基于CATIA飞机三通导管零件的逆向建模

摘 要：针对飞机三通导管零件工装型胎的磨损，通过采集现有三通导管零件或其工装的点云数据，利用CATIA模块逆向建模，实现零件或原有工装的数字化。这一过程，顺应了当今飞机设计制造技术的发展，使传统的模拟量传递方法开始向现代的数字量传递方法转变，既保留了传统互换协调的原始依据，又为今后的数字化制造、数字化协调提供了电子数据。

关键词：CATIA；数字化；三通导管零件；逆向；建模

1 背景

在当前三维数字化技术的冲击下，传统的模拟量传递方法开始向现代的数字量传递方法转变，以工装为加工制造依据的零件，需要在保证原始依据不变的情况下，逐步形成其电子数据。因此，使用三维扫描仪器采集零件工装的表面点云数据，利用CATIA逆向模块建立零件数模，从而形成了零件的电子数据，应用于数字化条件下的工装制造和零件生产。

在逆向建模中，三通导管类零件的结构较为复杂，多数情况下不是单曲率曲面，而是双曲率曲面，而且三通接头处的曲面形成有一定的困难。在目前常规加工多采用打实样进行生产，有的工艺采用打半个实样之后焊接的方式形成。不仅手工工艺繁杂，成形困难，而且生产周期长，生产成本高。通过逆向建模，实现三通导管类零件及工装型胎数字化，进行数控加工生产，提高加工效率，缩短生产周期。下面就以三通导管类零件为例，描述其逆向建模的要点。

2 逆向建模过程

三通导管类零件逆向建模步骤分为：扫描及点云数据的导入、处理；基于CATIA实体模型的构建；曲面误差分析及检测。以图1为例来说明。

2.1 扫描及点云数据的导入、处理

2.1.1 扫描

三通导管零件主要扫描的是其配套型胎，采用激光扫描仪进行三维数据采集，然后形成iges、cgo等点云格式的文件（见图2）。

2.1.2 点云数据的导入

Iges格式的文件可以直接将其拖拽到CATIA界面就可打开，也可以利用CLOUD IMPORT导入。

图1 三通导管零件 图2 点云数据

2.1.3 点云数据的处理

当点云数据导入到CATIA后，需要对点云进行处理。如果点云数据量太大，为减小数模体积，应对点云进行筛选，降低点云的密度。同时，过滤或去除一些多余元素或者偏差较大元素，可以减小点云曲率突变的概率。

通过分析零件的点云数据，大致可断定零件的外形趋势。根据外形趋势，应将点云数据分割成特征单一、互不重叠的区域，使每一区域点云都能用一个数学函数来描述。通常可用数学函数描述的曲面类型有解析曲面和自由曲面两种，解析曲面包括平面、圆锥面、圆柱面、球面等，扫描仪采集后直接形成的曲面通常是不规则自由曲面，对自由曲面分块的原则是区域内点云曲率没有突变，或者是曲率虽有变化，但是沿某一方向上的变化情况一致。点云数据分割的关键是找到块的边界，分块时还应注意块的数量应尽可能较少，以减少曲面拼接带来的困难。

三通导管零件通常分割成单一圆柱面或单一圆锥面，如图3所示。

2.2 基于CATIA实体模型的构建

2.2.1 导管零件中心线拟合

中心线是重新设计各个截面的参考元素，作为设计曲面时的引导线。拟合的中心线越接近于真实，越能形成特征近似的截面线，也就能更好的进行曲面操作。

针对三通导管零件可将每一块的点云数据分别做出各自的中心线（见图5）。

2.2.2 曲线的形成、光顺与修正

曲线是曲面构建的基础，也是关键的一步。以各自的中心线为引导线，运用CATIA截面线创建命令，选定合适的间距，可以得到一系列特征接近的截面线。直接利用这些曲线进行曲面设计，单曲率的情况下可能会形成一个粗糙的曲面，但是大多数情况下为双曲率的情况，这样就较难生成曲面，甚至不能生成。这是因为曲线不是严格规范的曲线，为了得到较高质量的曲面，需要对曲线进行光顺和修正。

