【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)據(jù)的數(shù)字化外形編輯器，以及后續(xù)重建曲面的快速曲面重建模塊、在點云數(shù)據(jù)上直接造型的外形雕刻，還有產(chǎn)品結(jié)構設計過程中普遍應用的創(chuàng)成式外形設計等模塊。 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 7 圖 形狀 圖 所示，“分析與仿真”子菜單中包括可變形裝配的公差分析、網(wǎng)格劃分工具和對零件和裝配件進行強度分析等模塊。 圖 分析與仿真 圖 所示，“ AEC 工廠”子菜單中包含工廠布局模塊。 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 8 圖 AEC工廠 圖 所示，“數(shù)控加工”子菜單中包括兩軸加工、兩半軸加工、曲面加工、高級曲面、加 工檢查和快速原型等模塊。 圖 數(shù)控加工 圖 所示，“數(shù)學模型”子菜單中包含許多 DMU 模塊，如數(shù)字樣機漫游器、檢沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 9 查數(shù)字樣機尺寸和干涉的空間分析模塊、運動機構仿真模塊和拆裝模擬等模塊。 圖 數(shù)學模型 圖 中可以看到，“設備與系統(tǒng)”子菜單中有許多設備與系統(tǒng)模塊，如電路板設計等模塊。 圖 所示，“加工的數(shù)字流程”子菜單中包括用于加工流程的公差與標注。 圖 所示“人機工程學設計與分析”模塊包括人體測量編輯器、人體行為分析、人體建模和人體姿勢分析。 圖 所示，“知識工程”，是 CATIA V5 的 精髓之一。知識工程包括知識顧問、知識專家、產(chǎn)品工程優(yōu)化器、產(chǎn)品知識模板、業(yè)務知識流程模板、產(chǎn)品功能優(yōu)化和產(chǎn)品功能定義。 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 10 圖 設備與系統(tǒng) 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 11 圖 加工的數(shù)字流程 圖 人機工程學設計與分析 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 12 圖 知識工程 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 13 3 CATIA 逆向工程建?；A CATIA 曲面的逆向重構 一半而言，產(chǎn)品外形的 CAD 模型是由多張不同幾何形狀的曲面經(jīng)過延伸、過渡、裁剪等處理混合而成，而每一種曲面都有其特性和生成方式。因此，在應用逆向工程技術重構出產(chǎn)品的原 CAD 模型的過程中，單純的使用某種曲面生成方法是無法完成 整個模型的重構，應根據(jù)此產(chǎn)品外形的幾何特性，選擇適當?shù)奶幚矸椒?，方可較好地得到原產(chǎn)品的幾何形狀，以滿足產(chǎn)品外形的幾何特性。產(chǎn)品的逆向曲面重構的過程如下圖 所示。 圖 曲面重構流程 可見，在曲面重建的過程中，了解一些曲面生成的方法及數(shù)學原理，可以加快曲面重構的進程。這里的分類是應用層面上的，不是數(shù)學或?qū)I(yè)的分法，主要是日常工作常用的一些曲面生成方法。 曲面造型分兩種方法，一是曲線構造曲面；二是由曲面派生曲面。 由曲線構造曲面的方法 （ 1） 旋轉(zhuǎn)曲面：一輪廓曲線繞某一軸線旋轉(zhuǎn)某一角度而生成的曲面。 （ 2） 線性拉伸面：一曲線沿某一矢量方向拉伸一段距離而得到的曲面。 曲面分割 選擇合適的造型方法生成曲面 曲面質(zhì)量評估（精度、光順性） 曲面裁剪、生成外表面 外表面光順性評價 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 14 （ 3） 直紋面：多條線沿某個方向（ U 或 V）構成面。由于同時用到幾條線，且生成曲面時，把相鄰兩曲線參數(shù)數(shù)值相同的點用直線段連接而得到曲面，所以，這些的排列距離和均勻程度對結(jié)果影響很大。 （ 4） 掃描面：截面發(fā)生曲線沿一條、二條、或三條方向控制曲線運動、變化而生成的曲面?？筛鶕?jù)各發(fā)生曲線與脊骨曲線的運動關系，把掃描面分為平行掃描曲面、法向掃描曲面和放射掃描曲面。由于這種造型方法只需指定運動 對象及其運動軌跡，方法簡潔、高效，因此，許多商用造型系統(tǒng)都有這種造型功能。掃描法在生成復雜形狀的曲面和實體的幾何造型系統(tǒng)中具有很強的造型功能。掃描曲面涵蓋的范圍很廣，從簡單的平面到不同截面所組合而成的曲面等，都能用掃描曲面來表示，工業(yè)產(chǎn)品的外形絕大多數(shù)是由一般形狀簡單的曲線或曲面所組成，因此，這些曲面大部分都能表示成掃描曲面。 由曲面派生曲面的方法 （ 1） 等半徑倒圓曲面：一定半徑的圓弧段與兩原始曲面相切，并沿著它們的交線方向運動而生成的圓弧形過渡面。 （ 2） 變半徑倒圓曲面：半徑值按一定的規(guī)律變化的圓弧 段與兩原始曲面相切，并沿它們的交線方向運動而生成的圓弧形過渡面。 （ 3） 等厚偏移曲面：與原始曲面偏移一均勻厚度值的曲面。 （ 4） 變厚度偏移曲面：在原始曲面的角點處，沿該點曲面法矢量方向偏移給定值而得到的曲面。 （ 5） 混合曲面（橋接曲面）：在兩個（或多個）分離曲面的指定邊界線處，生成一個以指定邊界為生成曲面的邊界線，與所選周圍原始曲面圓滑連接的中間曲面。 （ 6） 延伸曲面：在曲面的指定邊界線處，按曲面的原有趨勢（或某一給定的矢量方向）進行給定條件的曲面擴展而生成的曲面。 （ 7） 修剪曲面：把原始曲面的某 一部分去掉而生成的曲面。 （ 8） 拓撲連接曲面：把具有公共邊界線的兩個曲面進行拓撲相加后的曲面。 對不規(guī)則的自由曲面在 CATIA 中由貝塞爾曲面（ FS 自由曲面造型模塊）和 B 樣條曲面（包括非均勻 B 樣條曲面 NURBS 曲面， GSD 通用曲面造型模塊）兩種不同的定義形式。由于貝塞爾曲面和樣條曲面以四邊面為基礎，所以對三邊面或多邊面的處理沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 15 將是 CAD 軟件處理的難點，如 Imageware 通常采用過渡曲面的方法，而 CATIA 可以對此類曲面的直接處理也可以得到很好的效果，也可以看出此軟件的曲面造型功能的強大。 CATIA 逆向工程 建?；玖鞒? 一般產(chǎn)品的建模應該滿足下面產(chǎn)品設計的主要的要求： ①數(shù)學模型的精度誤差滿足用戶可交付使用； ②曲面內(nèi)在的質(zhì)量要求，如曲面的連續(xù)性要求，光順性要求等； ③曲面連續(xù)過渡的質(zhì)量要求，如不能出現(xiàn)尖角等； ④過渡曲面的流動路徑要求； ⑤曲面或局部協(xié)調(diào)性和對局部特征分界的合理性； ⑥工程制造標準的要求； ⑦模具拔模的工程制造符合性要求； ⑧設計、質(zhì)量和驗證審核的可行性； CATIA 逆向工程是工程建模的一種方法，生成的數(shù)學模型也應符合一般產(chǎn)品建模的基本要求，產(chǎn)品設計和檢驗流程遵循逆向工程建模的一般過程，如下 圖 圖 逆向建模一般流程 掃描點云 特征線 面 實體模型 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 16 CATIA 逆向工程的特點 由于 CATIA 軟件強大的集成優(yōu)勢， CATIA 逆向各模塊的相互結(jié)合，使得 CATIA 逆向工程有自己的特點。 ①點及點云數(shù)據(jù)處理的高效率。 ②可以構建 Class A 曲面。 ③可以根據(jù)需要快速構建 Class B 曲面。 ④ GSD 模塊曲面功能強大，并可進行可行性分析。 ⑤多樣化檢測工具（曲率分析、連續(xù)分析、距離分析）。 ⑥三角網(wǎng)格曲面直接進行 3 軸加工。 ⑦以 DMU SPA 對數(shù)位模型進行空間干涉檢測。 CATIA 用于 逆向工程的主要模塊功能簡介 從 CATIA 逆向工程中，用于逆向工程中的模塊主要有： DSE（數(shù)字編輯器）模塊；QSR（快速曲面重構）模塊； GSD（通用曲面造型）模塊。 DSE數(shù)字編輯器模塊 （ 1） 此模塊在 CATIA 逆向工程中的主要功能 導入點或點云數(shù)據(jù)。 預處理點云數(shù)據(jù)包括點云的過濾、刪減、空洞修補、對齊、合并等。 