CATIA V5在逆向造型中的应用方法研究

付雅军 王有军

摘 要：产品的逆向造型设计是设计过程中不可缺少的设计手段，它在产品造型、型面构建和产品的结构布置等方面都起着重要的作用。通过一个设计实例归纳出如何运用CATIA V5来进行产品的逆向造型设计的过程，并在实际操作中总结出了相關的应用方法，为其他设计人员在使用三维设计软件CATIA V5进行产品的逆向造型设计时提供一定的参考依据。

关键词：产品设计;逆向造型;CATIA V5;应用方法

引言

逆向设计是一个极其复杂和繁琐的过程，要求设计者具有丰富的产品正向设计经验，通过对产品的点云数据的观察去深刻揣摩原设计者的设计方法[1]。目前数字化系统和计算机软件技术的完美结合为逆向工程设计提供了先进的解决方案。它能最精确和高效率地处理几乎所有针对复杂部件和产品的逆向工程工作[2]。其中，CATIA软件是法国达索公司研发的一款知名三维设计软件，广泛应用于汽车、航空航天、工业设备、建筑工程等领域[3]，通过它可以很好地实现逆向工程在新产品开发和产品改型设计、产品仿制等方面的应用，并已成为汽车行业CAD软件的标准。

CATIA V5软件在产品的逆向造型设计中使用到的主要模块有逆向点云编辑模块（Digitized Shape Editor）和逆向曲面重建模块QSR（Quick Surface Reconstruction）。逆向点云编辑模块主要用于曲面构建前期的点云数据的导入、输出以及各种编辑处理;逆向曲面重建模块主要用于逆向过程中的各种曲线和曲面特征的创建和编辑，上述两个模块再综合使用自由曲面模块FS（Free Style）和创成式曲面设计模块GSD（Generative Shape Design），便能完美的实现产品的逆向造型过程。

逆向设计一般遵循的造型过程为点-线-面-实体。下面结合一个实例来详细阐述如何运用CATIA V5三维设计软件来实现零件的逆向设计过程。

一、点云数据的导入和处理

产品的逆向设计成功实施的关键是正确掌握它的一些技术要点，而首先就是产品点云数据的导入。CATIA V5用到前期处理模块（逆向点云编辑模块DSE）是可以导入几乎所有的三坐标测量数据，格式通常为：STL、ASCII、IGES、CGO等[4]。该模块主要完成对云点数据的导入导出、网格化、编辑处理、操作及分析等任务。

首先导入点云数据，点击“输入”命令，导入后的数据。如果三坐标测量出的点云数据比较粗糙，导入点云后我们还要对它进行相应的处理，常用到的命令为激活点云、过滤点云、移除点云。在激活和移除点云时注意，要根据实际需要处理哪一部分的点云数据，在弹出的相应对话框中去选择不同的选项进行选择，尽量做到灵活运用。

其次如果零件形状复杂，一次扫描无法获得全部的数据，或是零件较大无法一次扫描完成，而对产品进行了多次扫描时，就需要对点云数据进行多次导入。此时就需要对点云数据进行重新定位，以保证结果的准确性。常用到的命令有：使用罗盘对正点云、以最佳适应对正、以球对正、用RPS对正。目前RPS系统已被世界各大公司使用，因此我们一定要灵活运用RPS对正点云的方法，来更加精确的保证产品的尺寸精度。

最后要对点云数据进行网格化处理。因为只有通过在点云数据上创建各种形状的网格特征，以凸显出点云数据所表现的产品几何形状，才能为后续创建各种几何曲线、曲面提供参考。常用到的命令有：创建网格面、偏移网格面、光顺网格面、优化网格面、孔填充，以及对创建的网格面的操作命令：合并网格面、分割网格面、修剪网格面、投影网格面至平面，通过运用以上命令对点云数据的一系列的操作，得到网格面。

二、创建产品的特征曲线

产品的逆向无非就是先构线再铺面的过程，所以需要设计人员创建出反应产品几何形状的特征曲线，为后续创建各种曲面提供参考。此时就需要使用到模块为逆向曲面重建模块QSR中的命令。常用的命令有：3D曲线、创建投影曲线、创建平面交线和从扫描创建曲线联合使用生成曲线、网格面边线、点云扫描、如果你不能通过上述命令构造出特征曲线，又想要提取出产品中曲率变化较大的边界曲线时，可以用“通过曲率分割段”命令来提取特征曲线。通过上述命令的操作得到几条特征曲线。

特别需要注意的是，对于所创建的每条曲线都要对其进行曲线的曲率分析、连接检查器分析和距离分析，以确保曲线的连续性和光滑性以及曲线与点云的吻合程度，保证曲线上的各点距离和点云数据二者的距离误差在±0.1mm之间[5]，这样做出的曲线才符合设计标准。

三、创建产品的外形曲面

产品逆向造型设计的后期处理平台是逆向曲面重建模块QSR，因为大部分的曲线编辑修改和曲面创建、编辑都是在该模块下完成的。任何零件的外表面都是由平面与曲面组成的，如果是平面，就用该模块下的命令“基本曲面识别”来创建。通常一个零件是由很多单独的曲面构成，对于每一个曲面，可根据特性判断用什么方式来构成。逆向设计中曲面的创建最常用的方法是综合运用逆向曲面重建模块中强力黏合命令、自由曲面模块FS和创成式曲面设计模块GSD中的各种创建曲面命令来完成。同创建曲线一样，为了得到更准确、更光顺的曲面，要对曲面的进行曲面的斑马线分析、距离分析和曲面的曲率分析等来检查生成曲面的质量。经过一系列的操作得到的曲面。

四、转换成实体模型

由于曲面在实际工作中是无法生产的，只有将曲面转换成实体，才可以用于加工制造。因此，构建完产品的外形曲面后，一定要到“实体零件设计”工作平台去进行最后的操作。常用的命令如下：分割、厚曲面、封闭曲面和缝合曲面。通过上述操作得到的实体零件。

五、结语

产品的逆向造型设计的特点是在产品的设计过程中极大的降低了难度系数，使得工业生产设计成本低、设计周期缩短[6]，而用逆向设计的方法所得到的产品模型，可以参与各种试验，可随时验证设计的结果是否合理以备进行适当的修改。本文详细阐述了如何运用CATIA V5三维软件来实现产品逆向的全部过程，对于有着丰富正向设计经验的工程师来说，有着一定的参考价值，为以后在新产品开发时，能够灵活运用正向设计和逆向设计综合使用的方法来完成产品的设计提供依据。

参考文献

[1]秦琳晶，姜东梅，王晓坤.中文版CATIA V5R21完全实战技术手册[M].北京：清华大学出版社，2017.

[2]熊仆，丁全. CATIAV5软件在汽车零部件强度设计上的应用[J]. CAD/CAM与制造业信息化，2004（11）：47–48.

[3]王永辉. CATIA V5在汽车零件逆向开发中的应用[J].现代制造工程，2006（1）：113–115.

[4]乔建军，王挺.中文版CATIA V5经典学习手册[M].北京：科学出版社，2009.

[5]林清福. CATIA V5 R13逆向工程产品设计[M].北京：中国铁道出版社，2007.

[6]赵宇明，张国忠，于哲峰. CATIA软件在汽车逆向设计点云处理技术中的应用研究[J].机械设计与制造，2005（6）：80–82.