对于所有曲线，应先将它们用同一个平面切断成两段曲线，进行光顺，消除曲线上的节点，同时使所有曲线的起始点和终止点保持在同一平面上。对于曲率有突变的区域，可将突变部分剪掉，用样条曲线补齐的方法进行修正。对于三通导管相贯的区域，是点云数据缺失区域，为了使曲面光滑，先用样条曲线将其补齐成封闭光滑曲线，然后再形成多截面曲面。（见图4）。

图4 样条曲线缺失处的补齐

2.2.3 曲面构建

选择合理的曲面造型技术进行拟合，生成若干个封闭、光滑的曲面，再将各块曲面通过拼接、延伸、过渡、裁剪、光顺等技术处理，最终获得实体表面形状、尺寸精度范围内的曲面模型。曲面模型必须保证单张曲面的性能和各个连接曲面之间光滑、平顺、封闭和连续，这样才能保证曲面模型的整体性能。

为了避免接合后的曲面出现不封闭的现象，曲面与相邻曲面的拼接必须采用同一条曲线。三通接头的过渡处是一个特殊的地方，可以将相贯的两个曲面分别延伸，采用倒圆角的方式，以合适的倒角进行倒圆，形成规则的相贯通曲面。

通常情况下，扫描工装的点云数据要比实体零件稍大一点，从点云数据的断开处可以近似拟合出一个平面，用此平面裁剪曲面，形成零件的终止端面。或者通过拾取点云边界点，形成一条影线，得到零件的边缘线，用它分割曲面即可。

图5 中心线、截面线及曲面的构建

2.2.4 形成实体

根据扫描对象类型，用构建好的曲面加厚形成实体。由于三通导管零件扫描的是工装型胎，需要考虑零件内表面贴合在工装型胎上，由此将曲面向外偏移加厚（如图1所示）。

2.3 曲面误差分析及检测

工装模具作为现代工业不可缺少的工艺装备，在使用过程中发生自然磨损，对于进口模具经过常年的使用，会出现不同程度的磨损，因此逆向建模产生的误差之一就是点云数据采集时的误差，实体模型构建过程中，光顺和修正曲线时也会造成曲面与点云数据之间的差异。

针对不同的零件，工艺性要求根据生产需要而定。工艺性一方面要求曲面质量，达到平滑程度和连续性，另一方面要求符合点云数据。如果一个曲面与点云数据完全吻合，该曲面必然会有很多波动。在大多数情况下，只要误差没有超过允许范围，可以侧重要求高质量的曲面。此外，在小批量生产初期，还需要经过首件验证，在实际生产中得到认可。

一般情况下，三通导管零件表面与点云偏差应在0.5mm以内（见图6），具体可根据生产需要确定。通过偏差分析，生成曲面与点云偏差在0.5mm以内的比例占95%以上，精确度较高，满足生产要求。

3 结束语

总的看来，逆向建模是一种快速开发产品数字化的重要技术手段，它为制造业提供了一个全新、高效的重构手段，实现了从实际物体到几何建模的直接转换。逆向建模根据已存在的零件或其工装型胎设计数模，由此形成零件或其工装的电子数据，在此基础上可以实现零件的改进、互换协调、工装修复、型胎复制等。同时，逆向建模应用到飞机设计制造技术领域，有效地保留了飞机零件原有的制造依据，大力地促进了从模拟量传递到数字量传递的发展，具有推广应用价值。

参考文献

[1]范玉青.现代飞机制造技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

[2]金涛，童水光.逆向工程技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]尤春风，CATIA V5高级应用[M].北京：清华大学出版社，2006.

[4]中航工业沈飞制造工程部.工艺员手册第二分册模线样板及制造数据设计管理[K].沈阳飞机工业（集团）有限责任.公司内部资料，2009.

