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1、汽车零部件的参数化逆向设计前言早期设计师在进行产品的造型设计时，所采用的方法主要是正向设计法；这是一个从概念设计起步到CAD建模、数控编程、数控加工的过程，产品造型设计的正向设计流程示意：概念设计 CAD/CAM系统 制造系统 新产品。但对于复杂的产品，正向设计方法显示出了它的不足，设计过程难度系数大、周期较长、成本高、不利于产品的研制开发，因为设计师无法完全预估产品在设计过程中会出现什么样的状况，如果每一次都因为一些局部的问题而导致整个产品推到重来，不管从时间上还是从成本上都是不可接受的。如果有方法改正在正向设计过程中所产生的局部问题自然是两全其美的事，正是在这样的背景下自然发展并形成了逆向
2、设计的方法。逆向设计通常是根据正向设计概念所产生的产品原始模型或者已有产品来进行改良，通过对产生问题的模型进行直接的修改、试验和分析得到相对理想的结果，然后再根据修正后的模型或样办通过扫描和造型等一系列方法得到最终的三维模型。汽车零部件产品的逆向设计，目前多采用三坐标测量仪得到零件主要特征的高精度尺寸,建立简单的线框模型;或利用激光扫描仪获得零件表面的点云,以基于边或基于多边形面的方法在三维CAD软件中对点云进行数据分块,再通过分块数据完成曲线或曲面的拟合,得到若干小曲面片,将这些曲面片通过拼接得到物体的各个面,从而重建出产品的数字化CAD模型。下文将介绍利用Geomagic Studio和C
3、ATIA VS在逆向设计中实现自动化操作,并获得完整的参数化模型的方法和具体过程2、汽车零部件逆向设计中的参数化方法Geomagic Studio是应用最广泛的逆向工程软件之一,其优势在于点云和多边形(三角面片)的快速前处理,以及基本曲面的拟合,它还能将所拟合的参数化曲面信息直接发送到常用的CAD软件中作进一步的修改因此,研究者在进行汽车零部件产品的逆向参数化设计时,可以使用Geomagic Studio进行点云的快速处理并以批处理方式完成曲面的参数化拟合,然后导入CATIA VS中对曲面完成后续的加工修剪封闭实体等工作,最终得到参数化的零件实体具有规则表面的零件的逆向三维设计过程如图1所示其
4、中,左侧为在Geomagic Studio中进行点云的前期处理参数化曲面的拟合;右侧则为导入CATIAVS后的处理步骤图1汽车零部件的逆向参数化设计过程3、汽车零部件参数化逆向设计方法示例以某轻型发动机气缸盖罩的逆向三维设计为例,利用激光扫描仪进行逆向扫描,利用Geomagic Studio 12进行点云预处理和简单曲面拟合,然后在CATIA VS中完成零件设计的过程由于气缸盖罩上的曲面多为规则曲面,可在Geomagic Stu-dio下对点云进行快速识别和拟合根据逆向扫描的点云进行参数化设计,需要在Geomagic Studi中经过前处理(多边形阶段)参数化曲面导入CATIA VS,以及在C
5、ATIA VS中生成参数化实体模型等几个阶段3.1逆向扫描用三维激光扫描仪对该轻型发动机气缸盖罩进行逆向扫描扫描前,应先将零件表面清理干净为了保证激光扫描仪的接收器能充分接收到零件表面反射的激光,应在黑色表面或光洁表面上喷涂能产生漫反射的白色粉剂(喷显影剂,也称喷粉);并在曲面平缓的地方无规律的贴上参考点(贴Marke:点,也称贴点),为扫描仪提供定位参考,利于提高扫描精度和速度己经完成了喷粉和贴点工作的气缸盖罩实物如图2所示,该零件表面主要由平面圆柱体和各种孔特征组成,其中白色圆点为贴上去的Marker点图2某轻型发动机气缸盖罩实物激光扫描的过程中,应尽量使扫描仪器始终垂直于扫描表面,并保持
6、适当的扫描速度,从而保证所得点云的质量点云数据的精确性和完整性也就决定了三维模型的精度不同的扫描效果的点云对比如图3所示(点云己经在Geomagic Studio中转换为多边形对象)从图3中可见,下图的扫描质量较差,很多特征无法识别,不少特征残缺不全,即便拟合成曲面,其参数也不可信;而上图则非常完整,为逆向设计奠定了良好的基础图3扫描质量对比3. 2点云的前期处理扫描所得点云包含有诸多的噪音点,以及因为漏扫或者其他原因而产生的孔洞,需要对点云进行裁剪和修理在Geomagic Studio中打开点云数据文件,将自动生成多边形对象,后续对点云的各种操作都是通过对多边形的操作来实现的在“多边形”的R
