一、引言

為了適應(yīng)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，需要將實(shí)物樣件或手工模型轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)，以便利用快速成型(Rapid prototyping，RP)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助制造(C0mPuter AidedManufacture，CAM)系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理和管理，并進(jìn)行進(jìn)一步修改和再設(shè)計(jì)優(yōu)化。此時(shí)，就需要一個(gè)一體化的解決方案：從樣品一數(shù)據(jù)一產(chǎn)品。 逆向工程就是專門(mén)為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的重構(gòu)手段，實(shí)現(xiàn)從實(shí)際物體到幾何模型的轉(zhuǎn)換。

CATIA軟件是由法國(guó)DassauIt公司開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。CATIA軟件具有完備的設(shè)計(jì)能力和很大的專業(yè)覆蓋面，它是一套集成的應(yīng)用軟件包，內(nèi)容覆蓋了產(chǎn) 品設(shè)計(jì)的各個(gè)方面：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)，既提供了支持各種類型的協(xié)同產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必要功 能，也可以進(jìn)行無(wú)縫集成完全支持“端到端“的企業(yè)流程解決方案。波音公司成功的利用該軟件實(shí)現(xiàn)了波音777客機(jī)的無(wú)紙化設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)各主機(jī)電子樣機(jī)也都由該 軟件設(shè)計(jì)制作。CATIA軟件中集成了數(shù)字化外形編輯器模塊(Digital Shape Editor)、快速曲面重構(gòu)模塊(Quick Surface Reconstruct10n)專門(mén)用于逆向工程的三維模型重構(gòu)。隨著CATIA軟件在國(guó)內(nèi)制造領(lǐng)域市場(chǎng)份額的增大和技術(shù)普及，由于其良好的集成環(huán)境及強(qiáng) 大的曲面設(shè)計(jì)能力，越來(lái)越多的人開(kāi)始用CATIA軟件進(jìn)行逆向工程設(shè)計(jì)。

二、逆向工程的定義

“逆向工程”(Revers Engneering，RE)，也稱為反求工程、 反向工程等，它起源于精密測(cè)量和質(zhì)量檢驗(yàn)。廣義的逆向工程是消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列工作方法的技術(shù)組合，是一門(mén)跨學(xué)科、跨專業(yè)的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它 包括影像逆向、軟件逆向和實(shí)物逆向三個(gè)方面。目前，大多數(shù)關(guān)于逆向工程的研究主要集中在實(shí)物的逆向重構(gòu)上，即產(chǎn)品實(shí)物的CAD模型重構(gòu)和最終產(chǎn)品的制造， 被稱為“實(shí)物逆向工程”。這種從實(shí)物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型并制造得到新產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)，已成為CAD/CAM系統(tǒng)中的一個(gè)研究及應(yīng)用熱點(diǎn)，并已經(jīng)發(fā)展成為 一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域。在這個(gè)意義下， “實(shí)物逆向工程” (簡(jiǎn)稱逆向工程)可定義為：將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱，是將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)模型 和概念模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造的過(guò)程。這設(shè)計(jì)過(guò)程與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)完全不同的，二者比較如圖1所示。

三、逆向工程應(yīng)用

逆向工程的需求主要有兩方面：一方面，作為研究對(duì)象，產(chǎn)品實(shí)物是面向消費(fèi)市場(chǎng)最廣、最多的一類設(shè)計(jì)成果。也是最容易獲得的研究對(duì)象；另一方面，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā) 和制造過(guò)程中，雖已廣泛使用了計(jì)算機(jī)幾何造型技術(shù)，但是仍有許多產(chǎn)品，由于種種原因，最初并不是由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型描述的，設(shè)計(jì)和制造者面對(duì)的是實(shí)物樣 件。在機(jī)械制造領(lǐng)域應(yīng)用多年的仿制技術(shù)，是逆向工程的發(fā)展基礎(chǔ)，但近年逆向工程的內(nèi)涵已有了很大的發(fā)展，逆向工程已成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中不可或缺的一環(huán)，其應(yīng)用范圍包括：

1．在產(chǎn)品外形的美學(xué)有特別要求的領(lǐng)域，為方便評(píng)價(jià)產(chǎn)品的美學(xué)效果，設(shè)計(jì)師廣泛利用油泥、黏土或木頭等材料進(jìn)行快速且大量的模型制作，將所要表達(dá)的意向以 實(shí)體的方式表現(xiàn)出來(lái)，而不采用在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示縮小比例的物體投影視圖的方法。此時(shí)，如果根據(jù)造型師制作出來(lái)的模型快速建立三維CAD模型，就必須引入 逆向工程的技術(shù)。