點云三角面片網(wǎng)格化。 點云剖面生成掃描線。 誤差檢測。 （ 2） 此模塊應用流程 點資料的整理，為曲面重構做準備。 三角網(wǎng)格曲面劃分后可直接進行 3 軸加工或快速成型。 點云與重構的曲面做誤差分析檢測和控制。 三角網(wǎng)格曲面劃分后可直接進行 DMU 空間分析檢測。 QSR快速曲面重構模塊 （ 1） 此模塊在 CATIA 逆向工程中的主要功能 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 17 應用快速曲面重構模塊及數(shù)字編輯器可以快速、輕易的重構精準曲面 （ 2） 此模塊應用流程 重構可編輯的高精度曲面。 劃分三角網(wǎng)格面片提取適用的曲面區(qū)域。 以特征邊界與局部點云重建自由曲面區(qū)域。 辨別及重構基本幾何曲面。 品質(zhì)檢測及誤差分析。 GSD通用曲面造型模塊 （ 1） 此模塊在 CATIA 逆向工程中的主要功能 將數(shù)字編 輯器或快速曲面重建模塊提取或生成的特征線或線框，在 GSD 模式下重新構面，生成高精度和高質(zhì)量的曲面。 （ 2） 此模塊應用流程 根據(jù)做好的特征線或線框，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構，構造曲面。 對部分細節(jié)優(yōu)化。 裁剪、合并生成高品質(zhì)的曲面。 誤差檢測。 由上可知，在設計過程中，并不是所有的點都是需要選取的，因為，在確定曲面的控制曲線時，需要找出哪些點或線是有用的，哪些點或線是細化特征的，在以后設計中要用到。在選點時，盡量選擇質(zhì)量好的且能反映此部分特征的點或線，然后對其造型。 在對引擎蓋進行逆向設計時，其建模方法和工藝分析是首要工作是設計順利進行的保證。 引擎蓋的建模方法 引擎蓋的建模方法有兩種即整體法和對稱法。 （ 1） 整體法就是對引擎蓋的整個點云進行處理，然后在對這些點云進行壞點剔除、勻化、橫截面，勾勒出零件原型的特征輪廓線，再通過這些輪廓線構建曲面，最后進沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 18 行結(jié)構及機構設計，完成設計。其優(yōu)點是不需要后期進行分割等操作，整體成型，曲面間的結(jié)合少，生成實體零件時較容易，但其缺點是工作量大，產(chǎn)品的對稱性不能滿足要求。 （ 2） 對 稱法就是對零件的一半點云進行處理，其方法和整體大致相同，不同點就是要找到一個合理的對稱面，采用對稱的方法構建整個曲面。其優(yōu)點是工作量小，得到的零件對稱性好，其缺點是對稱面不容易找到，對稱后的零件精度差。 （ 3） 綜合兩種方法的有缺點，通過自己的嘗試，最終我選擇了對稱的方法。 引擎蓋的工藝分析 （ 1）汽車的覆蓋件是 A 級曲面，所以引擎蓋不僅要滿足機構上的需要還要滿足美觀的需要，表面質(zhì)量要求較高。為了防止多次拉伸可能帶來的表面質(zhì)量破壞和下降，本覆蓋件采用一次拉深。 （ 2）材料的選擇 目前車身一般采用低碳鋼，一般用 厚度 ～ 的冷扎鋼板 ,含碳量相當于 8～ 10 號鋼，抗拉強度 270MPa,這類鋼板即車身常用的普通鋼板。關于汽車外板，熱鍍鋅板應用越來越廣泛，熱鍍鋅產(chǎn)品成本上的優(yōu)勢，比電鍍鋅產(chǎn)品便宜10％～ 20％， 質(zhì)量上表面質(zhì)量可與冷軋板和電鍍鋅板相媲美，力學性能可以與冷軋鋼板媲美。關于鍍鋅層的厚度，現(xiàn)在似乎沒有統(tǒng)一的標準，一般在 812um，這是根據(jù)歐洲的 12329 標準標注的，要求鋅層厚度是 8 微米，鍍鋅的目的是保護下層的金屬不受腐蝕 ,太薄的話針孔會更大和更多 ,太厚的話可能會影響到結(jié)構尺寸 ,最好是8~~12um,當然絕對要大于 8um。 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 19 4 汽車 發(fā)動機蓋板逆向數(shù)字建模過程 進入 CATIA 用戶界面如下圖 所示： 圖 讀入點云數(shù)據(jù)：可讀入不同類型的點云數(shù)據(jù)，此次建模的數(shù)據(jù)類型為一個由計算機掃描儀產(chǎn)生的 ASC 點云數(shù)據(jù)。 第 1 步：進入 CATIA 中的 DSE 數(shù)字編輯器模塊。 第 2 步：