作者简介：李彦（1975-），女，汉族，1998年毕业于大连工业大学，工程师，主要从事工艺装备与生产准备、数字制造技术等方面工作。

摘 要：针对飞机三通导管零件工装型胎的磨损，通过采集现有三通导管零件或其工装的点云数据，利用CATIA模块逆向建模，实现零件或原有工装的数字化。这一过程，顺应了当今飞机设计制造技术的发展，使传统的模拟量传递方法开始向现代的数字量传递方法转变，既保留了传统互换协调的原始依据，又为今后的数字化制造、数字化协调提供了电子数据。

关键词：CATIA；数字化；三通导管零件；逆向；建模

1 背景

在当前三维数字化技术的冲击下，传统的模拟量传递方法开始向现代的数字量传递方法转变，以工装为加工制造依据的零件，需要在保证原始依据不变的情况下，逐步形成其电子数据。因此，使用三维扫描仪器采集零件工装的表面点云数据，利用CATIA逆向模块建立零件数模，从而形成了零件的电子数据，应用于数字化条件下的工装制造和零件生产。

在逆向建模中，三通导管类零件的结构较为复杂，多数情况下不是单曲率曲面，而是双曲率曲面，而且三通接头处的曲面形成有一定的困难。在目前常规加工多采用打实样进行生产，有的工艺采用打半个实样之后焊接的方式形成。不仅手工工艺繁杂，成形困难，而且生产周期长，生产成本高。通过逆向建模，实现三通导管类零件及工装型胎数字化，进行数控加工生产，提高加工效率，缩短生产周期。下面就以三通导管类零件为例，描述其逆向建模的要点。

2 逆向建模过程

三通导管类零件逆向建模步骤分为：扫描及点云数据的导入、处理；基于CATIA实体模型的构建；曲面误差分析及检测。以图1为例来说明。

2.1 扫描及点云数据的导入、处理

2.1.1 扫描

三通导管零件主要扫描的是其配套型胎，采用激光扫描仪进行三维数据采集，然后形成iges、cgo等点云格式的文件（见图2）。

2.1.2 点云数据的导入

Iges格式的文件可以直接将其拖拽到CATIA界面就可打开，也可以利用CLOUD IMPORT导入。

图1 三通导管零件 图2 点云数据

2.1.3 点云数据的处理

当点云数据导入到CATIA后，需要对点云进行处理。如果点云数据量太大，为减小数模体积，应对点云进行筛选，降低点云的密度。同时，过滤或去除一些多余元素或者偏差较大元素，可以减小点云曲率突变的概率。

通过分析零件的点云数据，大致可断定零件的外形趋势。根据外形趋势，应将点云数据分割成特征单一、互不重叠的区域，使每一区域点云都能用一个数学函数来描述。通常可用数学函数描述的曲面类型有解析曲面和自由曲面两种，解析曲面包括平面、圆锥面、圆柱面、球面等，扫描仪采集后直接形成的曲面通常是不规则自由曲面，对自由曲面分块的原则是区域内点云曲率没有突变，或者是曲率虽有变化，但是沿某一方向上的变化情况一致。点云数据分割的关键是找到块的边界，分块时还应注意块的数量应尽可能较少，以减少曲面拼接带来的困难。

三通导管零件通常分割成单一圆柱面或单一圆锥面，如图3所示。

2.2 基于CATIA实体模型的构建

2.2.1 导管零件中心线拟合

中心线是重新设计各个截面的参考元素，作为设计曲面时的引导线。拟合的中心线越接近于真实，越能形成特征近似的截面线，也就能更好的进行曲面操作。

针对三通导管零件可将每一块的点云数据分别做出各自的中心线（见图5）。

2.2.2 曲线的形成、光顺与修正

曲线是曲面构建的基础，也是关键的一步。以各自的中心线为引导线，运用CATIA截面线创建命令，选定合适的间距，可以得到一系列特征接近的截面线。直接利用这些曲线进行曲面设计，单曲率的情况下可能会形成一个粗糙的曲面，但是大多数情况下为双曲率的情况，这样就较难生成曲面，甚至不能生成。这是因为曲线不是严格规范的曲线，为了得到较高质量的曲面，需要对曲线进行光顺和修正。

