CATIA V5在逆向造型中的應用方法研究

付雅軍 王有軍

摘 要：產品的逆向造型設計是設計過程中不可缺少的設計手段，它在產品造型、型面構建和產品的結構布置等方面都起著重要的作用。通過一個設計實例歸納出如何運用CATIA V5來進行產品的逆向造型設計的過程，并在實際操作中總結出了相關的應用方法，為其他設計人員在使用三維設計軟件CATIA V5進行產品的逆向造型設計時提供一定的參考依據。

關鍵詞：產品設計;逆向造型;CATIA V5;應用方法

引言

逆向設計是一個極其復雜和繁瑣的過程，要求設計者具有豐富的產品正向設計經驗，通過對產品的點云數據的觀察去深刻揣摩原設計者的設計方法[1]。目前數字化系統和計算機軟件技術的完美結合為逆向工程設計提供了先進的解決方案。它能最精確和高效率地處理幾乎所有針對復雜部件和產品的逆向工程工作[2]。其中，CATIA軟件是法國達索公司研發的一款知名三維設計軟件，廣泛應用于汽車、航空航天、工業設備、建筑工程等領域[3]，通過它可以很好地實現逆向工程在新產品開發和產品改型設計、產品仿制等方面的應用，并已成為汽車行業CAD軟件的標準。

CATIA V5軟件在產品的逆向造型設計中使用到的主要模塊有逆向點云編輯模塊（Digitized Shape Editor）和逆向曲面重建模塊QSR（Quick Surface Reconstruction）。逆向點云編輯模塊主要用于曲面構建前期的點云數據的導入、輸出以及各種編輯處理;逆向曲面重建模塊主要用于逆向過程中的各種曲線和曲面特征的創建和編輯，上述兩個模塊再綜合使用自由曲面模塊FS（Free Style）和創成式曲面設計模塊GSD（Generative Shape Design），便能完美的實現產品的逆向造型過程。

逆向設計一般遵循的造型過程為點-線-面-實體。下面結合一個實例來詳細闡述如何運用CATIA V5三維設計軟件來實現零件的逆向設計過程。

一、點云數據的導入和處理

產品的逆向設計成功實施的關鍵是正確掌握它的一些技術要點，而首先就是產品點云數據的導入。CATIA V5用到前期處理模塊（逆向點云編輯模塊DSE）是可以導入幾乎所有的三坐標測量數據，格式通常為：STL、ASCII、IGES、CGO等[4]。該模塊主要完成對云點數據的導入導出、網格化、編輯處理、操作及分析等任務。

首先導入點云數據，點擊“輸入”命令，導入后的數據。如果三坐標測量出的點云數據比較粗糙，導入點云后我們還要對它進行相應的處理，常用到的命令為激活點云、過濾點云、移除點云。在激活和移除點云時注意，要根據實際需要處理哪一部分的點云數據，在彈出的相應對話框中去選擇不同的選項進行選擇，盡量做到靈活運用。

其次如果零件形狀復雜，一次掃描無法獲得全部的數據，或是零件較大無法一次掃描完成，而對產品進行了多次掃描時，就需要對點云數據進行多次導入。此時就需要對點云數據進行重新定位，以保證結果的準確性。常用到的命令有：使用羅盤對正點云、以最佳適應對正、以球對正、用RPS對正。目前RPS系統已被世界各大公司使用，因此我們一定要靈活運用RPS對正點云的方法，來更加精確的保證產品的尺寸精度。

最后要對點云數據進行網格化處理。因為只有通過在點云數據上創建各種形狀的網格特征，以凸顯出點云數據所表現的產品幾何形狀，才能為后續創建各種幾何曲線、曲面提供參考。常用到的命令有：創建網格面、偏移網格面、光順網格面、優化網格面、孔填充，以及對創建的網格面的操作命令：合并網格面、分割網格面、修剪網格面、投影網格面至平面，通過運用以上命令對點云數據的一系列的操作，得到網格面。

二、創建產品的特征曲線

產品的逆向無非就是先構線再鋪面的過程，所以需要設計人員創建出反應產品幾何形狀的特征曲線，為后續創建各種曲面提供參考。此時就需要使用到模塊為逆向曲面重建模塊QSR中的命令。常用的命令有：3D曲線、創建投影曲線、創建平面交線和從掃描創建曲線聯合使用生成曲線、網格面邊線、點云掃描、如果你不能通過上述命令構造出特征曲線，又想要提取出產品中曲率變化較大的邊界曲線時，可以用“通過曲率分割段”命令來提取特征曲線。通過上述命令的操作得到幾條特征曲線。

特別需要注意的是，對于所創建的每條曲線都要對其進行曲線的曲率分析、連接檢查器分析和距離分析，以確保曲線的連續性和光滑性以及曲線與點云的吻合程度，保證曲線上的各點距離和點云數據二者的距離誤差在±0.1mm之間[5]，這樣做出的曲線才符合設計標準。

三、創建產品的外形曲面

產品逆向造型設計的后期處理平臺是逆向曲面重建模塊QSR，因為大部分的曲線編輯修改和曲面創建、編輯都是在該模塊下完成的。任何零件的外表面都是由平面與曲面組成的，如果是平面，就用該模塊下的命令“基本曲面識別”來創建。通常一個零件是由很多單獨的曲面構成，對于每一個曲面，可根據特性判斷用什么方式來構成。逆向設計中曲面的創建最常用的方法是綜合運用逆向曲面重建模塊中強力黏合命令、自由曲面模塊FS和創成式曲面設計模塊GSD中的各種創建曲面命令來完成。同創建曲線一樣，為了得到更準確、更光順的曲面，要對曲面的進行曲面的斑馬線分析、距離分析和曲面的曲率分析等來檢查生成曲面的質量。經過一系列的操作得到的曲面。

四、轉換成實體模型

由于曲面在實際工作中是無法生產的，只有將曲面轉換成實體，才可以用于加工制造。因此，構建完產品的外形曲面后，一定要到“實體零件設計”工作平臺去進行最后的操作。常用的命令如下：分割、厚曲面、封閉曲面和縫合曲面。通過上述操作得到的實體零件。

五、結語

產品的逆向造型設計的特點是在產品的設計過程中極大的降低了難度系數，使得工業生產設計成本低、設計周期縮短[6]，而用逆向設計的方法所得到的產品模型，可以參與各種試驗，可隨時驗證設計的結果是否合理以備進行適當的修改。本文詳細闡述了如何運用CATIA V5三維軟件來實現產品逆向的全部過程，對于有著豐富正向設計經驗的工程師來說，有著一定的參考價值，為以后在新產品開發時，能夠靈活運用正向設計和逆向設計綜合使用的方法來完成產品的設計提供依據。

參考文獻

[1]秦琳晶，姜東梅，王曉坤.中文版CATIA V5R21完全實戰技術手冊[M].北京：清華大學出版社，2017.

[2]熊仆，丁全. CATIAV5軟件在汽車零部件強度設計上的應用[J]. CAD/CAM與制造業信息化，2004（11）：47–48.

[3]王永輝. CATIA V5在汽車零件逆向開發中的應用[J].現代制造工程，2006（1）：113–115.

[4]喬建軍，王挺.中文版CATIA V5經典學習手冊[M].北京：科學出版社，2009.

[5]林清福. CATIA V5 R13逆向工程產品設計[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[6]趙宇明，張國忠，于哲峰. CATIA軟件在汽車逆向設計點云處理技術中的應用研究[J].機械設計與制造，2005（6）：80–82.