基于少量测量数据点的曲面模型重建 - 文章

基于少量测量数据点的曲面模型重建

作者：东北大学佟刚赵宇明张国忠

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很多汽车公司为了将一种新车型快速推向市场，在外形上常以现有车型为原型，利用现有车型的某些覆盖件进行在原有基础上的重新设计。但是，如果是以进口汽车为原型，国外厂商往往拒绝提供汽车的数据模型和图纸技术资料，这会给后面的造型工作带来很大的困难。另外，如果采用的三坐标测量机缺少测量软件的支持，既要减少测量点数，又要构造出光顺的曲面模型，则测量点的布置、构造曲面的方法就显得极为重要，否则构造出的曲面模型不是不光顺就是与实物模型相差太远。此时，利用少量测量数据的曲面设计重建技术，就可以解决这些问题。

一、基于少量测量数据的模型重建

基于少量测量数据的模型重建过程，就是既要在满足改型设计要求的基础上简化处理过程，又要充分体现原型的特征化造型特点，还要发挥正向和逆向设计的各自优势，进行综合设计。所采取的思路是：先根据实物模型的轮廓特征，在其上划出纵横的特征曲线，曲线不要太密，只要能够体现模型即可，否则不但构造模型费时，模型表面还不容易光顺；应用三维测量设备在这些纵横的交叉点上测出坐标值，然后再利用三维CAD软件连线并构造曲面。模型光顺的依据就是当模型旋转时，软件中反射到模型上的光线是均匀的粗亮条。

具体的过程是：首先根据实物模型的数据表的存储格式，将数据表利用一定的处理方式读入到CAD软件中，然后根据数据表中各个数据点的曲线对应关系生成曲线网格并进行光顺处理，最后再根据光顺后的曲线生成曲面，对新生成的曲面检查其光顺性。重建后的模型曲面可以作为下一步正向设计的基础，进行改型和细节设计。

应用了基于数据表的模型重建技术的汽车改型设计方法，在新产品开发设计以及计算机辅助工业设计中有很实际的意义。此法可以在得到作为设计基础的实物样件的三维数据模型以后，直接在计算机上进行改型设计。设计完成后，生成快速原型样件，以便进行装配检验和评估。如果检验合格就可以开模，否则就再次进行数据模型的修改。总的改型设计流程如图1所示。

图1 改型设计流程图

下面从汽车车门入手，研究基于数据表的曲面造型的具体过程。

二、数据表的读入

在进行车门的外形曲面造型时依靠的是某车型的车门数据表，车门数据表提供了曲线上点的坐标，每一个稍微复杂的零件就有几百个数据点，以本文处理的车门外形数据为例，有510个数据点，如图2所示为door.xls文件的部分内容。

图2 door.xls文件内容项目图

如果采用手工输入的方法，工作量将非常大，并且容易出现错误，因此这里应用了CATIA软件提供的批处理功能来完成这些数据的输入。

车门的外形数据表保存在名称为“door”的Excel文件中，作者通过C A T I A中的“宏”命令来读取Excel中的数据。如果数据是以其他文件格式如*.dat文件格式保存的，则可以转换为Excel文件格式，或者直接更改代码，从其他文件中直接读取。首先，通过CATIA中的Micro命令栏中的“StartRecording”命令打开，随后在一个平面上做一个点，接着就使用“Stop Recording”命令，这时可以查看做这个点的宏命令。然后在这些语句上作一些加工，如加入读取Excel表的语句和建立循环的语句等，以使宏命令执行重复读点的操作（具体代码略）。

按照创建和运行宏的步骤，把代码输入到自定义的一个宏的代码区中，保存并运行。这样，“door.xls”文件中的所有点数据就被读取出来。CATIA系统将为这些点自动编号，从当前界面左侧最下面一项Open Body.1的扩展目录中可以看到所有的点。最后将读入的数据表文件保存在“doordate.CATpart ”中。“doordate.CATpart”则会显示出的车门数据点如图3所示。

图3 车门数据点图

三、曲线重建

数据表的格式是每个线号对应一串点的坐标，一个线号即为车门的一段曲线，因此需要将每个线号变成曲线，该曲线即为车门的理论外形曲线。CATIA具有较强的曲线设计功能，每种功能的数学计算方法有所不同，具体的有ARC、CURVE2+PTS CST、SPLINE和NURBSCRV等。由于数据表上的每一个点均为车门表面数据，要求生成的曲线经过给定的点，于是这里我们采用了SPLINE功能来生成曲线。把这些点连接成若干条样条曲线是一项很繁琐的重复性的工作，笔者编制了代码利用宏命令来完成单条曲线的生成（具体代码略）。

