基于CATIA V5飞机零件的逆向设计

苏力德

摘 要：逆向工程就是根据已经存在的产品模型，反向推出它的CAD模型的过程。本文对由于各种原因没有CAD模型的实体零件或使用年限长、磨损严重的大型工装进行扫描，对得出的数据进行CATIA处理，最终得出CAD模型的过程进行研究，并且对所得零件进行一定的精度分析。

关键词：逆向工程;点云;CAD模型

一、前言

当前，国内航空企业主要是通过先设计飞机三维模型形成工程数据，之后在工程数据的基础上按照工艺要求，添加工艺信息后通过数控加工成零件。但是由于我国航空企业由“引进—仿制—设计”模式发展过来，其中很多飞机零件只有图纸或工装，没有CAD模型，导致该类飞机零件的加工受到很多的约束。随着数字化技术的发展，这种情况促进了逆向工程技术在航空企业的应用。通过逆向工程设计模型的主要步骤是采用三维扫描系统获取实物模型的外部点云数据，经将噪声点等处理后将点云以igs、stl、iges等格式引入到CATIA软件中，然后采用CATIA软件在这些数据的基础上进行设计。

二、零件特点介绍

需要逆向成型的零件多为形状复杂，难以一次成型，且只有图纸或工装，损坏后难以加工的零件。下面的零件是较为典型的需要逆向建模的零件，由于长时间的使用，该零件的模胎已经损坏，该零件底面为双曲面，上面具有两个凸台，形状复杂，难以一次成型。具体零件如图1所示。

三、零件逆向设计过程

3.1  数据采集

数据采集是逆向工程的第一步，也是最重要的一步，通过扫描得到实体模型的相关数据。扫描图1中的零件时我们可采用手持式自定位三维扫描仪，这种扫描仪精度高，扫描速度快。在实际扫描过程中，我们应当要对零件轮廓、孔边缘等进行预先处理，以便在扫描过程中能够较好的显示出这些特征的边缘线。还有在扫面过程中为保证点云的正确性，最好将零件的表面凹痕补修后再进行扫描。

3.2  点云处理

3.2.1 噪声点的处理

点云采集过程中由于扫描设备精度、操作者经验、被扫描件表面质量、环境等因素的影响，容易产生一些噪声点、测量误差点，这些点将影响重建CAD模型，应将其删除。操作者应当根据零件或工装的实体，将点云中肉眼能够辨别的噪声点删除，保证移交给设计员的点云正确性。

3.2.2 数据过滤

采用三维扫描系统进行扫描时，每次得到的点云数据由成千上万的点组成，若将这些点用于建立CAD模型，一方面大量数据的存储和处理将消耗计算机资源，使计算机变得很慢，浪费时间，另一方面并不是所有的数据点在建立曲面时都能用上，因此有必要在保证一定精度的前提下对点云进行精简。

在CATIA软件中过滤命令用于点云的过滤。过滤方式有两种，一是公差球方式，另一种为弦高差方式。其中公差球方式是以一点为基准，将公差球半径范围内的点去除，而后再以附近的点为基准，重复此操作，最后形成均匀的点云。弦高差方式在点云外廓变化剧烈处保留较多点，变化平缓处则保留较少点，即利于保留点云特征。

3.3  建立曲面

建立曲面是逆向建模过程中最重要的环节。像该零件底面为双曲面，且零件上还有凸台，形状复杂，难以一次成形组成，所以逆向建模前需要根据零件表面特点将曲面进行分割，以便对不同部分采用合理的方法重建曲面，如图2、，最后再将所有曲面片拼接、缝合成一个整体。CATIA 软件中逆向建立曲面较为常见的两种命令为基本表面识别命令和强力拟合命令。基本表面识别命令的用途在于零件表面为规则曲面，如圆柱面、锥面、球面、平面等时可快速形成曲面;而强力拟合命令则用于曲率变化不是很激烈的双曲度平面时可按此命令快速拟合曲面。而对于曲率变化较为激烈的双曲度曲面则将点云用切面相切后通过样条曲线、3D曲线对截面线进行优化，之后用多截面曲面等命令将曲线拟合成曲面。

3.4  零件檢验及修改

逆向建模是由将扫描的点云数据通过一系列的手段拟合成曲面，再把曲面变成实体的过程，这其中肯定会存在外形上的误差，因此往往需要对拟合后的曲面进行反复修改，有时更是需要重新扫描实体、重建曲面才能最终得到符合要求的零件模型。在零件模型初步建立完成后需要将零件外形面与点云进行对比，在CATIA软件中具有各种对比命令，在逆向建模过程中常用的对比命令为偏离分析（）命令，如下图中在±0.5范围内92.18%的点云与曲面相符合，而在±1范围内98.88%的点云与曲面相符合。我们从图2中看出点云与曲面的最大误差为2.61mm，所以曲面还有修改和改进的地方。

3.5  建立实体

零件的曲面拟合完成，经过对比合格后通过厚曲面、封闭曲面等命令得到零件实体。

四、结束语

逆向工程技术在航空企业中应用的时间虽然不长，但作为一个高效的产品设计思路和方法，其广泛的应用前景已经为绝大多数航空制造企业和工程技术人员所关注。而如今，在航空企业中如何提高逆向工程的CAD模型更加接近实体成为了航空制造企业的工程技术人员研究的主要对象。