计算机辅助反求设计

作者：哈飞汽车制造有限公司 李自才

欢迎访问e展厅 展厅 1 CAD/CAM软件展厅 CAD软件, CAD/CAM, CAM, 钣金CAD/CAM, CAI, ... 摘要：本文主要论述了计算机的反求设计的概念、意义、方法，以及其应用软件的简介；并着重讨论了计算机的几何造型方法等。 关键词：计算机的反求设计 几何造型方法 当今世界科学技术迅猛发展，高科技、高质量产品层出不穷，为了发展我国的综合经济实力，提高科技水平，走科技兴国之路，因此我们有必要把发达国家的先进的科技成果，先进的产品引进来，消化吸收，改进提高或进行创新设计，进而发展我们自己的新技术，新工艺以及开发新产品，研制新课题。这一过程就是我们常常所说的反求工程。 1 反求工程中的反求设计 反求设计就是对已有的产品或技术进行分析研究，掌握其功能原理，零部件的设计参数、材料、结构、尺寸、关键技术等指标，再根据现代设计理论与方法，对原产品进行仿造设计，改进设计或创新设计。反求设计是一个国家发展科学技术及提高工艺水平的一个重要手段。日本在引进、消化、吸收方面做的尤为突出，其反求工程的应用对国家经济发展起到了重大的作用。 1.1 反求设计一般分为三种情况 (1) 仿造设计 完全按照引进产品进行设计、制造的产品，这些产品与引进产品基本相同。 (2) 改进设计 在对原产品分析研究的基础上，进行局部的改造性设计，其性能与特征基本和原产品相同，但局部性能有所改善。 (3) 创新设计 以原产品为基础，充分运用创新的设计思维与创新技法，设计、制造出优于原产品的新产品，这是最好的一种反求设计。如日本的SONY 公司从美国引进晶体管专利技术后，进行反求创新设计，研制出了我们现在使用的晶体管收音机，日本的汽车、摩托车也是如此。这样为日本成为世界经济强国奠定了基础。 2 计算机辅助的反求设计 这种方法不仅可以提高产品质量，而且还可以缩短产品的设计与制造周期，它一般包括以下几个过程： (1) 数据的采集 在反求设计过程中，数据的测绘与收集特别重要，一般利用三坐标测量仪、3D 数字测量仪、激光扫描仪、高速坐标扫描仪或其他测量仪器来测量原产品的形体尺寸以及位置尺寸，就是将原产品的几何模型转化为测量点数据组成的数字模型。 (2) 数据处理 利用计算机中的数字化数据处理系统，将大量的测量点数据进行编辑处理，删除奇异数据点，增加补偿点，进行数据点的优化、平顺等工作。如CATIA 种的CLOUD 功能就是对数据点进行处理的。其功能如下，如图所示： A. Importing Point Data(数据点的输入)； B. Analyzing the Imported Cloud of Points(云点的分析)； C. Displaying the Cloud of Points in Polyline Mode(用多元段的方式显示云点)； D. Smoothing the Point Data(云点的光顺)； E. Sampling the Point Data(云点的取样)； F. Creating a Surface(曲面的生成)。 (3) 建立CAD 模型 通过三维建模、曲线拟合、曲面拟合、曲面重构方法及理论建立相应的CAD 几何模型。 (4) 数控加工 通过数模编辑出NC 代码后，对有关数据进行刀具轨迹编程，产生刀具轨迹，进行数控加工。为了保证NC 加工质量，实现加工过程中的质量控制，CAM 系统可生成测头文件及程序，用于联机NC 检验。 3 反求设计中的应用软件 在计算机的反求设计中，应用软件由三部分组成：产品设计和制造的数值计算及数据处理模块；图形信息交换和处理的交互式图形显示程序模块；工程数据库模块。 它们的主要功能如下： (1) 曲面造型功能 根据测量所得到的离散数据点和具体的边界条件，来定义、生成、控制、处理过渡曲面与非矩形曲面的拼合能力，提供设计与制造某些由自由曲面构造产品模型的曲面造型方法。 (2) 实体造型功能 有定义和生成体素的能力及用几何元素构造法（CSG）或边界表示法（B-rep）构造实体模型的能力，并且能提供用规则几何形体构造产品几何模型所需的实体造型技术。 (3) 物体质量特性计算功能 根据产品几何模型能够计算其体积、表面积、质量、密度、重心等几何特性的能力，为工程分析和数值计算提供必要的参数与数据。 (4) 三维运动分析和仿真功能 具有研究产品运动特性的能力及仿真的能力，提供直观的、仿真的交互设计方式。 (5) 三维几何模型的显示处理功能 具有动态显示、消隐、着色浓度处理的功能，解决三维几何模型设计的复杂空间布局的问题。 (6) 有限元网格自动生成功能 用有限元方法对产品结构的静态、动态特性、强度、振动进行分析， 并能自动生成有限元网格和供设计人员精确研究产品的结构。 (7) 优化设计功能 具有用参数优化法进行方案优选的功能。 (8) 数控加工的功能 具有在数控机床上加工的能力，并能识别、数模刀具轨迹及显示加工过程的模态方针。 (9) 信息处理与信息管理功能 实现设计、制造和管理的信息共享，达到自动检索、快速存取及不同系统的信息交换与输出的目的。 4 系统应用软件的简介 CATIA 是法国达索系统公司与美国IBM 公司联合开发的工程应用软件，集自动化设计、制造、工程分析为一体，应用在机械制造与工程设计领域。具有原理图形设计、三维设计、结构设计、运动模拟、有限元分析、交互式图形接口、模块接口、实体几何、高级曲面、绘图、形象设计、数控加工等多项功能，特别是采用1-15 次Bezier 曲线、曲面和非均匀有理B 样条计算方法，具有很强的三维复杂曲面造型功能和编程加工能力。 基本模块的主要功能： 1) 产生立体、透视或用户定义的视图。 2) 进行几何平移，三维旋转，比例变换，静态和动态消隐。 3) 模型或几何元素的组合与覆盖。 4) 几何的多组处理与图像处理。 5) 进行模型和文件管理、用户界面及显示管理，与外设连接等。 6) 三维设计。具有产生、修改和分析三维线框及曲面几何的能力；用点、直线、曲线、样条和平面构成线框曲面；产生一系列网格点生成的网格曲面；对线框及曲面元素进行修改，对曲面进行布尔运算；对Bezier 控制点进行操作，改变曲线、曲面形状；对曲面进行装配，构成确切的体积；对所有曲面能进行加工编程。 7) 结构设计。生成平面和三维结构件。 8) 原理图。快速定义逻辑图、流程图。 9) 运动学。构成二维、三维线框、曲面和实体构成的运动机构；模拟机构的运动状态，进行运动分析；提供20 多种运动机构组成的任意机械结构。 10) 有限元分析。 由CATIA 的实体生成有限元分析模型；生成网格模型；提供MSC/NASTRAN 和ANSYS 有限元分析软件接口程序。 11) 接口模块。提供CADAM 软件双向接口程序。 12) 交互式图形接口。提供用户在CATIA 环境下开发应用功能的交互工具。 13) 实体几何。提供设计、修改和分析实体的快速有力工具；设计与制造能力结合在一起。 14) 高级曲面。进行参数化曲面设计和曲面/实体的集成；能处理Bezier，Coons，NURBS 数学表达式表示的曲面；自动展开三维直纹曲面；在两曲面之间产生过渡曲面；能对曲线、曲面进行修改、控制、剪裁。 15) 绘图。具有二维和三维绘图功能，尺寸标注功能。 16) 影像设计。产生光滑、有明暗度的高质量的三维几何图像；能交互输入图像参数，定义多种色彩广元，环境光源等；应用三维纹理生成部件的真实图像；在曲面上进行数控刀具分析，提供像素交换标准借口。 17) 建库。存储和检索图素、二维或三维元素、数控机床、参数化几何等；快速建立和修改图形库。 18) 数控机床。输出APT 文件和刀位文件；对刀位轨迹进行仿真；选择不同的数控加工机床。 19) 机器人。通过图像显示定义和模拟机器人；产生运动轨迹；模拟柔性制造系统。 5 计算机辅助几何造型方法 几何造型是CAD/CAM 系统的核心技术，也是实现计算机辅助设计与制造的基本手段。常见的计算机辅助几何造型主要包括：线框造型、曲面造型、实体造型、特征造型。 