2．當(dāng)設(shè)計(jì)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試才能定型的工件模型時(shí)，通常采用逆向工程的方法，比如在航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的要求，首先要求在實(shí) 體模型、縮比模型的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)各種性能測(cè)試(如風(fēng)洞試驗(yàn)等)建立符合要求的產(chǎn)品模型。此類產(chǎn)品通常是由復(fù)雜的自由曲面拼接而成的，最終確認(rèn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅仨?借助逆向工程，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的三維CAD模型及其模具。

3．在沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整，以及沒(méi)有CAD模型的情況下，通過(guò)對(duì)零件原形進(jìn)行測(cè)量，形成零件的設(shè)計(jì)圖紙或CAD模型，并以此為依據(jù)生成數(shù)控加工的NC代碼或快速加工所需的數(shù)據(jù)，復(fù)制一個(gè)相同的零件。

4．在模具行業(yè)，經(jīng)常需要反復(fù)修改原始設(shè)計(jì)的模具型面，以得到符合要求的模具。然而這些幾何外形的改變卻未曾反映在原始的CDA模型上。借助于逆向工程的功能和在設(shè)計(jì)、制造中扮演的角色，設(shè)計(jì)者現(xiàn)在可以建立或修改在制造過(guò)程中變更過(guò)的設(shè)計(jì)模型。

5. 很多物品很難用基本幾何形狀來(lái)表現(xiàn)與定義，例如流線型產(chǎn)品、藝術(shù)浮雕及不規(guī)則線條等，如果利用通用CAD軟件，以正向設(shè)計(jì)的方式來(lái)重建這些物體的CAD模 型，在功能、速度及精度方面都將異常困難。這種情況下，必須引入逆向工程，以加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低開(kāi)發(fā)難度。

6．逆向工程在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)上同樣具有相當(dāng)高的應(yīng)用價(jià)值。利用逆向工程技術(shù)，可以直接在已有的國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的產(chǎn)品基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析、設(shè)計(jì)模型重構(gòu)、再設(shè)計(jì)優(yōu)化與制造，吸收并改進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的產(chǎn)品和技術(shù)，極大地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

四、逆向工程系統(tǒng)組成

逆向工程系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量(CAT)/計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)/計(jì)算機(jī)輔助工程分析(CAE)等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)集成應(yīng)用的一個(gè)典型例子，也是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)研究的一個(gè)重要分支。逆向工程系統(tǒng)的組成框架如圖2所示。

從逆向工程系統(tǒng)框架圖中可以看出，逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成：產(chǎn)品實(shí)物幾何形狀的數(shù)字化子系統(tǒng)、三維CAD模型重建子系統(tǒng)、產(chǎn)品或模具的制造子系統(tǒng)。

1．產(chǎn)品實(shí)物幾何外形的數(shù)字化系統(tǒng)產(chǎn)品表面的數(shù)字化又 稱數(shù)據(jù)測(cè)量，是指通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法，將物體的表面形狀轉(zhuǎn)化成離散的幾何點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，就可以進(jìn)行復(fù)雜曲面的建模、評(píng)價(jià)、改進(jìn)和制 造。因而，高效、高精度地實(shí)現(xiàn)樣件表面的數(shù)據(jù)采集，是逆向工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。目前用來(lái)采集物體表面數(shù)據(jù)的設(shè)備和方法多種多樣，其原理也各不相同。不同的測(cè)量 方法，不但決定了測(cè)量本身精度、速度和經(jīng)濟(jì)性，還使得數(shù)據(jù)類型和后續(xù)處理方式不盡相同。逆向工程三維數(shù)據(jù)從獲取取方法基本上可分為接觸式和非接觸式。三坐 標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)是一類使用得最為廣泛的接觸式測(cè)量設(shè)備，它具有噪聲低、精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于檢測(cè)系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是：速度慢、效率低。另一 方法是非接觸式，測(cè)頭不接觸待測(cè)物體的表面，它利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象來(lái)獲取其三維信息，其數(shù)據(jù)傳遞介質(zhì)有激光、聲披、電磁場(chǎng)等，其中 應(yīng)用光學(xué)原理發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代三維形狀測(cè)量方法應(yīng)用最為廣泛，如為媒介激光三角形法、結(jié)構(gòu)光潔、計(jì)算機(jī)視覺(jué)法、激光干涉法、激光衍射法等。非接觸式測(cè)量的特 點(diǎn)是測(cè)量速度快，因而可以相當(dāng)密集地對(duì)產(chǎn)品表面進(jìn)行測(cè)量，形成所謂的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)。從逆向工程設(shè)計(jì)而言數(shù)據(jù)采集方式及設(shè)備主要根據(jù)采集精度、采集速度、采 集完成性、及測(cè)量成本來(lái)選擇。

