1、沈阳航空航天大学毕业设计（论文） I 摘 要 本文主要介绍了基于 CATIA 软件将汽车发动机盖板数据点云通过逆向工程技术设计成零件实体的过程，以及其数控模拟加工。在设计过程中涉及到点云整理、数字编辑、自由曲面造型、快速曲面造型等技术。在建模过程中，遇到桥接出现错误、拼接无法完成等问题，都得到了较好的解决。 在具体逆向设计中，为了建好曲面模型，运用了不同的方案，经过多次的失败和改正后，最终获得了较好的曲面模型。 关键词：逆向工程；引擎盖； CATIA；曲面造型； 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） II Abstract The article is about basing on CATIA
2、software to design the part entity with point cloud of automobile engine hood data by reverse engineering and its numerical control simulation processing. Technologies such as cloud arranging, the digitized shape editor, the free curved surface model and quick surface reconstruction are being used i
3、n the process of designing. In the process of building model, the problem of blend-surface error and join surface has been resolved ， which has been resolved on higher level. In the specific reverse design, I used different plans in order to build good surface model and got good surface model in the
4、 end ,after facing many times of failure and correcting them. Key words ： Reverse Engineering； hood; CATIA; Surface Modeling; 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 逆向工程概述 .1 1.1 逆向工程定义及其应用 .1 1.2 逆向工程系统 .2 1.2.1 产品实物几何外形的数字化系统 .2 2 CATIA V5 介绍 .4 2.1 CATIA 在制造业的应用 .4 2.2 CATIA V5 概貌 .4 3
5、CATIA 逆向工程建模基础 . 13 3.1 CATIA 曲面的 逆向重构 . 13 3.1.1 由曲线构造曲面的方法 . 13 3.1.2 由曲面派生曲面的方法 . 14 3.2 CATIA 逆向工程建模基本流程 . 15 3.3 CATIA 逆向工程的特点 . 16 3.4 CATIA 用于逆向工程的主要模块功能简介 . 16 3.4.1 DSE 数字编辑器模块 . 16 3.4.2 QSR 快速曲面重构模块 . 16 3.4.3 GSD 通用曲面造型模块 . 17 4 汽车 发动机盖板逆向数字建模过程 . 19 4.1 发动机盖板点云的处理 . 19 4.2（方法一）发动机盖板外形 曲
6、面的制作 . 24 4.3（方法一）发动机盖板孔的制作 . 34 4.4 （方法一）对称曲面 . 39 4.5（方法一）实体的生成 . 41 4.6 (方法二）点云的再处理 . 42 4.7（方法二）利用强力匹配生成右半面 . 43 4.8 两种方法比较 . 44 5 汽车 引擎盖模具型面数控加工仿真 . 45 5.1 创建毛坯零件 . 45 5.2 创建加工坐标原点 . 46 5.3 设置零件操作定义 . 47 5.4 设置粗铣加工参数 . 49 5.5 换刀设置 . 52 5.6 设置精铣加工参数 . 53 5.7 刀路仿真 . 56 5.8 后处理 . 59 5.8.1 激活功能选项 .
7、 59 5.8.2 生成 NC 数据 . 59 结束语 . 63 致谢 . 65 参考文献 . 66 附录 数控加工 NC 代码 . 67 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 1 1 逆向工程概述 1.1 逆向工程定义及其应用 逆向工程（ Reverse Engineering,RE），也称反求工程或反向工程等，它起源于精密测量和质量检验。广义的逆向工程是消化和吸收先进技术的一系列工作方法的技术组合，它包括影像逆向、软件逆向和实物逆向等三个方面。目前，大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物的逆向重构上，即产品实物的 CAD 模型重构和最终产品的制造，被称 为“实物逆向工程”。这种从实物样件获取产
8、品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已成为 CAD/CAM 系统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。在这意义下，“实物逆向工程”（简称逆向工程）可定义为：将实物转变为 CAD 模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。 一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容： （ 1） 新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。 （ 2） 已有零件的复制，再现原产品的设计意图。 （ 3） 损坏或磨损
9、零件的还原。 （ 4） 数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。 由下图 1.1 可了解逆向工程的整个产品的开发过程。 图 1.1 产品开发流程 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 2 1.2 逆向工程系统 随着计算机技术的发展，逆向工程技术和先进制造技术的结合日趋紧密，如 20世纪 80 年代初发展起来的快速原形技术、基于网络的异地设计及制造技术等，在产品设计和制造阶段都需要逆向工程技术的支持。同时，逆向工程技术也和计算机辅助测量（ CAT）、辅助设计（ CAD）、辅助制造（ CAM）以及计算机辅助工程分析（ CAE）密切相关。逆向工程成功应用的关键不仅在于各
