CATIA V5在引擎盖逆向造型中的应用

作者：张胜兰 石正鹏 胡群

欢迎访问e展厅 展厅 6 三坐标测量机展厅 三坐标测量机, 关节臂测量机, 逆向工程/测量机软件, ... 逆向工程（也称反求工程）是指将已有产品模型或实物模型转化为工程设计模型或概念模型，并且在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造，这种思维先于实体、再用实体反证思维的逆向逻辑形式，称之为逆向工程。据不完全统计，目前世界上逆向技术占了设计领域60%的份额，而正向占了40%。逆向工程自20世纪90年代以来在国际汽车界得到广泛应用，已成为现代汽车产品开发的主流形式。 车身外表面是汽车设计中最早使用逆向工程技术的产品之一。 汽车车身的逆向造型工作一般是在造型设计师完成概念设计、效果图绘制、油泥模型制作并通过评审后开始的，通过测量，得到模型上离散的点集，将点集数据输入计算机，运用逆向工程软件工具将其连成光顺的曲线，然后利用曲线建立起整个车身的表面数学模型。在逆向造型过程中，云点数据的处理、曲面块的划分、曲面的构建、曲线曲面的光顺控制等过程将对车身外表面质量产生重要的影响。 CATIA V5是众多支持逆向工程的应用软件之一，下面将简要介绍CATIA V5的逆向造型功能，并从点云数据的分析处理、曲面块的合理划分、质量检查等方面，以车身引擎盖为例阐述CATIA V5在车身逆向造型中的具体应用方法和技巧。 1 CATIA V5逆向造型功能简介 自CATIA V5第一个版本以来，平均每年发布2～3个版本，2005年11月在法国巴黎正式发布了CATIA V5R16。随着版本的不断升级，其模块总数也在迅速增加，功能也越来越全面。 CATIA V5提供从数据输入、坏点剔除、网格线提取到曲面的复原和修饰等逆向工程一套完整的工具。数字化外形编辑(DSE：Digitized Shape Editor)，可以方便快捷地导入多种格式的点云文件，如：Ascii free、Atos、Cgo等十余种，还提供了数字化数据的输入、整理、组合、坏点剔除、截面生成、特征线提取，实时外形质量分析等功能，对点云进行处理，然后根据处理后的点云直接生成车身覆盖件的曲面。除此之外，创成式曲面设计(GSD：Generative Shape Design)可根据基础线架与多个曲面特征组合，设计满足要求的复杂的车身表面。汽车A级曲面设计(ACA：AuLomotive Class A)采用其独有的逼真造型、自由曲面相关性造型和设计意图捕捉等曲面造型技术，可生成和构造优美、环保的车身外形。基于草图的自由曲面设计(FSK：Freestyle Sketch Tracer)可以快速导入造型师绘制的轿车2D造型图(Tif、Jpg或者Bmp格式)，采用新的2D图形算法，可以使导入的造型图在不损失分辨率的情况下，将造型图放大到实车尺寸大小。自由曲面设计(FSS：Freestyle Shape)提供了大量基于曲面的实用工具，允许设计师快速生成具有特定风格的外形及曲面，其交互式外形修形功能可以方便地修改、光顺和修剪曲线和曲面。它还提供多种曲线曲面诊断工具，用于实时检查曲线曲面的质量。 2 引擎盖的逆向造型 引擎盖是汽车上一个较大的覆盖件，处在汽车最显眼的地方，它的光顺度和平整度直接影响汽车的整体美观和效果，因此对引擎盖的处理在车身外表面的建模中尤为重要。 (1)数据点的分析处理 在车身的逆向造型中，对点的分析处理是很重要的工作，点的好坏直接影响曲线的光顺度以及和模型的贴合性，最终影响曲面的品质。 由于系统误差、测量精度以及其他人为不可避免的因素，直接来自设备的云点数据往往存在大量的重合，在某些相对平坦的区域数据采集过于密集。同时，还伴有少量的坏点。通常这些问题可以通过过滤云点（公差球法、弦高差法）来得到适当的解决。 对坏点的剔除，一般以实物为依据，通过肉眼观察或网格面功能进行判别。如果肉眼能检查出坏点，就可以对其进行删除处理，以消除局部棱角。将云点生成网格面，查看网格面是否存在坑凹处，一般坑凹处较明显的地方的数据点一般为坏点，通过网格面检查出坏点在什么地方后，可以对云点数据进行过滤，如果不能过滤，则对云点中的坏点进行删除处理。 (2)生成特征曲线 特征曲线包括边界线和特征线条两种，在引擎盖的云点数据里包括边界线和两条筋线。 引擎盖的边界曲线的生成：先把引擎盖的云点数据提取出来，对云点进行网格化处理，如图。然后利用网格边界提取功能提取网格边界。