【導讀】第四章基于Pro/E的玩具汽車結構設計及虛擬裝配................50

　　

【正文】 建構曲面 利用點數據與邊界曲線建構的曲面使逆向工程特有的曲面，此構建方法中最快的一種，它有較精確的邊界控制，利用這種貼合點數據建構曲面的方式，可以很快的將自由造型的曲面建構出來。利用本功能，應注意下列事項 :必須用 4 條連接的曲線來形成曲面建構的邊界。要注意邊界曲線的平滑度，是否有扭曲現(xiàn)象。對區(qū)域內的點數據應先做好噪聲濾除與平滑化處 理，并注意變化。控制點來建構曲面，其參數應從 10 各控制點開始，逐步視情況而增加。遵循曲面簡單的原理，盡量用較少的控制點來建構 36 曲面，其參數應從 10 個控制點開始，逐步視情況而增加。建構了區(qū)塊狀的曲面后，需將曲面與曲面作邊界連續(xù)性的編輯，此時相鄰的曲面間有相同的曲面參數者連續(xù)性較好。 曲面編輯 逆向工程的軟件中的曲面編輯主要有 :曲面延伸、曲面修剪、曲面參數重新定義等，較高級的則會提供用拖拉曲面控制點編輯曲面的工具，或曲面平滑、曲面貼合點數據。 通過逆向工程得到的數據很多時候是不同格式的文件，要把這些數據拿到進 行后續(xù)操作，一種是通過第 3 種軟件把格式的文件轉換成格式文件，再把轉換后的文件輸入中。另一種是把所有操作都在其中完成。 基于 CATIA 軟件下逆向后處理 CATIA 曲面重構工具介紹 CATIA 曲面重構工具是集成于 CATIA 軟件中的專門用于逆向工程建模的工具模塊。曲面重構工具最初是響應汽車、飛機、船舶工業(yè)的要求開發(fā)的，當時汽車工業(yè)需要一個工具幫助設計諸如車身面板之類的光滑曲面?，F(xiàn)在曲面重構工具是一個完全集成于 CATIA 的一個可用于逆向工程的工具模塊，曲面重構工具是一種非參數化環(huán)境工具。它使用戶可 以專注于模型的特征區(qū)域，并使用不同的工具來獲取期望的形狀和曲面屬性。獨立幾何也是CATIA 的超級特征，為了將設計活動孤立在一個單一的特征中，曲面重構工具使用了“型特征”的概念，獨立幾何超級特征即為 37 型特征。獲取曲面重構工具時，就開始使用型特征。型特征時一個復合特征，包括所有創(chuàng)建或輸入到掃描工具中的幾何和參數。所有的輸入型特征，在其中創(chuàng)建的幾何都成為型特征的一部分。型特征的內部對象，如單獨的曲面，曲線等，在型特征外部或它們相互之間沒有父子從屬關系。這樣便可以自由操作曲面，而無需考慮型特征對象之間及模型其余部分之 間的參照和父子關系。 利用掃描工具可完成下述任務 ： 輸入、生成和過濾原始數據。 輸入幾何，包括曲線、曲面和多曲面數據。 創(chuàng)建和修改曲線。 手工或自動修改幾何 ； 幾何從后續(xù)特征收縮到型特征。 掃描工具提供了根據掃描數據建立光滑曲面的工具，根據掃描數據的特點，誤差和光滑程度的需要，基于個人的逆向工程的經驗，可以選擇基于曲線、曲面或兩者結合起來進行模型重建。 基于曲線的逆向工程 ： 首先根據數據建立型曲線，然后通過型曲線建立曲面。通過這個方法可獲得最終的曲面或獲取用于基于曲面的方法的起始曲面，這種方法在大多 數情況下，要獲取光滑曲面，只能使用掃描數據的一小部分。這通常會導至曲面和沒使用的掃描點之間存在比較大的誤差。要減少誤差，定義曲面時應使用更多的型曲線，但曲面的質量會下降。 基于曲面的逆向工程 :在基于曲面的逆向工程里，可根據常規(guī)的 CATIA 曲面和型曲面建立曲面的復制曲面，然后讓曲面 38 適應掃描數據，以獲取規(guī)定誤差內的曲面。通過增加和去除柵格線，可以提高控制曲面的光滑程度和靈活控制細節(jié)的能力。基于曲面的方法可以快速建立光滑的曲面，并控制曲面對掃描數據的偏差，使誤差最小。 平面特征 小三角平面；向幾何的 選定區(qū)域添加小三角平面的一個單獨的層；填充選定幾何的所有凹陷部分，填充需要附加體積的區(qū)域，以便定義在掃描時變模糊的邊。 [4][5][6] 打開 CATIA 的點云編輯處理特征環(huán)境，在此環(huán)境下導入掃描的玩具汽車覆蓋件的點云數據。如圖 33 所示 圖 32 點云數據導入圖 39 圖 33 點云數據編輯圖 處理后的結果如下圖： 圖 34 點云數據處理完成圖 去除噪聲點及多余的測量點 40 圖 35 點云數據除雜點圖 兩種方式來大量去除點云，如下以拉動線段來大量去除選定點： 圖 36 點云數據除雜點方法一展示圖 以所繪制線段來大量刪除點 圖 37 點云數據除雜點方法二展示圖 處理后的點云如下： 41 圖 38 點云數據除雜點完成圖 5 運用單個點拾取方式取出多余的點 圖 39 逐點去除點云雜點處理圖 處理中的圖形： 圖 310 逐點去除點云雜點過程圖 42 將處理后的圖形用三角面片擬合，觀看大體外觀 圖 311 三角面片擬合過程圖 以兩點間距離為 50mm 處理后的圖形： 圖 312 小間距三角面片擬合完成圖 以 兩點間距離為 70mm 處理后的圖形 43 圖 313 大間距三角面片擬合完成圖 由于中間部分點云缺失，造成曲面性狀不完整，并出現(xiàn)多種缺陷如下： 這對于曲面的重構設置了一個巨大的難題。 圖 314 大間距三角面片數據缺失部分圖 ，介紹曲面的做法及修剪。首先，選取控制點，即將部分點云激活，并去除雜點如下圖所示： 44 圖 315 部分點云激活圖 生成一平面，如下所示： 圖 316 平面生成圖 ，并建生成的曲面擴展，以利于后面的修剪用，如下圖所示： 45 圖 317 平面與點云擬合圖 ，如下圖所示： 圖 318 平面與另一點云擬合圖 ，如下圖所示： 圖 319 兩曲面相交圖 10．運用修剪命令進行修剪，修剪后如下所示： 46 圖 320 曲面修剪完成圖 ，總體圖如下： 圖 321 曲面重構完成圖 47 ，向內加厚 1mm，加厚圖如下： 圖 322 曲面加厚完成圖 曲率分析 所重構的曲面曲率必須變化平緩，否則加工出的曲面質量將難以保證其精 度，對覆蓋件進行曲率分析，結果如圖所示： 48 圖 323 曲面曲率分析圖（一） 圖 324 曲面曲率分析圖（二） 圖 325 曲面曲率分析圖（三） 49 圖 326 曲面曲率分析圖（四） 圖 327 曲面曲率分析圖（五） 本章小結 本章是探討逆向工程關鍵的一步，逆向工程的后處理技術。首先論述向工程處理的內容和處理的原理，然后結合大型軟件CATIA 的逆向工程功能將掃描得到的覆蓋件的點云圖處理成零件圖。通過此章的研究，可以看到逆向工程后處理的好壞將直接影響到零件重構的精度，通過 CATIA 軟件的某些功能可以完成 50 逆向工程的后處理。 第四章 基于 Pro/E 的玩具汽車結構設計及虛擬裝配 各個零部件的設計 Pro/E 是 美 國 參 數 化 技 術 公 司 ( Parametric TechnologyCorporation,簡稱 PTC)的軟件產品。 Pro/E 具有全參數化和全相關的造型技術模塊 ,在實體造型功能和方便的編輯功能方面 ,可以說是遙遙領先與其它軟件。接口上 ,Pro/E 軟件具有 IGS、 STL、 OBJ 等多種輸入輸出數據文件 ,能與 UG、 IDEAS、MasterCAM 和 CATIA 等 CAD/CAM 軟件系統(tǒng)交換數據 ,是理想的設計軟件系統(tǒng) [7]。 規(guī)則實體重構方法 （ 1）主要通過拉伸及切除材料命令來實現(xiàn)，所謂拉伸即選定一個平面，再次平面上繪制由測量量得的尺寸圖形（必須是封閉圖形）然后使用拉伸命令，控制拉伸高度，從而得到拉伸實體； （ 2）其次還通過旋轉命令來重構規(guī)則的球形實體，或是球形實體的組合及變化實體，所謂運用旋轉方法構造實體即：在選定平面繪制好草圖后，在繪制一條中心軸線，然后利用旋轉命令讓繪制的草圖繞中心軸線旋轉一定角度得到旋轉體； （ 3）除此之外，還可以用掃描、混合掃描和螺旋掃描來制作具 有特定變化特征的實體，如彈簧、鋼管等，此種方法即先繪制實體的延伸軌跡，然后再繪制界面特征，并定義變量，最后完成實體的設計 [8]。 