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摘 要：拖拉机覆盖件的外形轮廓复杂、结构尺寸大，采用传统的正向设计方法存在设计周期长、精度低、修改量大、各部门之间不能良好协调合作等缺陷。逆向设计是与正向设计相对的一种产品数字化开发方法，可以有效解决以上问题，是消化、吸收先进技术的重要手段，尤其适合复杂外形曲面的设计，具有设计速度快、质量高等优点。基于此，本文主要对拖拉机覆盖件的逆向设计方法进行分析。
关键词：拖拉机覆盖件；逆向设计方法
中圖分类号：S219 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）11-0172-02
前 言
用常规的正向设计方法进行覆盖件设计，存在着周期长，修改量大、模具投入存在风险等问题，另外，因为在图纸上或在计算机里的表达不是特别直观，容易造成产品开发的大量返工，甚至失败。针对上述问题采用逆向工程技术作为解决方案，并成功的运用到轮式拖拉机覆盖件的开发，并取得了很好的经济和社会效益。
1 拖拉机覆盖件的逆向设计思路
逆向工程是指在没有设计图纸的情况下，按照现有模型，利用各种数字化技术及CAD技术重新构造原始CAD模型的过程。在本案例的具体操作中，我们首先根据用户的要求在计算机上用三维造型软件做出整机的效果图，经过评审和修改后用于做油泥模型的参考；然后在车身实物上制作1：1油泥模型，并按照冲压等制造工艺的要求进行分块，然后评审模型外形和分块方案；利用测量设备采集物理模型的外表面数据，生成三维几何点云数据。数据采集由无接触激光仪扫描仪Comet250扫描得到。点云数据的预处理在集成了点云拼合、过滤、降噪、网格化等功能的CATIA软件平台中完成。处理后的点云经数据传输接口导入逆向造型软件CATIA中完成曲线、曲面重构及曲面品质的检测。限于篇幅，我们以拖拉机轮罩的逆向设计为例，介绍逆向工程在拖拉机覆盖件开发中的应用过程。
2 拖拉机覆盖件逆向设计
2.1 点云数据预处理
原始点云数据量大且存在噪声点，不仅不利于曲面重建，也会影响重建模型的质量，因此必须对原始点云进行处理。点云预处理主要包括点云过滤、点云删除等内容。通过点云过滤可以降低点云数量、去除噪声点。通常情况下，点云过滤后即可满足设计要求，对于那些不能过滤掉的坏点，需要对其手动删除。CATIA软件有两种点云过滤的方法：公差球法和弦高差法。公差球法适用于规则点云的局部模型处理。弦高差法能够使曲率变化小的地方过滤较多的点，而曲率变化大的地方过滤较少的点，从而使点云的特征更加明显。
2.2 点云网格化及分块
点云网格化处理及点云铺面是为了提高点云的可视性，便于曲面分块及曲面重建。网格面分块是重建曲面的基础，曲面块的合理划分，不仅可以节约造型设计的时间，而且能提高重建曲面的质量，在CATIA中利用基于曲率的方法对拖拉机轮罩进行曲面分块。
2.3 曲面重建
曲面重建是逆向设计的关键环节，是产品结构设计、加工制造、产品再设计等后续工作的基础。CATIA中曲面重构的方法有三种：①点到面。点到面的方法就是直接建立满足对数据点的最小二乘拟合的曲面。此方法的特点是方便、快捷，对点云的质量要求较高，适合构建外形简单的曲面。②点到线再由线到面。先由点云数据拟合成构成曲面的样条曲线，再利用CATIA逆向软件系统将样条曲线经过放样、混合、四边形、扫掠等操作重建曲面。此方法构建的曲面质量较高，适用于曲率变化小的曲面及规则曲面的构建。③点线结合构建曲面。先利用第2种方法构建点云数据的边界曲线，然后以边界曲线作为约束，利用第1种方法把剩余点云拟合成曲面，此方法已成为最常用的曲面构建方法。
在分块重建曲面的过程中，要根据各个曲面的特点综合运用以上3种曲面构建方法。在重建曲面时，应首先构建大曲面和可以在快速曲面重建模块直接拟合的基本面，然后再重建那些小曲面。对于曲率变化不大的圆弧面，可以对构建好的曲面进行相交、切割及圆角处理来实现。
2.4 曲面品质分析