如果边界曲线不理想，还可以通过调节曲线的功能，来调整曲线。 引擎盖的两条筋线在云点数据中不是很明显，所以只有通过扫描点的方式来获取特征曲线。先扫描在特征上的一些云点，使它形成折线，然后通过曲线光顺的功能，使它成为光顺的曲线。 在后续的曲面创建过程中，要用到扫掠曲面、网格曲面等方法，这些方法都是基于曲线的曲面，有好的曲线才有好的曲面，因此在边界曲线，特征线、引导线、截面线等曲线的创建过程中，必须及时利用分析工具（如查看曲率梳）检查曲线的光顺度，并根据检查结果及时进行修改和调整。 调整曲线一般采用在三个视图（主、俯、左）中或某特殊方向视图中通过拖动控制（通过）点的方式，初步光顺曲线，光顺时应注意各视图效果的相互影响，并注意各曲线之间的连接与过渡。 (3)构建基本曲面 生成特征曲线和边界曲线后，根据特征曲线划分的区域，通过扫掠曲面、拟合曲面或网格曲面功能构建基本曲面。 网格曲面功能，可以选择一组曲线或者曲面的边线作为引导线，另一组曲线或者曲面的边线作为截面线，建立满足一定条件的曲面（所选择的两组线可以不相交）。 网格曲面的适应性较强，但也有其自身特别的要求，两组曲线相交的各区域必须是四边形，否则无法生成面。在复杂曲面中，主要引导线或主要截面线的选择会直接影响空间曲面的质量。通常，我们会选择较长的一组曲线作为引导线，并以其中最能反映曲面走向的曲线作为主要引导线。同理，也应选择最能反映曲面形状的曲线作为主要截面线。 (4)过渡曲面及圆弧曲面构建 在引擎盖的基本曲面构建完成后，要构建两张基本曲面之间的过渡面。由于中间的过渡面为双弧曲面，故直接用圆角曲面不能达到要求的效果。通常先根据点云构建一张中间面，该面创建时应尽可能的使其位于双弧曲面的切矢方向上，并与圆弧面以外的云点贴合，然后分别在中间面与引擎盖的两张基本曲面间构建变半径的圆弧曲面，调整圆弧半径的大小，同时检查曲面与云点的贴合程度，直到构建的曲面与云点吻合较好后，这个过渡曲面才算构建完成。 (5)曲面的质量检查 曲面造型完成后，对曲面的光顺度、平整度进行质量检查是非常重要的一步。CATIA V5提供的强大的曲面检查分析工具，为设计人员评估曲面质量提供了条件。 曲面的质量分析，一般采用距离分析、斑马线分析、光照分析等方法。 距离分析：是对构建的曲面与云点之间的距离进行分析，看构建曲面与云点的距离偏差，距离偏差越大，这曲面的拟合度越差。这时就需要对曲面进行重建工作，直到曲面与云点的距离偏差小于给定误差，曲面才能通过。由于坏点的存在会影响曲面的距离分析效果，故需要有主观的判断能力，当距离偏差很大时，要能够判断出是坏点的存在影晌分析结果还是曲面本身存在问题。 斑马线分析：可以用等距离的黑色条纹，观察条纹在曲面上的反射情况，从而分析曲面的状态及品质。当斑马线的黑白条纹清晰，分布均匀有规律时，我们即可认为该曲面的创建是比较成功的，达到了预期的光顺要求。 光照分析：就是在普通光照条件下变换曲面的角度，看曲面上的反射光的效果，这时的效果与实际加工出来后的效果是一致的。也就是说，在光照条件下的曲面效果是什么样，则数控加工出来后的表面在光照条件下就是什么效果。 对称检查：车身测量时一般以中线为对称轴，只测量其中的一半，车身的逆向造型仅取半边的云点进行编辑设计，而车身外表面必须要保证在对称后，对称线两侧曲面曲率连续，因此对称检查也是非常重要的一步。需要注意的是，对称检查仅仅是一个对称检查工具，它不能自动保证对称线两侧曲面曲率的连续性，两侧曲面曲率连续的条件是在基本曲面构建时需要考虑与控制的。 3 结语 在车身逆向造型设计中，表面的良好品质需要多方面保证，有几个重要环节需要把握，总结几点： (1)坏点的存在会给建模带来不必要的麻烦，在一宠程度上还会使模型失真，坏点的剔除是逆向造型的第一步。 (2)根据特征线合理划分曲面块，有利于捕捉原始模型的设计意图，也有利于曲面的构建。 (3)好的曲线是构建高品质曲面的基础，曲线构建时应适时地对曲线的质量进行检查，并适时进行调整。曲线构建时我们同样不能忽视对曲面质量的及时检查和调整。 (4)构建曲面时要遵循一些基本思想，如先构建大面后建小面，同时可以用大面构建的曲面绝对不用小面拼接；另外汽车上的圆弧面，都可以认为是两个基本面间的圆角面，先构建基本平面，然后进行圆角处理； (5)在某些部位有对称要求或在多块曲面间有连续性要求时，构建基本曲面时就应考虑连续性的控制问题。

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