零件設計的一般步驟 以玩具汽車中的以構件為例，來詳細說明 Pro/E 中零件的設計方法及設計過程。 51 （ 1）打開 Pro/E，新建零件，不選缺省模板，選擇中國制尺寸進入繪制三維圖環(huán)境如下圖： 圖 41 Pro/E 零件設計環(huán)境圖 （ 2）根據零件的特點，選擇相應的命令，并進行草繪，然后將其設計成三維實體，下面是以玩具汽車的零部件的設計的具體過程： （ 1）按尺寸繪制草圖，并拉伸 為平板，如下所示： 圖 42 Pro/E 零件設計步驟圖（一） 52 （ 2）運用拉伸即成殼功能生成左壁板： 圖 43 Pro/E 零件設計步驟圖（二） （ 3）運用對稱功能生成另一側壁板： 圖 44 Pro/E 零件設計步驟圖（三） （ 4）運用拉伸命令，拉伸出一規(guī)定尺寸的圓柱： 53 圖 45 Pro/E 零件設計步驟圖（四） （ 5）運用拉伸切除材料命令，切除圓柱上的部分材料，并做對稱： 圖 46 Pro/E 零件設計步驟圖（五） （ 6）切去圓柱中間的材料，并通過拉伸切除材料命令設計出下圖結 構： 54 圖 47 Pro/E 零件設計步驟圖（六） 按此原理依次制作如下實體：（舉例） 圖 48 Pro/E 零件設計 車輪圖 圖 49 Pro/E 零件設計 電機圖 55 圖 410 Pro/E 零件設計 電路板圖 圖 411 Pro/E 零件設計 支架圖（一） 56 圖 412 Pro/E 零件設計 上蓋圖 圖 413 Pro/E 零件設計 支架圖（二） 將做好的玩具飛機上蓋曲面以 igs 格式導入 Pro/E 進行實體設計后的圖像如下： 圖 414 Pro/E 零件設計 曲面重構總圖 虛擬裝 配 Pro/E 的裝配原理為六點定位原理，即：限制零件的六個方向上的自由度，從而使其達到完全定位的目的，其約束類型有， 57 如下圖所示： 圖 415 Pro/E 虛擬裝配 約束種類圖 具體操作步驟，如下所示 （ 1）新建一組件，進行裝配； （ 2）通過插入 — 元件 — 裝配，導入需要進行裝配的零件，如下所示： 圖 416 Pro/E 虛擬裝配 開啟圖 （ 3）以一輪系結構件為例來具體說明裝配過程，首先導入車輪，如下所示： 58 圖 417 Pro/E 虛擬裝配 步驟圖（一） （ 4）然后再插入支撐架，如下所示： 圖 418 Pro/E 虛擬裝配 步驟圖（二） （ 5）建立約束來限制兩者之間的相對位置，使用軸對齊，和面匹配，結 圖 419 Pro/E 虛擬裝配 步驟圖（三） 59 （ 6）接下來將另一個輪導入，并依此原理進行裝配，結果如下所示： 圖 420Pro/E 虛擬裝配 步驟圖（四） （ 7）最后將輪軸導入，實現(xiàn)輪系的整體裝配，如下圖所示： 圖 421Pro/E 虛擬裝配 步驟圖（五） （ 8）以此原理可得總的玩具汽車的裝配圖，如下所示： 60 圖 422 Pro/E 虛擬裝配總圖（一） 圖 423 Pro/E 虛 擬裝配總圖（二） 61 圖 424 Pro/E 虛擬裝配總圖（三） 本章小結 本章介紹了使用 Pro/E 進行零件設計的方法及過程，并介紹了虛擬裝配的原理及主要過程等，最后用 Pro/E 現(xiàn)了零件之間的虛擬裝配，由以上的作圖及裝配過程可以看出 Pro/E 具有強大的機械設計功能，可以提高設計的質量并縮短設計周期。 第五章 結論 本文結合逆向工程技術在玩具汽車重構中的應用，研究了逆向工程的關鍵技術及其在實際應用中需要注意的問題。主要研究工作和成果概括如下 : 在對接觸式和非接觸式測量方法的基礎上 ，分析不同測量方法的優(yōu)缺點，得出要根據工作的具體需要來選擇合適的測量設備和測量方法的結論，并應用 ATOS I 光學掃描儀高效率、高精度的完成摩托車覆蓋件的數據獲取工作。 對數據處理方法進行研究，得出逆向工程數據處理的一般流程，并應用 CATIA 軟件完成玩具車覆蓋件的數據處理工作，獲得完整、正確的