在模型重建过程中，要实时地对重构的曲线及曲面进行评价及优化处理，才能保证获得理想的模型。曲面不光顺的原因通常有组成曲面的曲线不光顺、构成曲面的曲线不合理及构建曲面的方法不合适。曲面的光顺处理通常是与曲面的光顺检查结合进行的。在分析曲面光顺性的基础上，寻找其不光顺的区域和原因，调整曲面的关键曲线、控制曲线或引导线，重新构建曲面，以此反复，直至曲面光顺为止。
CATIA中常用的曲面光顺性评价方法有曲率分析法、反射线法、等照度线、等截面曲率分析法、斑马线法等。图1所示为利用曲率检查法对重构曲面的光顺性分析，可见，曲面纵向和横向两个方向的曲率光顺，因此曲面的光顺性基本满足要求。曲面精度分析是对重构曲面与点云数据之间距离的分析，重建曲面的精度分析如图2所示，最大值与最小值的绝对值均在1mm之内，平均误差较小，满足设计要求。曲面的精度与曲面的光顺性是两个相互矛盾的指标，在应用时可根据设计要求侧重其中一方。
2.5 曲面检测与调整
逆向工程中，曲面的品质主要包括光顺性与重合度两个方面。采用斑马线（等光亮度曲线）（高光线）检测法对曲面光顺性进行检测，该方法是由日本丰田汽车公司开发出来的，简单直观一目了然，它的检测原理是：向被检测的曲面上投射一束光线，计算机能根据被检测曲面的形状及曲率的分布情况，生成一族能确定被检验曲面特性的斑马线。
经过检测之后，如果曲面的光顺性和重合度都得不到保证，则需要重新调整曲面的控制点，调整过程大致分成以下三个步骤：①寻找坏点，并修改坏点的坐标值，使曲面的变化保持一致。②粗光顺，使曲线的曲率符号一致，并保证曲面的局部单凸性或单凹性。③精光顺，使曲线上各段的曲率变化均匀，满足光顺要求。
3 结 语
利用CATIA软件集成逆向设计的优势，通过对拖拉机轮罩点云数据的预处理、曲面重构、曲面品质分析及评价，实现了拖拉机轮罩模型的数字化，并对重建的曲面模型进行了有限元分析，结果表明，所构建曲面模型可满足设计精度及光顺性要求。
参考文献
[1]王永辉.CATIAV5在汽车零件逆向开发中的应用[J].现代制造工程，2006（1）：113～115.
[2]胡爱军，谢金法，苑绍志.CATIA在逆向工程中的应用[J].河南科技学报：自然科学版，2004，25（4）：58～61.
收稿日期：2018-3-15
关键词：拖拉机覆盖件；逆向设计方法
中圖分类号：S219 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）11-0172-02
前 言
用常规的正向设计方法进行覆盖件设计，存在着周期长，修改量大、模具投入存在风险等问题，另外，因为在图纸上或在计算机里的表达不是特别直观，容易造成产品开发的大量返工，甚至失败。针对上述问题采用逆向工程技术作为解决方案，并成功的运用到轮式拖拉机覆盖件的开发，并取得了很好的经济和社会效益。
1 拖拉机覆盖件的逆向设计思路
逆向工程是指在没有设计图纸的情况下，按照现有模型，利用各种数字化技术及CAD技术重新构造原始CAD模型的过程。在本案例的具体操作中，我们首先根据用户的要求在计算机上用三维造型软件做出整机的效果图，经过评审和修改后用于做油泥模型的参考；然后在车身实物上制作1：1油泥模型，并按照冲压等制造工艺的要求进行分块，然后评审模型外形和分块方案；利用测量设备采集物理模型的外表面数据，生成三维几何点云数据。数据采集由无接触激光仪扫描仪Comet250扫描得到。点云数据的预处理在集成了点云拼合、过滤、降噪、网格化等功能的CATIA软件平台中完成。处理后的点云经数据传输接口导入逆向造型软件CATIA中完成曲线、曲面重构及曲面品质的检测。限于篇幅，我们以拖拉机轮罩的逆向设计为例，介绍逆向工程在拖拉机覆盖件开发中的应用过程。
2 拖拉机覆盖件逆向设计
2.1 点云数据预处理