2．三維CAD模型重建子系統(tǒng)? 在逆向工程中，由于后續(xù)產(chǎn)品加工制造、快速原型制造、虛擬制造仿真、工程分析和產(chǎn)品再設(shè)計(jì)都需要CAD數(shù)學(xué)模型支持，所以實(shí)物的三維CAD模型重建是逆向 工程設(shè)計(jì)過(guò)程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)。國(guó)際市場(chǎng)上主要的逆向工程軟件有：Imageware、GeomagicStud io等，在CATIA、UG、Pro/E等流行CAD/CAM軟件中都集成了類似模塊。由于CATIA軟件在航空工業(yè)領(lǐng)域的特殊地位，以及其強(qiáng)大的集成設(shè) 計(jì)功能，本文只介紹CATIA軟件三維模型重建方法。CATIA軟件逆向三維模型重建過(guò)程見(jiàn)圖3所示。

(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入與預(yù)處理

CATIA可以接受任何格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如ASII、STL、IGS、IGES等)。CATIA對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括以下幾個(gè)方面：

點(diǎn)云的導(dǎo)入、激活；將掃描數(shù)據(jù)讀入數(shù)字化外形編輯模塊，當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大時(shí)可以只激活一部分點(diǎn)云進(jìn)行編輯，減小機(jī)器運(yùn)算負(fù)荷(如圖4、5所示)。

點(diǎn)云過(guò)濾、刪減；目前激光掃描采集技術(shù)所測(cè)量點(diǎn)數(shù)目非常龐大，對(duì)這樣的點(diǎn)云在保證一定精度的前提下，進(jìn)行點(diǎn)云過(guò)濾能夠提高處理速度。一般在曲面曲率變化緩 慢的地方減小點(diǎn)數(shù)量，在曲率變化較大的地方密集取點(diǎn)。CATIA點(diǎn)云過(guò)濾有兩種方式：公球差法、弦高差法(如圖6、7、8所示)。點(diǎn)云刪減主要是為了刪除 那些在測(cè)量過(guò)程中作為緩沖區(qū)的多余的點(diǎn)。點(diǎn)云對(duì)齊、合并等；對(duì)大物體進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描時(shí)，由于掃描機(jī)無(wú)法～次取得完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，就需要在CATIA中進(jìn)行各部 分點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊與合并操作。點(diǎn)云對(duì)齊有兩種方法：利用對(duì)準(zhǔn)球?qū)R，要求數(shù)據(jù)測(cè)量者在測(cè)量時(shí)對(duì)前后兩次測(cè)量重疊部分加入記號(hào)，即校正圓球；利用點(diǎn)云對(duì) 齊，CATIA會(huì)試著將兩個(gè)點(diǎn)云區(qū)塊重合達(dá)到對(duì)齊目的。

當(dāng)然現(xiàn)在一些比較先進(jìn)的三維掃描設(shè)備自帶數(shù)據(jù)處理軟件就能夠?qū)崿F(xiàn)分部掃描數(shù)據(jù)合并工作，它作用原理是坐標(biāo)變換，即要求統(tǒng)一坐標(biāo)系，當(dāng)測(cè)量設(shè)備移動(dòng)時(shí)先確定測(cè)量設(shè)備在統(tǒng)一坐標(biāo)系位置，再通過(guò)坐標(biāo)換算將分步測(cè)量數(shù)據(jù)換算到同一坐標(biāo)系下，這種點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整性、可靠性較高。

(2)網(wǎng)格面生成與優(yōu)化

CATIA點(diǎn)云網(wǎng)格面是以NURBS(有理非均勻有理B樣條)曲面為基礎(chǔ)擬合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，網(wǎng)格面作用既可以為后續(xù)特征線、邊界線構(gòu)建提供基礎(chǔ)，也可以在精度 要求不高的情況下直接作為數(shù)控加工NC碼輸出曲面。網(wǎng)格面生成、優(yōu)化主要包括：鋪面、補(bǔ)洞、偏移、三角網(wǎng)格邊線修正、網(wǎng)格平滑、網(wǎng)格清理、網(wǎng)格刪減等(如 圖9~圖12所示)。

