拖拉機覆蓋件的逆向設計方法

王明輝 褚爽 趙旭

摘 要：拖拉機覆蓋件的外形輪廓復雜、結構尺寸大，采用傳統的正向設計方法存在設計周期長、精度低、修改量大、各部門之間不能良好協調合作等缺陷。逆向設計是與正向設計相對的一種產品數字化開發方法，可以有效解決以上問題，是消化、吸收先進技術的重要手段，尤其適合復雜外形曲面的設計，具有設計速度快、質量高等優點。基于此，本文主要對拖拉機覆蓋件的逆向設計方法進行分析。

關鍵詞：拖拉機覆蓋件；逆向設計方法

中圖分類號：S219 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）11-0172-02

前 言

用常規的正向設計方法進行覆蓋件設計，存在著周期長，修改量大、模具投入存在風險等問題，另外，因為在圖紙上或在計算機里的表達不是特別直觀，容易造成產品開發的大量返工，甚至失敗。針對上述問題采用逆向工程技術作為解決方案，并成功的運用到輪式拖拉機覆蓋件的開發，并取得了很好的經濟和社會效益。

1 拖拉機覆蓋件的逆向設計思路

逆向工程是指在沒有設計圖紙的情況下，按照現有模型，利用各種數字化技術及CAD技術重新構造原始CAD模型的過程。在本案例的具體操作中，我們首先根據用戶的要求在計算機上用三維造型軟件做出整機的效果圖，經過評審和修改后用于做油泥模型的參考；然后在車身實物上制作1：1油泥模型，并按照沖壓等制造工藝的要求進行分塊，然后評審模型外形和分塊方案；利用測量設備采集物理模型的外表面數據，生成三維幾何點云數據。數據采集由無接觸激光儀掃描儀Comet250掃描得到。點云數據的預處理在集成了點云拼合、過濾、降噪、網格化等功能的CATIA軟件平臺中完成。處理后的點云經數據傳輸接口導入逆向造型軟件CATIA中完成曲線、曲面重構及曲面品質的檢測。限于篇幅，我們以拖拉機輪罩的逆向設計為例，介紹逆向工程在拖拉機覆蓋件開發中的應用過程。

2 拖拉機覆蓋件逆向設計

2.1 點云數據預處理

原始點云數據量大且存在噪聲點，不僅不利于曲面重建，也會影響重建模型的質量，因此必須對原始點云進行處理。點云預處理主要包括點云過濾、點云刪除等內容。通過點云過濾可以降低點云數量、去除噪聲點。通常情況下，點云過濾后即可滿足設計要求，對于那些不能過濾掉的壞點，需要對其手動刪除。CATIA軟件有兩種點云過濾的方法：公差球法和弦高差法。公差球法適用于規則點云的局部模型處理。弦高差法能夠使曲率變化小的地方過濾較多的點，而曲率變化大的地方過濾較少的點，從而使點云的特征更加明顯。

2.2 點云網格化及分塊

點云網格化處理及點云鋪面是為了提高點云的可視性，便于曲面分塊及曲面重建。網格面分塊是重建曲面的基礎，曲面塊的合理劃分，不僅可以節約造型設計的時間，而且能提高重建曲面的質量，在CATIA中利用基于曲率的方法對拖拉機輪罩進行曲面分塊。

2.3 曲面重建

曲面重建是逆向設計的關鍵環節，是產品結構設計、加工制造、產品再設計等后續工作的基礎。CATIA中曲面重構的方法有三種：①點到面。點到面的方法就是直接建立滿足對數據點的最小二乘擬合的曲面。此方法的特點是方便、快捷，對點云的質量要求較高，適合構建外形簡單的曲面。②點到線再由線到面。先由點云數據擬合成構成曲面的樣條曲線，再利用CATIA逆向軟件系統將樣條曲線經過放樣、混合、四邊形、掃掠等操作重建曲面。此方法構建的曲面質量較高，適用于曲率變化小的曲面及規則曲面的構建。③點線結合構建曲面。先利用第2種方法構建點云數據的邊界曲線，然后以邊界曲線作為約束，利用第1種方法把剩余點云擬合成曲面，此方法已成為最常用的曲面構建方法。

在分塊重建曲面的過程中，要根據各個曲面的特點綜合運用以上3種曲面構建方法。在重建曲面時，應首先構建大曲面和可以在快速曲面重建模塊直接擬合的基本面，然后再重建那些小曲面。對于曲率變化不大的圓弧面，可以對構建好的曲面進行相交、切割及圓角處理來實現。

2.4 曲面品質分析

在模型重建過程中，要實時地對重構的曲線及曲面進行評價及優化處理，才能保證獲得理想的模型。曲面不光順的原因通常有組成曲面的曲線不光順、構成曲面的曲線不合理及構建曲面的方法不合適。曲面的光順處理通常是與曲面的光順檢查結合進行的。在分析曲面光順性的基礎上，尋找其不光順的區域和原因，調整曲面的關鍵曲線、控制曲線或引導線，重新構建曲面，以此反復，直至曲面光順為止。

CATIA中常用的曲面光順性評價方法有曲率分析法、反射線法、等照度線、等截面曲率分析法、斑馬線法等。圖1所示為利用曲率檢查法對重構曲面的光順性分析，可見，曲面縱向和橫向兩個方向的曲率光順，因此曲面的光順性基本滿足要求。曲面精度分析是對重構曲面與點云數據之間距離的分析，重建曲面的精度分析如圖2所示，最大值與最小值的絕對值均在1mm之內，平均誤差較小，滿足設計要求。曲面的精度與曲面的光順性是兩個相互矛盾的指標，在應用時可根據設計要求側重其中一方。

2.5 曲面檢測與調整

逆向工程中，曲面的品質主要包括光順性與重合度兩個方面。采用斑馬線（等光亮度曲線）（高光線）檢測法對曲面光順性進行檢測，該方法是由日本豐田汽車公司開發出來的，簡單直觀一目了然，它的檢測原理是：向被檢測的曲面上投射一束光線，計算機能根據被檢測曲面的形狀及曲率的分布情況，生成一族能確定被檢驗曲面特性的斑馬線。

經過檢測之后，如果曲面的光順性和重合度都得不到保證，則需要重新調整曲面的控制點，調整過程大致分成以下三個步驟：①尋找壞點，并修改壞點的坐標值，使曲面的變化保持一致。②粗光順，使曲線的曲率符號一致，并保證曲面的局部單凸性或單凹性。③精光順，使曲線上各段的曲率變化均勻，滿足光順要求。

3 結 語

利用CATIA軟件集成逆向設計的優勢，通過對拖拉機輪罩點云數據的預處理、曲面重構、曲面品質分析及評價，實現了拖拉機輪罩模型的數字化，并對重建的曲面模型進行了有限元分析，結果表明，所構建曲面模型可滿足設計精度及光順性要求。

參考文獻

[1]王永輝.CATIAV5在汽車零件逆向開發中的應用[J].現代制造工程，2006（1）：113～115.

[2]胡愛軍，謝金法，苑紹志.CATIA在逆向工程中的應用[J].河南科技學報：自然科學版，2004，25（4）：58～61.

收稿日期：2018-3-15