同样，按照创建和运行宏的步骤，把代码输入到自定义的代码区中，保存并运行，形成各条曲线。边界曲线的连接由于数量较少，可由手工完成。

曲线的生成在车门造型中是至关重要的，曲线质量的好坏将直接影响曲面的生成质量，虽然数据表提供的大部分曲线都是曲率变化不大的，但是在每条曲线生成后，都应该检查一下曲线的光顺性，一旦发现不理想的曲线，可以及时应用DEFORM功能进行调整。

CATIA的SPLINE功能主要适用于生成输入点规则、曲率变化小的曲线，因此数据表提供的个别曲率变化较大的线号，应该分段生成，然后再在连接处施加一个连续的曲率。生成的车门曲线网格如图4所示。

图4 车门曲线图

四、曲面重建

光顺后的曲线就可以用来生成曲面了，但在一般情况下，如果把零件表面用一张曲面来构造，往往会与原零件形状相差较大，这就需要把其分成几张曲面来分别生成。运用各种构面方法建立曲面，包括Though Curve Mesh、Though Curves、Swept、Ruled、From point cloud 和Bridge等，要根据样品的具体特征来采用相应的方法。

CATIA设计曲面的功能很强，可以使用很多方法来达到相同的目的。

其中Though curve mesh构建面可以保证曲面边界曲率的连续性，因为此法可以控制四周边界曲率（即相切），而Though curves只能保证两边曲率。

如果两个面之间有折痕，则是由于这两个面不相切所致，可以通过调整参与构面曲线的端点与其中一个面中的对应曲线相切，再加上Though curve mesh边界相切选项即可解决，只有曲线相切，才能保证曲面相切；另外也可以将两个面各自在相接的附近减去一部分再进行桥接（即Bridge），这样也能够做出光滑的曲面。在CATIA中的Smooth选项组，可以更改曲面的平滑程度。观察曲面的曲率，如果不光滑就应该继续修整。休整时可以使用“Studio Surface”命令，此命令可以控制曲面的复杂程度，即控制曲面的品质，可以控制G0、G1、G2连续，这样做出的曲面会更光滑。最终形成的车门曲面图如图5所示。

图5 车门曲面图

曲面创建完毕后还要用软件所提供的曲面分析方法进行曲面的光顺分析，不符合要求的曲面要进行调整，曲面的调整不仅会涉及到相关曲线的调整，还会涉及到曲面造型方法的更改。此外，曲面与曲面间的连接也是曲面创建过程中必不可少和难度较大的工作。因此，曲面的构造不仅是一项费时费力的工作，还是一项对操作人员在相关知识和实践经验方面都有较高要求的工作。车门光顺性检查如图6和图7所示。

图6 曲率检查分析

图7切面分析图

基于数据表的曲面模型重建之后，就可以在此模型的基础上进行正向设计的相关内容，即进行细节的修改或结构性的设计。通过有效地规划模型的特征线，减少测量的点数。借助三维CAD软件，运用逆向工程和正向工程设计相结合的方法，同样可以快速有效地构造出满意的曲面模型。

五、结束语

本文利用汽车零件的数据表文件，主要针对汽车的改型设计，对车侧门曲面模型的建模方法和过程进行了研究，通过对过程中各个步骤的研究，得到了如下一些结论。

数据表的输入是进行数据处理的先决条件，以往的输入方法是，先将数据表扫描成tif格式的图象文件，再利用文字识别系统框选出数据表中的数字部分进行识别，形成文本文件，然后再采用Excel对识别错误进行批量纠正，形成新的数字型文本文件，最后利用IUA程序直接将文本文件转化成CATIA中的点的元素。这种设计方法过程比较繁琐而且容易出错，对大批量的点数据处理不是很方便。文中采用了自编的程序，利用CATIA中的宏命令来处理数据表的输入过程，使得输入过程简化而且准确，适合大批量数据的输入。CATIA生成曲线的方法很多，通过对各种生成方法的研究，选用SPLINE功能生成Bezier曲线的方法，既可以保证曲线的生成，又能够保证曲线经过边界上的数据点，使后续生成的曲面能够保持原型车门的造型特征。在生成曲线的过程中，采用了自编的程序对曲线进行批处理，特别是对于数据点偏多的情况，可以大大简化操作的过程和时间，免除手工连线的繁琐工作，实现自动化的曲线重建。

通过以上研究以及对使用方法的改进，最终生成的车门曲面模型通过了光顺性检验和曲率与等高线切平面的检验，得到了满意的设计结果。

原载《CAD/CAM与制造业信息化》杂志(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/11/2006)


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