基于逆向工程的自由曲面构造方法研究

基于逆向工程的自由曲面构造方法研究

樊润东，王雪飞，张云鹏，陈亮，孙承亮

沈阳飞机工业（集团）有限公司 数据中心 辽宁沈阳 110850

摘要：逆向工程是根据已经存在的产品或模型，通过三维测量设备获得其表面点云数据，经过处理之后，根据点云拟合得到三维CAD模型。相对于传统正向设计，逆向工程不仅是对先进产品技术的吸收、消化和再创新的重要手段，而且为复杂曲面零件的设计与制造提供了快速和有效的途径。并结合曲面构建理论，以工程软件CATIA为平台，探讨了自由曲面的构建方法，总结了逆向建模过程中常用的自由曲面构建方法，同时，对该曲面构建方法进行了分析比对，并研究该方法的适用范围。

关键词： 逆向工程；点云；建模；自由曲面

1引言

逆向工程作为一种由实物模型重建CAD模型的技术，一般是由接触或非接触式三维测量机测量物体表面得到的资料，再通过一些列程序由点资料构建成曲面模型，得到产品的数字化CAD模型后继而进行后续的开发及生产步骤^[1]。它是近些年以来迅速发展起来的一种新型的现代设计方法，逆向工程技术是一种综合性的设计方法，它是对先进技术的一系列方法的分析和应用，吸收消化与提高。逆向工程设计方法可以提高生产率，减少产品的研发周期，降低研究成本，并且可以改善当前的技术水平。

通常情况下，产品的产生源自于设计概念，设计概念通过工程图样、三维模型表达出来。但在实际的生产过程中，一些产品并非是通过设计概念产生的，而是源自于已经存在产品、模型。这就需要对实物进行测量，并反求理论模型。这种通过对存在的实物进行测量，并根据测量数据重新构建设计数据的过程称为反求工程，也叫做逆向工程。广义的逆向工程包括形状（几何）求反、工艺求反和材料求反等诸多方面，是一个复杂的系统工程^[2]。伴随着几何造型技术的不断进步，逆向工程在其中占据着极其关键的地位^[3]。

在逆向设计过程中，经常会遇到自由曲面的构建问题，自由曲面的构建需要经过点云数据的获取、数据处理、曲面构建等步骤，下面将结合工程软件CATIA，应用创成式外形设计、Quick Surface Reconstruction模块来说明自由曲面的构建方法。

2 数据获取与处理

点云数据的获取方法有两种，一种是通过测量直接获得；另一种是间接获得，即将测量数据经过软件运算转化成点云数据。这里，点云数据的采集方法为间接获得。应用Creaform Handyscan 3D扫描设备采集数据。由于现场环境、设备、使用方法等原因在数据采集的过程中会引入冗余数据与杂点，在进行逆向设计前需要对点云数据进行初步处理，删除冗余数据。如图1所示。

1. (b)

图1 蒙皮的点云与网格

3 自由曲面构建

3.1 曲面特征分

首先，明确曲面构建的技术要求；其次，观察零件实体，确定零件主要特征型面及关键位置；

最后，测量分析曲面曲度大小、曲面变化趋势。

3.2 多截面曲面创建

多截面曲面创建是采用多个平面切割数据，得到截面曲线，通过设置引导线、调整闭合点

完成曲面的创建。此方法适合自由曲面的构造。

3.2.1截面建立

截面元素用来创建与扫描数据相交的平面，在命令Planar Sections中使用。设计要考虑各截面线的外形较为接近，以方便进行扫掠操作，形成较好的型面。截面元素可以是面，直接用于相交；也可以是线，线的法向面作为截面，如图2所示。通常，XY、YZ、XZ三个平面与扫描数据相交得到线的效果并不好，而用罗盘控制也存在操作不方便的问题。因此一般都是通过引导线的建立，来设计截面位置。

图2 通过引导线设计截面

3.2.2截面线生成

截面元素与相应的网格或点云相交，得到的交线就是截面线。截面线是曲面构建的基础，也是关系曲面质量好坏的关键元素。设计时需要考虑各截面线的外形应较为接近，以方便进行多截面曲面构建操作，形成较好的型面。运用CATIA截面线创建命令，选定合适的间距，便可以得到一系列特征接近的截面线。通过图3可以发现采用与点云相交的方法来获得截面线更适合后续建模。

（a） (b)

图3 截面元素与网格和点云相交

3.2.3截面线调整

由于生成的截面线会有许多缺陷，比如端点不齐、过渡不平滑，这将导致创建多截面曲面时，边缘质量差，使得形成的曲面不均匀过渡，型面精度低，因此需要对截面线进行调整。

3.2.4曲面构建

蒙皮型面的构建主要采用的方法是多截面曲面法。选择优化后的截面线进行多截面曲面构建，

通常可以得到较完整的型面，如图4所示。

图4 多截面曲面创建

3.2.5实体生成

建立基本曲面后，通过 厚曲面定义命令生成实体，若无法生成实体，则应检查曲面光顺程度，重新构造曲面后再生成实体。

图5 生成实体

4 误差分析

在CATIA中应用应Deviation Analysis命令进行整体偏差分析。首先，按照零件设计技术要求调整公差范围；其次，调整扫描数据采样比例,比例一般设置为100％；最后，输出整体分析结果，如图6所示。通过偏差值调整、修正创建结果。

图6 偏差分析

5 结束语

基于逆向工程的曲面创建方法适用于曲度较大的曲面创建，它能够使获得的建模精度更接近点云数据与实际模型。曲面构建问题一直是逆向技术的关键问题，目前主要的逆向工程软件都在致力于曲面构建模块的的开发，相信复杂曲面自动运算的功能即将出现，逆向曲面构建质量和设计效率将得到提升。

参考文献

[1] 王婷,高强东.基于逆向工程的自由曲面模型重建技术［J］.陕西科技大学学报, 2011,29(5):73-77.

[2] 李宝峰.朱海花.郭朝勇.基于实物的一种自由曲面逆向工程方法［J］.现代制造工程,2007(5):72-74.

[3] 赵月玲.基于逆向工程的曲面构造技术以及仿真加工的研究［D］.西安,长安大学，2017：5.