对于所有曲线，应先将它们用同一个平面切断成两段曲线，进行光顺，消除曲线上的节点，同时使所有曲线的起始点和终止点保持在同一平面上。对于曲率有突变的区域，可将突变部分剪掉，用样条曲线补齐的方法进行修正。对于三通导管相贯的区域，是点云数据缺失区域，为了使曲面光滑，先用样条曲线将其补齐成封闭光滑曲线，然后再形成多截面曲面。（见图4）。

图4 样条曲线缺失处的补齐

2.2.3 曲面构建

选择合理的曲面造型技术进行拟合，生成若干个封闭、光滑的曲面，再将各块曲面通过拼接、延伸、过渡、裁剪、光顺等技术处理，最终获得实体表面形状、尺寸精度范围内的曲面模型。曲面模型必须保证单张曲面的性能和各个连接曲面之间光滑、平顺、封闭和连续，这样才能保证曲面模型的整体性能。

为了避免接合后的曲面出现不封闭的现象，曲面与相邻曲面的拼接必须采用同一条曲线。三通接头的过渡处是一个特殊的地方，可以将相贯的两个曲面分别延伸，采用倒圆角的方式，以合适的倒角进行倒圆，形成规则的相贯通曲面。

通常情况下，扫描工装的点云数据要比实体零件稍大一点，从点云数据的断开处可以近似拟合出一个平面，用此平面裁剪曲面，形成零件的终止端面。或者通过拾取点云边界点，形成一条影线，得到零件的边缘线，用它分割曲面即可。

图5 中心线、截面线及曲面的构建

2.2.4 形成实体

根据扫描对象类型，用构建好的曲面加厚形成实体。由于三通导管零件扫描的是工装型胎，需要考虑零件内表面贴合在工装型胎上，由此将曲面向外偏移加厚（如图1所示）。

2.3 曲面误差分析及检测

工装模具作为现代工业不可缺少的工艺装备，在使用过程中发生自然磨损，对于进口模具经过常年的使用，会出现不同程度的磨损，因此逆向建模产生的误差之一就是点云数据采集时的误差，实体模型构建过程中，光顺和修正曲线时也会造成曲面与点云数据之间的差异。

针对不同的零件，工艺性要求根据生产需要而定。工艺性一方面要求曲面质量，达到平滑程度和连续性，另一方面要求符合点云数据。如果一个曲面与点云数据完全吻合，该曲面必然会有很多波动。在大多数情况下，只要误差没有超过允许范围，可以侧重要求高质量的曲面。此外，在小批量生产初期，还需要经过首件验证，在实际生产中得到认可。

一般情况下，三通导管零件表面与点云偏差应在0.5mm以内（见图6），具体可根据生产需要确定。通过偏差分析，生成曲面与点云偏差在0.5mm以内的比例占95%以上，精确度较高，满足生产要求。

3 结束语

总的看来，逆向建模是一种快速开发产品数字化的重要技术手段，它为制造业提供了一个全新、高效的重构手段，实现了从实际物体到几何建模的直接转换。逆向建模根据已存在的零件或其工装型胎设计数模，由此形成零件或其工装的电子数据，在此基础上可以实现零件的改进、互换协调、工装修复、型胎复制等。同时，逆向建模应用到飞机设计制造技术领域，有效地保留了飞机零件原有的制造依据，大力地促进了从模拟量传递到数字量传递的发展，具有推广应用价值。

参考文献

[1]范玉青.现代飞机制造技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

[2]金涛，童水光.逆向工程技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]尤春风，CATIA V5高级应用[M].北京：清华大学出版社，2006.

[4]中航工业沈飞制造工程部.工艺员手册第二分册模线样板及制造数据设计管理[K].沈阳飞机工业（集团）有限责任.公司内部资料，2009.