7、ibbon页下,提供了多种处理工具,例如使用“删除”和“简化创建流形,“裁剪”等删除噪音点,使用“松弛,“删除丁状物,镇充单个孔”等进行修补,其中最为便捷的是“网格医生”的修补功能,它将各种修补功能集中在一个界面下,以批处理的方式自动完成大部分的修补工作2. 3参数化曲面的建立在“参数曲面”的Ribbon页下,执行“参数曲面”,多边形对象将被转换为参数曲面。接下来执行“探测区域”命令,探测出的区域如图4所示,软件将使用不同颜色标示几何相似的区域,各区域之间以红色分隔符和黄色轮廓线分隔开每个区域将在拟合时转换为一块单独的参数化曲面,因此,区域的合理划分至关重要;研究者可以在执行“编辑轮廓线”的命
8、令后,对区域的边界形状进行调整(包括合并或删除区域),编辑轮廓线如图5所示另外,也可以从“区域分类”中直接指定某区域的点云将拟合的曲面类型,降低误差,这对于点云质量不高的区域尤为实用然后执行“拟合曲面”功能,使用鼠标划过部分或全部区域,软件将对被划过的区域自动识别出相应的参数化曲面通过使用“拟合连接“分类连接”则可生成两个参数曲面之间的过渡面(如倒角连接面等特征)初步拟合完成的曲面如图6所示,不同的曲面由轮廓线分隔开,鼠标单击其中某块曲面,该所选曲面将以橙色高亮显示Geomagic Studi通过内置智能程序可以快速提取设计意图并创建优化CAD曲面,它可以根据三角网格自动拟合出平面柱面等各种基
9、于草图的规则曲面或其他自由形状曲面,也可以自动提取扫描曲面旋转曲面和挤压面的优化的轮廓曲线直接转换为三维CAD的参数化建模由于点云误差等各种原因,可能所拟合的曲面并非所期望的曲面类型,此时,可以通过“编辑草图”“编辑曲面“修复曲面”等各种功能进行调整修改“修复曲面”功能的界面如图7所示图4探测出的区域图5编辑轮廓线图6初步拟合的曲面图7“修复曲面”功能界面2. 4参数化曲面导入CATIA VS在Geomagic Studio中完成了曲面的拟合后,执行“参数曲面”页面下的“参数交换”功能,可将曲面导入CATIA VS中Geomagic Studio软件提供了与Inventor, Pro /E,S
10、olidworks, CATIA VS这4种软件的参数交换接口。执行参数交换操作时,需要同时打开GeomagicStudio和CATIA VS软件选定了要交换的曲面后,只需要一键操作,Geomagic Studio就会将曲面信息发送到CATIA VS中在将曲线和曲面发送到CATIA VS时,Geomagic Studi提供了“自动裁剪和布尔运算”“尝试创建实体”,以及草图相关的各种选项,可以根据点云范围对所拟合的曲面进行裁剪分割等操作,这将显著缩减导入CATIA VS后的曲面加工的工作量和时间消耗2. 5参数化实体模型的生成导入CATIA VS的参数曲面如图8所示为了便于对比和参考,可在CAT
11、IA VS的DSE中导入点云,在创成式曲面设计(GSD)和零件设计(PDG)中进行曲面和实体特征的重建由于零件的大多数特征都己经建立了相应的参数化曲面特征,只需要利用加厚封闭实体等功能转化为实体模型即可少部分特征需要手动创建,但工作量己经大大缩减完成重建后的最终的实体模型如图9所示图8导入CATIA中的参数化曲面与点云图9最终完成的零件模型3、结论本文介绍了联合使用Geomagic Studio和CATIA软件对汽车零部件的逆向设计方法。可以看到，采用逆向设计的方法所得到的产品模型，因为是有实际的模型参与各种试验，因此得到的结果相对于概念化推算和电脑虚拟模拟更接近真实，从而能迅速找到并确定产品的正确形态，缩短产品开发周期。逆向技术在汽车设计上应用广泛,尤其是在进行新产品开发时,对于外车身和内饰等外形，主要以自由曲面为特征的零部件的设计,遵循A级曲面标准的逆向设计己经成为标准解决方案如今，掌握一种逆向设计软件已变得尤为重要。第 8 页 共 7页