原始点云数据量大且存在噪声点，不仅不利于曲面重建，也会影响重建模型的质量，因此必须对原始点云进行处理。点云预处理主要包括点云过滤、点云删除等内容。通过点云过滤可以降低点云数量、去除噪声点。通常情况下，点云过滤后即可满足设计要求，对于那些不能过滤掉的坏点，需要对其手动删除。CATIA软件有两种点云过滤的方法：公差球法和弦高差法。公差球法适用于规则点云的局部模型处理。弦高差法能够使曲率变化小的地方过滤较多的点，而曲率变化大的地方过滤较少的点，从而使点云的特征更加明显。
2.2 点云网格化及分块
点云网格化处理及点云铺面是为了提高点云的可视性，便于曲面分块及曲面重建。网格面分块是重建曲面的基础，曲面块的合理划分，不仅可以节约造型设计的时间，而且能提高重建曲面的质量，在CATIA中利用基于曲率的方法对拖拉机轮罩进行曲面分块。
2.3 曲面重建
曲面重建是逆向设计的关键环节，是产品结构设计、加工制造、产品再设计等后续工作的基础。CATIA中曲面重构的方法有三种：①点到面。点到面的方法就是直接建立满足对数据点的最小二乘拟合的曲面。此方法的特点是方便、快捷，对点云的质量要求较高，适合构建外形简单的曲面。②点到线再由线到面。先由点云数据拟合成构成曲面的样条曲线，再利用CATIA逆向软件系统将样条曲线经过放样、混合、四边形、扫掠等操作重建曲面。此方法构建的曲面质量较高，适用于曲率变化小的曲面及规则曲面的构建。③点线结合构建曲面。先利用第2种方法构建点云数据的边界曲线，然后以边界曲线作为约束，利用第1种方法把剩余点云拟合成曲面，此方法已成为最常用的曲面构建方法。
在分块重建曲面的过程中，要根据各个曲面的特点综合运用以上3种曲面构建方法。在重建曲面时，应首先构建大曲面和可以在快速曲面重建模块直接拟合的基本面，然后再重建那些小曲面。对于曲率变化不大的圆弧面，可以对构建好的曲面进行相交、切割及圆角处理来实现。
2.4 曲面品质分析
在模型重建过程中，要实时地对重构的曲线及曲面进行评价及优化处理，才能保证获得理想的模型。曲面不光顺的原因通常有组成曲面的曲线不光顺、构成曲面的曲线不合理及构建曲面的方法不合适。曲面的光顺处理通常是与曲面的光顺检查结合进行的。在分析曲面光顺性的基础上，寻找其不光顺的区域和原因，调整曲面的关键曲线、控制曲线或引导线，重新构建曲面，以此反复，直至曲面光顺为止。
CATIA中常用的曲面光顺性评价方法有曲率分析法、反射线法、等照度线、等截面曲率分析法、斑马线法等。图1所示为利用曲率检查法对重构曲面的光顺性分析，可见，曲面纵向和横向两个方向的曲率光顺，因此曲面的光顺性基本满足要求。曲面精度分析是对重构曲面与点云数据之间距离的分析，重建曲面的精度分析如图2所示，最大值与最小值的绝对值均在1mm之内，平均误差较小，满足设计要求。曲面的精度与曲面的光顺性是两个相互矛盾的指标，在应用时可根据设计要求侧重其中一方。
2.5 曲面检测与调整
逆向工程中，曲面的品质主要包括光顺性与重合度两个方面。采用斑马线（等光亮度曲线）（高光线）检测法对曲面光顺性进行检测，该方法是由日本丰田汽车公司开发出来的，简单直观一目了然，它的检测原理是：向被检测的曲面上投射一束光线，计算机能根据被检测曲面的形状及曲率的分布情况，生成一族能确定被检验曲面特性的斑马线。
经过检测之后，如果曲面的光顺性和重合度都得不到保证，则需要重新调整曲面的控制点，调整过程大致分成以下三个步骤：①寻找坏点，并修改坏点的坐标值，使曲面的变化保持一致。②粗光顺，使曲线的曲率符号一致，并保证曲面的局部单凸性或单凹性。③精光顺，使曲线上各段的曲率变化均匀，满足光顺要求。
3 结 语
利用CATIA软件集成逆向设计的优势，通过对拖拉机轮罩点云数据的预处理、曲面重构、曲面品质分析及评价，实现了拖拉机轮罩模型的数字化，并对重建的曲面模型进行了有限元分析，结果表明，所构建曲面模型可满足设计精度及光顺性要求。
参考文献
[1]王永辉.CATIAV5在汽车零件逆向开发中的应用[J].现代制造工程，2006（1）：113～115.
[2]胡爱军，谢金法，苑绍志.CATIA在逆向工程中的应用[J].河南科技学报：自然科学版，2004，25（4）：58～61.
收稿日期：2018-3-15