逆向工程代码重构 基于CATIA逆向工程复杂样条曲线重构方法研究

　　摘 要：对于复杂零件的逆向设计，常常是通过激光、三坐标测量仪等方法对样件三维数据进行采集，可获得高质量的点云文件。但是这些点云文件数量很大，计算时将耗费过多的计算机资源。基于CATIA软件对点云数据进行过滤、划界、分网等处理方法进行了研究，运用曲线重构的方法，创建特征曲线组，利用多段曲线拟合获得点云的特征线网络，最后将拟合得到的曲线与原始点云数据进行误差分析。研究证明，通过这种方法可以获得质量更好、占据资源更小的曲线，为后续曲面和实体的生成奠定了精确基础。
　　关键词：逆向工程；点云；样条曲线；曲线重构
　　中图分类号：TH126.2文献标识码：A
　　文章编号：1672-1098(2012)02-0010-03
　　收稿日期：2012-02-24
　　作者简介：王开松(1969-)，男，安徽肥东人，教授，博士，从事机械设计及理论的教学和科研工作。
　　Study on the Complex Spline Reconstruction Method
　　Based on CATIA Reverse Engineering
　　WANG Kai-song, ZHOU Qing-qing, Ni Ren-zhong
　　(School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)
　　Abstract:For the reverse design of complex parts, the laser, coordinate measuring machine and other methods are usually used to obtain 3D data and high quality point cloud files, but the amount of the point cloud data may be very large, calculation will consume too much computer resources. The thesis studied on the method of filtering the data, dividing the area, and creating the Grid etc which based on CATIA software, and made a attempt at the method of the curve reconstruction, got the characteristic curve network of the point cloud with several curve fitting method, created characteristic curve group using NURBS, finally, error analysis was taken between the data from fitting and the original one. Through this method we can get the curve with better quality, and it also provides a firm foundation of precision for the follow-up curve and surface’s generation.
　　Key words:Reverse engineering; point cloud; spline; curve reconstruction
　　CAITA三维设计软件是法国达索公司的产品，它的集成解决方案几乎覆盖了工业产品设计制造的所有领域，其优势很多，在逆向造型方面采用NURBS方法描述曲线曲面，解决了自由曲线(面)与初等解析曲线(面)描述不相容的问题，通过编辑控制点改变曲线形状生成任意复杂曲面，再利用光顺功能提高曲面的重构质量和效率；提供了多曲面整体编辑功能和网格面、风格扫描面的造型方法，按原产品曲面形状快速实现重构；采用混合参数的几个方式建模［1-2］。
　　随着计算机新技术的不断应用，汽车工业蓬勃发展，产品更新迅速，这就对汽车零部件的设计工作提出了更高的要求，现代汽车零部件具有外观造型复杂化、功能多样化、生产周期短等特点。然而按照传统的开发过程，从项目确定开始，开发设计产品的零部件模型，再到生产制造样件，测试性能试验等，需要一个较长的过程，从而使得整个生产过程周期较长、成本较高。在这样的背景下，逆向设计工业应运而生。逆向设计开始在现代工业设计中发挥着越来越重要的作用，它是将实物模型转化为数字模型的一个重要部分［3］。在此过程中，根据点云文件创建特征曲线又是非常重要的一个环节。本文应用CATIA V5软件，论述在对某个零件体逆向造型过程中复杂曲线创建方法的研究工作。
　　1 前期处理
　　1.1 点云数据的采集与输入
　　数据采集是逆向造型的基础，必须准确。目前三维数据的测量设备朝着高速度、高精度、集成化、智能化、系统化的趋势发展［4］。通常数据采集使用坐标点测量仪器，如三坐标测量仪和激光三维扫描机。也有一些通过CCD相机拍照获得点云数据，它是利用Tritop软件将得到的数据进行优化、探测特征线条，并进行光顺、简化等操作［5］。
　　CATIA软件支持ASCII、ATOS、CGO、IGES等多种点云数据类型的输入。点云文件导入到CATIA V5中，首先需要进入Digital Shape Editor工作平台，利用Import功能导入文件。
　　1.2 点云数据的处理
　　如果点云数据是通过两次或多次测量得到，那么当分别导入数据后需要进行调整以对齐云点，并进行合并处理。合并后的点云中数量可能较大，计算时耗费过多计算机资源，并且铺面并不需要那么多的点，因此，可以利用过滤功能将多余的点按照不同的方法去除。CATIA V5提供了两种不同的过滤方式：一种是球过滤法(Homogeneous)，它对所选择的点云部分根据用户定义的球半径大小进行均匀过滤；另一种方法是自适应过滤法(Adaptive)，它是根据点与点之间的弦长，将某偏差值内的点过滤掉，利用这种方法可以在曲率变化小的地方过滤掉较多的点，曲率变化大的地方过滤掉较少的点，使得产品特征更加明显［6］。过滤后选择将要处理的部分，利用铺面功能创建出三角网格曲面，能直观了解结构的形状(见图1)。