10、计算机辅助子模块能较好地独立完成各项工作，很大程度上还取决于各个子模块的计算机集成程度。可以说，逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE 等先进的计算机辅助技术集成应用的一个典型例子。如何将这些技术组成一个整体，即集成逆向工程系统，是逆向工程技术应用研究的一个重要方向。 逆向工程系统主要由三部分组成：产品实物几何外形的数字化子系统、三维 CAD模型重建子系统、产品或模具的制造子系统等。 1.2.1 产品实物几何外形的数字化系统 产品表面数字化又称数据测量，是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据，在此基础上，就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因而，
11、高效、高精度地实现样件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一，是逆向工程中最基本，最不可缺少的步骤。数据获取在产品设计师与逆向工程及 CAD/CAM/CAE/RP/CNC 之间扮演着桥梁的角色。可以这么认为，数据测量是逆向工程的基础，测量数据的质量与最终模型的质量密切相关，直接影响到整个工程的效率和质量 。实际应用中，常发生因模型表面数据获取的问题而影响重构模型精度的情况。因此，如何取得较佳的物体表面数据，一直是逆向工程的一个主要研究内容。 目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。测量方法的选用是逆向工程中一个非常重要的问题。不同的测量方式，不但决定了
12、本身的精度、速度和经济性，还使得测量数据类型及后续处理方式不尽相同。根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中物体表面三维数据的获取方法基本上可分为两大类，即接触式与非接触式。根据测头的不同，接触式又可分为触发式和连续式；非接触式 按其原理不同，又可分为光学式和非光学式。其中，光学式包括三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法等；而非光学式包括 CT 测量法、沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 3 MRI 测量法、超声波法和层析法等。 测量方式对比与设备选型 接触式测量有以下优点。 因接触式探头发展已有几十年，其机械结构及电子系统已相当成熟，故有较高的准确性和可靠性。 接触式测量
13、的探头直接接触工件表面，故对工件表面的反射特性、颜色及曲率关系要求不高。 被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速地测量出物体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等 。 与接触式测量相比，非接触式测量主要有以下优点。 不必做探头半径补偿，因为激光光点位置就是工作表面的位置。 测量速度非常快，不必像接触式触发探头那样逐点进行测量。 软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。 对于逆向测量而言，数据采集的方式应满足下面这些要求。 采集精度应满足工程的实际需要，如汽车工业，其最终的整体符合精度不能低于 0.1 mmm/ 。 采集速度要快，尽量减少测量在整个逆向工程中所占有的时
14、间。 数据采集要完整，不能有缺漏，以免给后期的曲面重 构带来障碍。 数据采集过程中不能破坏原形。 降低测量成本。 根据上面这些要求，可以根据逆向工程中测量的实际情况，选择不同的测量方式，或同时利用不同的测量方式进行互补，以得到一个精度高、信息全面的测量数据。 在接触式测量方法中，三坐标测量机（ CMM）是应用最为广泛的一种测量设备，再结合实际情况，利用三坐标测量机进行测量。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 4 2 CATIA V5 介绍 2.1 CATIA 在制造业的应用 CATIA 的全称为 Computer-Aided Three-dimension Interactive Applic
15、ation，是集成 CAD、 CAM、 CAE 的大型软件，由法国达索系统公司开发，是全球制造业的主流设计软件。 CATIA 广泛应用于制造业的各个领域，从航空、汽车、造船、通用机械到电子电器、生活用品。许多世界知名的公司如波音、克莱斯勒、宝马、奔驰、本田、丰田等都使用 CATIA 作为主要的设计软件。 随着中国制造业的发展，特别是汽车工业的发展，随着越来越多的国际把生产和开发工作引入中国， CATIA 也在不断地普及和深入。 2.2 CATIA V5 概貌 CATIA V5 涵盖了机械设计、外形设计、分析与仿真、工厂设计、数控加工、数字化样机、数字样机、设备与系统、人体工程和知识工程等丰富的
16、内容。图 2.1 所示为包含了所有 CATIA V5 模块的菜单。每个使用 CATIA V5 的企业都只是用其中的一部分模块，但是，了解一下 CATIA V5 所包含的模块还是很有用的。 “基础模块”包含了如图 2.2 所示的模块，装配件的产品结构、材料库、与 CATIIA早期版本接口、标准件库编辑器和能够实现逼真、美丽的渲染效果的照片工作室和室时渲染，还有虚拟现实、特征字典编辑器等模块。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 5 图 2.1 CATIA V5 模块 图 2.2 基础结构 在图 2.3 中可以看到 CATIA V5 用于机 械设计的模块：除了实体造型的零件、装配件设计、二维制图和二
17、维草图基础模块外，还有焊接模块、钣金设计等模块。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 6 图 2.3 机械设计 图 2.4 所示，“形状”子菜单中包含了 CATIA 曲面造型的模块，包括能够创建 A级曲面的自由曲面造型、汽车 Class A、汽车车身紧固件设计、在二维图片上描画曲线的早图跟踪器、处理从三坐标测量仪生成的点云数据的数字化外形编辑器，以及后续重建曲面的快速曲面重建模块、在点云数据上直接造型的外形雕刻，还有产品结构设计过程中普遍应用的创成式外形设计等模块。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 7 图 2.4 形状 图 2.5 所示，“分析与仿真”子菜 单中包括可变形装配的公差分析、网格划分工具和对零件和装配件进行强度分析等模块。 图 2.5 分析与仿真 图 2.6 所示，“ AEC 工厂”子菜单中包含工厂布局模块。
