基于CATIA V5飛機零件的逆向設計

蘇力德

摘 要：逆向工程就是根據已經存在的產品模型，反向推出它的CAD模型的過程。本文對由于各種原因沒有CAD模型的實體零件或使用年限長、磨損嚴重的大型工裝進行掃描，對得出的數據進行CATIA處理，最終得出CAD模型的過程進行研究，并且對所得零件進行一定的精度分析。

關鍵詞：逆向工程;點云;CAD模型

一、前言

當前，國內航空企業主要是通過先設計飛機三維模型形成工程數據，之后在工程數據的基礎上按照工藝要求，添加工藝信息后通過數控加工成零件。但是由于我國航空企業由“引進—仿制—設計”模式發展過來，其中很多飛機零件只有圖紙或工裝，沒有CAD模型，導致該類飛機零件的加工受到很多的約束。隨著數字化技術的發展，這種情況促進了逆向工程技術在航空企業的應用。通過逆向工程設計模型的主要步驟是采用三維掃描系統獲取實物模型的外部點云數據，經將噪聲點等處理后將點云以igs、stl、iges等格式引入到CATIA軟件中，然后采用CATIA軟件在這些數據的基礎上進行設計。

二、零件特點介紹

需要逆向成型的零件多為形狀復雜，難以一次成型，且只有圖紙或工裝，損壞后難以加工的零件。下面的零件是較為典型的需要逆向建模的零件，由于長時間的使用，該零件的模胎已經損壞，該零件底面為雙曲面，上面具有兩個凸臺，形狀復雜，難以一次成型。具體零件如圖1所示。

三、零件逆向設計過程

3.1? 數據采集

數據采集是逆向工程的第一步，也是最重要的一步，通過掃描得到實體模型的相關數據。掃描圖1中的零件時我們可采用手持式自定位三維掃描儀，這種掃描儀精度高，掃描速度快。在實際掃描過程中，我們應當要對零件輪廓、孔邊緣等進行預先處理，以便在掃描過程中能夠較好的顯示出這些特征的邊緣線。還有在掃面過程中為保證點云的正確性，最好將零件的表面凹痕補修后再進行掃描。

3.2? 點云處理

3.2.1 噪聲點的處理

點云采集過程中由于掃描設備精度、操作者經驗、被掃描件表面質量、環境等因素的影響，容易產生一些噪聲點、測量誤差點，這些點將影響重建CAD模型，應將其刪除。操作者應當根據零件或工裝的實體，將點云中肉眼能夠辨別的噪聲點刪除，保證移交給設計員的點云正確性。

3.2.2 數據過濾

采用三維掃描系統進行掃描時，每次得到的點云數據由成千上萬的點組成，若將這些點用于建立CAD模型，一方面大量數據的存儲和處理將消耗計算機資源，使計算機變得很慢，浪費時間，另一方面并不是所有的數據點在建立曲面時都能用上，因此有必要在保證一定精度的前提下對點云進行精簡。

在CATIA軟件中過濾命令用于點云的過濾。過濾方式有兩種，一是公差球方式，另一種為弦高差方式。其中公差球方式是以一點為基準，將公差球半徑范圍內的點去除，而后再以附近的點為基準，重復此操作，最后形成均勻的點云。弦高差方式在點云外廓變化劇烈處保留較多點，變化平緩處則保留較少點，即利于保留點云特征。

3.3? 建立曲面

建立曲面是逆向建模過程中最重要的環節。像該零件底面為雙曲面，且零件上還有凸臺，形狀復雜，難以一次成形組成，所以逆向建模前需要根據零件表面特點將曲面進行分割，以便對不同部分采用合理的方法重建曲面，如圖2、，最后再將所有曲面片拼接、縫合成一個整體。CATIA 軟件中逆向建立曲面較為常見的兩種命令為基本表面識別命令和強力擬合命令。基本表面識別命令的用途在于零件表面為規則曲面，如圓柱面、錐面、球面、平面等時可快速形成曲面;而強力擬合命令則用于曲率變化不是很激烈的雙曲度平面時可按此命令快速擬合曲面。而對于曲率變化較為激烈的雙曲度曲面則將點云用切面相切后通過樣條曲線、3D曲線對截面線進行優化，之后用多截面曲面等命令將曲線擬合成曲面。

3.4? 零件檢驗及修改

逆向建模是由將掃描的點云數據通過一系列的手段擬合成曲面，再把曲面變成實體的過程，這其中肯定會存在外形上的誤差，因此往往需要對擬合后的曲面進行反復修改，有時更是需要重新掃描實體、重建曲面才能最終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將零件外形面與點云進行對比，在CATIA軟件中具有各種對比命令，在逆向建模過程中常用的對比命令為偏離分析（）命令，如下圖中在±0.5范圍內92.18%的點云與曲面相符合，而在±1范圍內98.88%的點云與曲面相符合。我們從圖2中看出點云與曲面的最大誤差為2.61mm，所以曲面還有修改和改進的地方。

3.5? 建立實體

零件的曲面擬合完成，經過對比合格后通過厚曲面、封閉曲面等命令得到零件實體。

四、結束語

逆向工程技術在航空企業中應用的時間雖然不長，但作為一個高效的產品設計思路和方法，其廣泛的應用前景已經為絕大多數航空制造企業和工程技術人員所關注。而如今，在航空企業中如何提高逆向工程的CAD模型更加接近實體成為了航空制造企業的工程技術人員研究的主要對象。