作者简介：李彦（1975-），女，汉族，1998年毕业于大连工业大学，工程师，主要从事工艺装备与生产准备、数字制造技术等方面工作。

摘 要：针对飞机三通导管零件工装型胎的磨损，通过采集现有三通导管零件或其工装的点云数据，利用CATIA模块逆向建模，实现零件或原有工装的数字化。这一过程，顺应了当今飞机设计制造技术的发展，使传统的模拟量传递方法开始向现代的数字量传递方法转变，既保留了传统互换协调的原始依据，又为今后的数字化制造、数字化协调提供了电子数据。

关键词：CATIA；数字化；三通导管零件；逆向；建模

1 背景

在当前三维数字化技术的冲击下，传统的模拟量传递方法开始向现代的数字量传递方法转变，以工装为加工制造依据的零件，需要在保证原始依据不变的情况下，逐步形成其电子数据。因此，使用三维扫描仪器采集零件工装的表面点云数据，利用CATIA逆向模块建立零件数模，从而形成了零件的电子数据，应用于数字化条件下的工装制造和零件生产。

在逆向建模中，三通导管类零件的结构较为复杂，多数情况下不是单曲率曲面，而是双曲率曲面，而且三通接头处的曲面形成有一定的困难。在目前常规加工多采用打实样进行生产，有的工艺采用打半个实样之后焊接的方式形成。不仅手工工艺繁杂，成形困难，而且生产周期长，生产成本高。通过逆向建模，实现三通导管类零件及工装型胎数字化，进行数控加工生产，提高加工效率，缩短生产周期。下面就以三通导管类零件为例，描述其逆向建模的要点。

2 逆向建模过程

三通导管类零件逆向建模步骤分为：扫描及点云数据的导入、处理；基于CATIA实体模型的构建；曲面误差分析及检测。以图1为例来说明。

2.1 扫描及点云数据的导入、处理

2.1.1 扫描

三通导管零件主要扫描的是其配套型胎，采用激光扫描仪进行三维数据采集，然后形成iges、cgo等点云格式的文件（见图2）。

2.1.2 点云数据的导入

Iges格式的文件可以直接将其拖拽到CATIA界面就可打开，也可以利用CLOUD IMPORT导入。

图1 三通导管零件 图2 点云数据

2.1.3 点云数据的处理

当点云数据导入到CATIA后，需要对点云进行处理。如果点云数据量太大，为减小数模体积，应对点云进行筛选，降低点云的密度。同时，过滤或去除一些多余元素或者偏差较大元素，可以减小点云曲率突变的概率。

通过分析零件的点云数据，大致可断定零件的外形趋势。根据外形趋势，应将点云数据分割成特征单一、互不重叠的区域，使每一区域点云都能用一个数学函数来描述。通常可用数学函数描述的曲面类型有解析曲面和自由曲面两种，解析曲面包括平面、圆锥面、圆柱面、球面等，扫描仪采集后直接形成的曲面通常是不规则自由曲面，对自由曲面分块的原则是区域内点云曲率没有突变，或者是曲率虽有变化，但是沿某一方向上的变化情况一致。点云数据分割的关键是找到块的边界，分块时还应注意块的数量应尽可能较少，以减少曲面拼接带来的困难。

三通导管零件通常分割成单一圆柱面或单一圆锥面，如图3所示。

2.2 基于CATIA实体模型的构建

2.2.1 导管零件中心线拟合

中心线是重新设计各个截面的参考元素，作为设计曲面时的引导线。拟合的中心线越接近于真实，越能形成特征近似的截面线，也就能更好的进行曲面操作。

针对三通导管零件可将每一块的点云数据分别做出各自的中心线（见图5）。

2.2.2 曲线的形成、光顺与修正

曲线是曲面构建的基础，也是关键的一步。以各自的中心线为引导线，运用CATIA截面线创建命令，选定合适的间距，可以得到一系列特征接近的截面线。直接利用这些曲线进行曲面设计，单曲率的情况下可能会形成一个粗糙的曲面，但是大多数情况下为双曲率的情况，这样就较难生成曲面，甚至不能生成。这是因为曲线不是严格规范的曲线，为了得到较高质量的曲面，需要对曲线进行光顺和修正。

