基于Catia的点云逆向设计

樊敏锋 杜涛 徐帆

摘 要：在汽车产品设计开发中，为了验证和评审产品的三维造型，通常按照1：1的比例制作模型，模型评审冻结后，用三维激光扫描仪扫描模型表面，获得点云。点云导入Catia软件后，通过逆向设计得到模型的表面数据，为后续结构设计、模具和检具开发，提供了数据来源。文章以某卡车的门护板点云逆向设计为例，详细阐述了逆向设计过程中的点云编辑、建模、精度分析和逆向数据质量检查的方法。

关键词：点云编辑;建模方法;精度分析;质量检查

中图分类号：U462.1  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）20-61-03

Abstract： In automotive product design and development， to verify and review 3D shape of product， Modeling according to 1：1 ratio. After model review freeze. Scanning the model surface with a laser scanner. Importing cloud point to Catia， Obtain the data of the surface of the model through reverse design. Provides data source for subsequent structural design and mold development. In this article， the cloud point reverse design of the door trim of a truck is taken as an example to elaborate the method of cloud point editing， accuracy analysis and quality inspection in the reverse design process.

Keywords： Cloud point editing; Modeling method; Precision analysis; Quality inspection

CLC NO.： U462.1  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）20-61-03

引言

隨着卡车市场的激烈竞争，卡车内外饰的更新换代不断加快，为加快产品开发速度，缩短开发周期，计算机辅助设计技术应用于产品开发中。逆向设计是根据已经存在的产品模型，反向设计出产品数据，已成为汽车产品开发过程中的重要环节。本文以某卡车的门护板点云逆向设计为例，详细阐述了点云的编辑、建模、精度分析和质量检查的方法。

1 点云编辑

点云，cloud point，通过扫描仪得到的模型外表面的点数据集合称之为点云。

1.1 点云格式

模型扫描完成后，获得点云，从扫描仪把点云输出成stl或者txt格式，这两种格式的文件可以直接在 Catia软件中打开，是常见的格式。

1.2 坐标调整

在Catia 软件Digitized shape Editor模块中通过导入命令把点云导入，导入后的点云坐标不在整车中的正确位置，要按照产品在整车中的实际位置调整点云坐标。通常按照以下方法调整，新建一个装配设计文件，把点云装配在装配设计文件中，用旋转、平移等命令调整点云的位置，当点云与实际位置接近时，从产品生成零件，新生成的点云零件，其位置基本与整车相符。为了保证点云与整车坐标完全相符，在新生成的点云上做辅助平面、直线或者圆孔等特征来约束点云与周边件的定位，确认点云位置无误后，再次从产品生成零件。

1.3 点云处理

为了保证点云表面特征清晰可见，要求把不相关的、多余的、重叠的点云删除或者隐藏，在Digitized shape Editor模块中，用提取、过滤和移除命令处理不相关的点云。对于点云表面上重要特征缺失的部位，比如安装孔、定位孔、圆角和安装平面，用填补命令把缺失的部位补上，把造型特征完整显示出来，为后续逆向设计提供保证。见图1。

1.4 点云三角化

为了更直观清晰的显示点云表面特征，通过三角化命令，把点云转化成片状点云，片状点云更能清晰的显示产品的实际特征。在三角化后的点云上构建截面线，根据零件大小，设置截面线间距为100mm或者200mm，构建两个方向的截面线，这些截面线作为后续逆向设计的参考，见图2。图2中左图是三角化后的点云，右图是带截面线的点云。

2 设计方法

点云的逆向建模主要在Catia 软件 FreeStyle模块中完成，通过构建点线面来完成。

2.1 建模思路

在建模之前，应仔细观察模型的基本特征，揣摩造型设计意图，想清楚各个特征关系后，再着手建模。总的思路是先构建基础面，再构建特征面，然后倒圆角，最后构建分缝线。

2.2 建模方法

基础面构建。一是通过空间四点构建曲面;二是通过曲线桥接曲面。本文以曲线桥接曲面为例说明。以截面线为参考，构建两条样条曲线，通过样条曲线桥接曲面，把曲面拉伸延长，拉伸延长后的曲面要覆盖点云基础特征面，用截面分析功能在曲面上切割，生成切割线，切割线是动态的，随曲面的变化而变化;调节曲面，目的是让曲面与点云贴合，用控制点调整功能调节曲面，拖动曲面控制点，曲面的形状随之改变，切割线也随之改变，通过观察切割线与截面线的拟合来判断曲面与点云的贴合情况，经过反复调节直到曲面与点云贴合。基础面是构建其他特征面的基础，要耐心仔细的调节，见图3。

特征面构建。特征面是指基础面上的凹凸、渐变、过渡等特征，其构建方法与基础面类似，只是在构建特征面的时候应多次反复调节，确保设计的曲面与模型造型特征相同和贴合。当基础面和特征面构建完成后，就获得了模型表面的初版数据，见图4。

圆角面构建。圆角面是相邻特征面的过渡面，同一个模型上的圆角有大有小，构建思路是先做大圆角，再做小圆角，即先大后小原则。根据圆角面特征长度大小，选取3-5组截面线，在截面线上建立三个点，通过三点做圆弧，观察圆弧与截面线的贴合情况，反复多次调节，直到圆弧线与截面线贴合，测量圆弧半径，求取几组圆弧半径的平均值，这个平均值即是圆角大小，见图5。

圆角面完成后，还要根据DTS（间隙面差）要求，设计分缝线，分缝线完成后，就完成了模型的逆向设计。

3 精度分析

在模型逆向完成后，为了确保逆向数据与模型的贴合情况，要进行精度分析，用距离分析功能分析逆向数据与点云之间的距离，通过分析，可以显示出數据与点云的最大距离和最小距离，以此来判断数据与点云的贴合情况，见图6。精度分析穿插在基础面和特征面的构建过程中，每构建一个面都要进行贴合检查。

4 质量检查

逆向建模完成后，要检查数据曲面质量是否满足要求，通过外形分析工具进行检查。常用检查工具包括斑马线分析、环境映射、曲面曲线连续性检查和截面分析等。通过观察斑马线或者环境映射图案检查数据表面是否有凹凸和不光顺现象，如果有以上现象，说明构建的曲面有问题，应再次调节，直到满足曲面质量要求。

5 总结

本文以门护板点云逆向建模为例，详细阐述了基于Catia的点云逆向设计的思路和建模方法，该思路和方法也适用于卡车其他内外饰产品的逆向设计。通过Catia将建立的数据与点云进行对比，确保了数据与点云的吻合度;通过检查命令，确保了曲面和曲线质量，为后续结构设计和工程设计提供了数据来源。逆向设计能够实现复杂自由曲面产品的重建和精度检测，不仅能够提高实际生产的工作效率，也缩短了开发周期，降低了生产成本。

参考文献

[1] 单岩.CATIA V5自由曲面造型.[M]北京：清华大学出版社，2004.

[2] 黄斌达.复杂曲面零件的逆向建模?数控加工及仿真的研究.[D]南昌：南昌航空大学，2011.

[3] 董三锋，吴小晴，冯兰芳.基于反求工程的汽车内饰件逆向设计.[J]机械设计与制造，2009.

[4] 陈雪芳，孙春华.逆向工程与快速成型技术应用.[M]北京，机械工业出版社，2009.

[5] 周勇强;逆向工程与覆盖件模具快速设计制造[D];武汉理工大学; 2004年.

[6] 郑颖，李健.面向自由曲面的反求工程研究综述.[J]南京师范大学学报（工程技术版），2005.