用户可根据计算机应用软件提供的界面选择几何造型技术，输入产品的数据，在CAD/CAM 系统中建立物体的几何模型并存入模型数据库，以备使用。 (1) 线框造型 线框造型由一系列空间直线、圆弧和点组合而成，在计算机中形成三维影像，描述产品的外形轮廓，用线框建立的物体几何模型，只有离散的空间线段，没有实在的面，所以比较容易处理，但几何描述能力较差，不能进行物体的几何特性计算。 (2) 曲面造型 它能对给出的一系列离散点数据进行逼近、插值、拟合而构成曲面，为形体提供了更多的几何信息，可自动消隐，产生明暗图、计算机表面积、生成数控加工轨迹。 (3) 实体造型 是以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等基本体素为单元体，通过集合运算生成所需要的真实、唯一的三维几何形体。实体造型可以对复杂的机械零件进行几何造型，提供完整的几何、拓扑信息，在CAD/CAM 系统中的作用日渐广泛。 (4) 特征造型 特征造型包括几何、拓扑、尺寸、公差、加工、材料、装配等与产品设计、制造相关的系统。目前线框造型、曲面造型、实体造型功能只能提供支持产品的几何性质描述，不能充分反映设计意图和制造特性。而特征造型不但能定义产品的几何形状而且能描述公差、表面处理、表面粗糙度、材料信息，是实现CAD/CAM 的理想途径。由于特征识别的难度较大，目前的特征识别系统仅是初级的，还有待于发展。 6 反求设计中的CAD 技术的作用 6.1 CAD 技术的特点 它具有强交互性，计算机在设计过程中需要不断与设计者交流，反馈设计信息，输入设计思维，直至完成产品设计。高效率，可以加快设计的计算速度，快速绘图；设计规范，质量高；能够快速进行产品的修改、变形、系列化；设计可视化；资源可以共享；CAD 技术具有智能化，网络化；CAD 技术具有集成化（CIMS）；设计人员可以利用计算机进行运动分析、动力分析、应力分析、数控加工等；CAD 技术具有建模参数化功能，如新的建模方法有虚拟场景建模、图形图像融合建模等。 反求设计中的几何造型技术是最关键的部分，几何造型技术是计算机图形学在三维空间的实际应用。离散造型和曲面造型是两种主要的几何造型方法。离散造型采用离散的平面来表示曲面，通过设定离散化精度，可以控制及和造型拟合真实物体的程度。离散造型技术方法简单，但由于曲面离散化后，面数急剧增加，这样增加了系统的数据量，占用了大量的存储空间，并对特定的元素类型需要有特定的离散算法，因此在应用上有一定的局限性，通常它与其他方法混合使用。 曲面造型方法：曲面生成以曲线参数化为基础，曲线的构成非常重要。 6.2 下面是几种自由曲线构造方法 (1) Bezier 曲线 具有对称性，若保持原Bezier 曲线的全部顶点位置不变，只是把次序颠倒过来则新的Bezier 曲线形状不变，只是走向相反。 (2) B 样条曲线 当移动一个顶点时，只是对其中一段曲线有影响，并不对整条曲线有影响。 (3) 均匀有理B 样条曲线（NURBS） 当移动顶点时，仅局部发生变化。 6.2.1 参数曲面 (1) 矩形域上的参数面片 由曲线边界包围具有一定连续性的点集面片。 (2) 常用曲面片 矩形域的平面篇。球面。回转面。 (3) Bezier 曲面 可使用两组正交的bezier 曲线来设计由控制点网格表述的物体表面片。 (4) 线性COONS 曲面 线性COONS 曲面是通过四条边界曲线构成的曲面片。 (5) 张量积曲面 定义边界切矢所用的调和函数与构造原来曲面方程时所用的调和函数相同，此时曲面片完全由四边形域的角点信息的矩阵来确定，这种类型的曲面叫张量积曲面。 另外还有B 样条曲面，非均匀有理B 样条（NURBS）曲面。 7 结束语 通过反求设计的研究，我们可以利用先进的CAD 技术进行消化、吸收工作，这样就可以把我们的制造技术、工艺技术上升到一个新的台阶，为创新设计奠定坚实的基础。 参考文献 1 哈工大《CAD/CAM 技术》。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/13/2005)