对于所有曲线，应先将它们用同一个平面切断成两段曲线，进行光顺，消除曲线上的节点，同时使所有曲线的起始点和终止点保持在同一平面上。对于曲率有突变的区域，可将突变部分剪掉，用样条曲线补齐的方法进行修正。对于三通导管相贯的区域，是点云数据缺失区域，为了使曲面光滑，先用样条曲线将其补齐成封闭光滑曲线，然后再形成多截面曲面。（见图4）。

图4 样条曲线缺失处的补齐

2.2.3 曲面构建

选择合理的曲面造型技术进行拟合，生成若干个封闭、光滑的曲面，再将各块曲面通过拼接、延伸、过渡、裁剪、光顺等技术处理，最终获得实体表面形状、尺寸精度范围内的曲面模型。曲面模型必须保证单张曲面的性能和各个连接曲面之间光滑、平顺、封闭和连续，这样才能保证曲面模型的整体性能。

为了避免接合后的曲面出现不封闭的现象，曲面与相邻曲面的拼接必须采用同一条曲线。三通接头的过渡处是一个特殊的地方，可以将相贯的两个曲面分别延伸，采用倒圆角的方式，以合适的倒角进行倒圆，形成规则的相贯通曲面。

通常情况下，扫描工装的点云数据要比实体零件稍大一点，从点云数据的断开处可以近似拟合出一个平面，用此平面裁剪曲面，形成零件的终止端面。或者通过拾取点云边界点，形成一条影线，得到零件的边缘线，用它分割曲面即可。

图5 中心线、截面线及曲面的构建

2.2.4 形成实体

根据扫描对象类型，用构建好的曲面加厚形成实体。由于三通导管零件扫描的是工装型胎，需要考虑零件内表面贴合在工装型胎上，由此将曲面向外偏移加厚（如图1所示）。

2.3 曲面误差分析及检测

工装模具作为现代工业不可缺少的工艺装备，在使用过程中发生自然磨损，对于进口模具经过常年的使用，会出现不同程度的磨损，因此逆向建模产生的误差之一就是点云数据采集时的误差，实体模型构建过程中，光顺和修正曲线时也会造成曲面与点云数据之间的差异。

针对不同的零件，工艺性要求根据生产需要而定。工艺性一方面要求曲面质量，达到平滑程度和连续性，另一方面要求符合点云数据。如果一个曲面与点云数据完全吻合，该曲面必然会有很多波动。在大多数情况下，只要误差没有超过允许范围，可以侧重要求高质量的曲面。此外，在小批量生产初期，还需要经过首件验证，在实际生产中得到认可。

一般情况下，三通导管零件表面与点云偏差应在0.5mm以内（见图6），具体可根据生产需要确定。通过偏差分析，生成曲面与点云偏差在0.5mm以内的比例占95%以上，精确度较高，满足生产要求。

3 结束语

总的看来，逆向建模是一种快速开发产品数字化的重要技术手段，它为制造业提供了一个全新、高效的重构手段，实现了从实际物体到几何建模的直接转换。逆向建模根据已存在的零件或其工装型胎设计数模，由此形成零件或其工装的电子数据，在此基础上可以实现零件的改进、互换协调、工装修复、型胎复制等。同时，逆向建模应用到飞机设计制造技术领域，有效地保留了飞机零件原有的制造依据，大力地促进了从模拟量传递到数字量传递的发展，具有推广应用价值。

参考文献

[1]范玉青.现代飞机制造技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

[2]金涛，童水光.逆向工程技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]尤春风，CATIA V5高级应用[M].北京：清华大学出版社，2006.

[4]中航工业沈飞制造工程部.工艺员手册第二分册模线样板及制造数据设计管理[K].沈阳飞机工业（集团）有限责任.公司内部资料，2009.

作者简介：李彦（1975-），女，汉族，1998年毕业于大连工业大学，工程师，主要从事工艺装备与生产准备、数字制造技术等方面工作。