(3)交線創(chuàng)建

創(chuàng)建重構(gòu)曲面模型所需要的交線，這里交線的概念不是真正幾何意義上的線，它是一個(gè)“線帶”這個(gè)“線帶”由離散的點(diǎn)云構(gòu)成(如圖13所示)。線帶公差范圍越小最終所擬合出曲線越精確，反之則粗糙。CATIA交線創(chuàng)建有四種方法：

曲線投影，通過(guò)空間曲線按一定矢量方向投影到網(wǎng)格面上生成曲線如圖14所示：

截面線，通過(guò)一組平行平面切割網(wǎng)格面獲得交線，這是一種比較常用的曲面構(gòu)造方法，通過(guò)截面線放樣能夠還原出復(fù)雜曲面模型(如圖15所示)：

點(diǎn)云交線，通過(guò)連接網(wǎng)格曲面相交位置的點(diǎn)云獲得交線(如圖16所示);

自由邊界，直接提取網(wǎng)格面所有自由邊界線(如圖17所示)。

(4)邊界曲線、特征曲線重構(gòu)

通過(guò)對(duì)交線的擬合創(chuàng)建構(gòu)成曲面必須的邊界曲線，特征曲線。CATIA提供了強(qiáng)大的集成環(huán)境，可以在這個(gè)集成環(huán)境中通過(guò)任意個(gè)模塊來(lái)構(gòu)建重構(gòu)曲面所必須的邊 界曲線和特征曲線，一般來(lái)說(shuō)最常用的兩種方法是空間3D曲線自由構(gòu)建法，交線轉(zhuǎn)換曲線法(如圖18. 19所示)。

(5)模型曲面重構(gòu)

在已有的邊界曲線、特征曲線基礎(chǔ)上通過(guò)快速曲面重構(gòu)模塊、創(chuàng)成式曲面造型模塊、自由曲面模塊完成模型曲面重構(gòu)。在已有邊界線、特征曲線的前提下，除常用的 “正向”設(shè)計(jì)方法外，CATIA體統(tǒng)了強(qiáng)大自適應(yīng)擬合工具及基本曲面辨識(shí)工具。適應(yīng)擬合工具對(duì)復(fù)雜曲面，能夠在邊界線確定條件下，自動(dòng)根據(jù)邊界內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù) 擬合出曲面(如圖20所示);基本曲面辨識(shí)工具能夠自動(dòng)辨識(shí)常用規(guī)則曲面。

(6)模型曲面分析

CATIA提供了全面、完善的曲線、曲面分析工具。主要有:

距離分析，分析兩個(gè)物件之間的距離并用色階形式顯示，能夠檢查出重構(gòu)模型曲面與數(shù)據(jù)點(diǎn)云之間誤差。

曲率分析，通過(guò)高斯曲率、截面曲率、切矢、雙向曲率、法向矢量等分析方法來(lái)檢查曲線、曲面質(zhì)量。

反射線法、高光線法、等照度法、焦點(diǎn)曲面法，通過(guò)這些先進(jìn)的光學(xué)檢測(cè)方法，能夠?qū)⑶婕?xì)微的缺陷放大以便能夠直觀的判斷曲面的連續(xù)性和凹凸性。

3.產(chǎn)品或模具制造子系統(tǒng)

在完成實(shí)物的CAD三維模型重構(gòu)后，可以直接在CAD軟件模具設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行模具設(shè)計(jì)(CATIA的Mold ToolingDesign為模具設(shè)計(jì)模塊)或通過(guò)數(shù)控加工制造產(chǎn)品，也可以通過(guò)快速原型制造技術(shù)(Rapid Protyping Manufacturing)來(lái)直接制造原型和模具。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，利用CAD/CAM技術(shù)、先進(jìn)快速制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)物的逆向工程，已成為CAD/CAM領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。作者對(duì)基于以CATIA的逆向工程在飛機(jī)改裝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中的應(yīng)用有以下展望:

(1)無(wú)圖紙飛機(jī)逆向建模改裝設(shè)計(jì)技術(shù);

(2)對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品的模型仿制，結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)分析與改進(jìn);

(3)基于CATIA逆向工程的數(shù)控加工、快速制造;

(4)基于逆向工程的復(fù)合材料加工制造。

這些應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)需要兩個(gè)因素:一是基礎(chǔ)設(shè)備購(gòu)建，如實(shí)物模型測(cè)量設(shè)備、數(shù)控加工、快速制造設(shè)備。二是設(shè)計(jì)人員素質(zhì)的提高，設(shè)計(jì)人員需掌握先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，了解新的加工工藝、制造技術(shù)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的catia逆向建模步骤_catia与逆向工程的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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