图4所示)，进行曲面重构之前的合规划。划分曲面块的主要依据是零件的棱线以及面的曲率变化。零件一般由多块曲面构成，每块曲根据特性可以判断用什么方式构建，是点)面(这情况较少)，还是点)线)面的方式。CATIAV5Q模块Insert | Scan Creation | Planar Sections提取部分特线，然后用Insert | ScanCreation | Free Edges得到点云边界线(如图5所示)，以便于用GSD模块完成曲面重构。
图4 点云铺面的斑马线 图5 点云的特种线
对每一条曲线都要仔细检查其连接的连续性、率的连续性以及它与点云的误差。这是构建高品曲面的必要保证。可以通过Insert | Analysis | Curvatur Analysis、Connect Checker和Distance Analysis来检查曲线的质量和精度。
4. 曲面重构
根据特征线，利用GSD提供的扫掠(sweep)、混合(blend)等曲面造型功能生成特征面(如图6所示)，再通过求交(join)、裁减(trim)、倒圆(fillet)等操作将各曲面片光滑拼接或缝合成整体的复合曲面，最后通过Insert | Wireframe | Projection将边界线投影到复合曲面上并用剪刀(split)功能完成零件曲面的边界(如图7所示)。
图6 利用特征线生成的特征面 图7 油箱盖外板逆向曲面数模
5. 曲面品质评价
（1）精度分析
在QSR模块中，通过法向距离分析，可分析出点云与零件重构曲面的偏差(如图8所示)，结果显示误差控制在±0.5㎜之内。观察发现极值点仅出现在开口部，而保证整车装配精度的型面与翻边部位误差都在±0.1㎜内。考虑到开口是因修边再翻边的变形，这样的精度还可满足要求。
图8 点云与面曲的偏差
（2）曲面质量分析
曲面质量对轿车的外覆盖件尤其重要，表面上微小的缺陷都会在喷漆之后引起光的漫反射，从而有损外观。通过斑马线分析功能、曲面断面线分析功能、几何连接性分析功能可以分析曲面的质量图9为斑马线分析的结果。
图9 逆向曲面数模的斑马线分析结果
三、逆向开发中注意的问题
1. 误差问题
对于车身覆盖件，考虑到在冲压后的回弹以及拆卸时的变形，在曲面重建时应从整车装配工艺出发在保证曲面质量的前提下，要充分考虑零件之间的配合面问题，确保间隙和段差在合理公差允许的范围内，并且均匀一致。如果只追求完全忠实于零件，零件的制造误差和缺陷会不断带到建模中，从而导致逆向零件装配的不良。
2. 曲面重构问题
对于零件细小的结构可稍后考虑，先构建较大的面。大面可以分块，面与面之间可以用blend或者QSR模块中的powerfit方式连接。对曲率变化较小或者变化均匀的曲面，可将它当作一张曲面来构建。对于曲率变化不是很大的地方，直接由特征线建面(如用拉伸、扫掠和放样等功能)的精度比用powerfit更高。
四、结语
基于CATIA的逆向建模技术已开始应用到新产品的开发、旧零件的还原和产品的检测中，它不仅还原实物原型，而且还能在此基础上进行设计修改，制造出新产品。(end)
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(4/11/2006) |
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