基于CATIA的逆向工程點(diǎn)云定位方法

2013-08-09 by:廣州SolidworksUGCatia培訓(xùn)中心來(lái)源:仿真在線

一、引言

逆向工程在汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域是一種重要且常用的設(shè)計(jì)手段,在產(chǎn)品造型、型面制作和結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)等階段發(fā)揮著重要的作用。而逆向工程的主要依據(jù)是通過(guò)掃描手段得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于點(diǎn)云所處的坐標(biāo)系統(tǒng)與設(shè)計(jì)參考坐標(biāo)系沒(méi)有任何關(guān)聯(lián),因此還需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行定位和調(diào)整。目前通常以目視和簡(jiǎn)單測(cè)量的方法調(diào)整點(diǎn)云坐標(biāo)到所需的設(shè)計(jì)坐標(biāo)系統(tǒng),因此導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率低下,人為增大設(shè)計(jì)誤差。

本文另辟蹊徑,運(yùn)用CATIA軟件獨(dú)有的羅盤(pán)工具,設(shè)置定位調(diào)整條件,可以方便地將點(diǎn)云數(shù)據(jù)調(diào)整到所需的設(shè)計(jì)坐標(biāo)系中,為整個(gè)開(kāi)發(fā)進(jìn)程提供可信的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

點(diǎn)云的定位與調(diào)整方式主要有非參數(shù)化和參數(shù)化兩種方法。為了詳細(xì)闡述這兩種方法的使用,本文從利用相關(guān)件進(jìn)行點(diǎn)云定位,和設(shè)定自對(duì)稱(chēng)件的對(duì)稱(chēng)中心面兩方面進(jìn)行實(shí)例說(shuō)明。

為了更好地理解本文的內(nèi)容,特對(duì)涉及的術(shù)語(yǔ)做如下說(shuō)明:

◎點(diǎn)云:通過(guò)掃描設(shè)備采集對(duì)象物體的表面幾何信息時(shí),產(chǎn)生用來(lái)表達(dá)表面幾何信息的點(diǎn)的集合。

◎自對(duì)稱(chēng)件:將本身的一部分特征關(guān)于特定平面對(duì)稱(chēng)時(shí),對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的特征能與本身其他的特征基本重合的物體。

◎羅盤(pán):CATIA軟件的自帶工具,用來(lái)指示坐標(biāo)系并在6個(gè)自由度方向上自由調(diào)節(jié)。

◎基準(zhǔn)平面:此文中特指CATIA中生成的Plane面,具有無(wú)限延展性的單階面。

二、非參數(shù)化的點(diǎn)云定位方法

點(diǎn)云的定位與調(diào)整的非參數(shù)化方式主要是將CATIA中的羅盤(pán)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái),通過(guò)調(diào)整羅盤(pán)的方位數(shù)據(jù)來(lái)移動(dòng)點(diǎn)云數(shù)據(jù),并且配合對(duì)點(diǎn)云位置的判定,從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的定位與調(diào)整。

1.利用相關(guān)件進(jìn)行點(diǎn)云定位

此類(lèi)應(yīng)用前提是必須有在現(xiàn)有坐標(biāo)系中與待定位部件相關(guān)的部件數(shù)模(或者已知某特征的坐標(biāo)值)。

本文以某車(chē)型輪眉的點(diǎn)云定位為例,講述非參數(shù)化點(diǎn)云定位方法。具體操作步驟如下。

(1)將與輪眉相關(guān)的踏板數(shù)模與輪眉點(diǎn)云數(shù)據(jù)裝配至同一裝配文件下,并固定踏板數(shù)模。

(2)利用羅盤(pán)將輪眉點(diǎn)云拖至踏板附近的合適位置,此位置與點(diǎn)云的目標(biāo)位置大致一致,以利于下一步的調(diào)整。

(3)為了讓羅盤(pán)定位方便,自由度選擇恰當(dāng),可預(yù)先設(shè)定參考用的基準(zhǔn)平面?；鶞?zhǔn)平面的數(shù)量與位置根據(jù)部件的大小和形狀來(lái)確定,以利于點(diǎn)云各自由度的精確調(diào)節(jié)為準(zhǔn)。

(4)將羅盤(pán)附著在預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)平面上,并打開(kāi)變量輸入框。在變量輸入框中輸入位移和旋轉(zhuǎn)數(shù)值來(lái)調(diào)整點(diǎn)云位置,為了調(diào)節(jié)精確,可以依次多選幾處附著點(diǎn)。

(5)在步驟4的操作中實(shí)時(shí)檢測(cè),根據(jù)設(shè)定的偏差容許值,評(píng)判點(diǎn)云是否已經(jīng)到位。評(píng)判時(shí)選擇有裝配關(guān)系的大面、孔、凸臺(tái)等較明顯的特征作為參考基準(zhǔn),且最好選擇三處相隔較遠(yuǎn)的特征。偏差值可以利用CATIA中“ShapeAnalysis”工具條中的“DistanceAnalysis”命令來(lái)測(cè)定,且不同位置的偏差值要控制在同一數(shù)量級(jí)之下。

2.設(shè)定自對(duì)稱(chēng)件的對(duì)稱(chēng)中心面

自對(duì)稱(chēng)件為了設(shè)計(jì)方便,通常需要尋找并設(shè)定其對(duì)稱(chēng)平面。非參數(shù)化的方法是調(diào)整點(diǎn)云的空間位置,使系統(tǒng)的某個(gè)坐標(biāo)平面成為點(diǎn)云的對(duì)稱(chēng)面,并保證點(diǎn)云在系統(tǒng)坐標(biāo)中相對(duì)合理。本文以某車(chē)型的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管為例,設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管的自對(duì)稱(chēng)中心平面。

(1)坐標(biāo)系的選擇。

◎基本方向的確定:根據(jù)零件形狀的不同找出平行關(guān)系和垂直關(guān)系積聚的特征,使這些特征平行于坐標(biāo)軸。同時(shí)注意擺放方向,不能和對(duì)稱(chēng)面的確定方案沖突。

◎原點(diǎn)的位置:要求零件的擺放盡量使原點(diǎn)在零件的幾何中心上。

(2)對(duì)稱(chēng)面的選擇。對(duì)稱(chēng)面使用系統(tǒng)定義的三個(gè)坐標(biāo)平面(XY、ZX和YZ)中的一個(gè),通常習(xí)慣使用ZX面。

(3)零件平面與坐標(biāo)面平行。

如果零件在對(duì)稱(chēng)面的法向上有明顯的平直面,則旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)面的法向軸使該平直面與最接近的坐標(biāo)平面平行。

零件經(jīng)過(guò)上述3個(gè)步驟的調(diào)整后,符合如下特點(diǎn):

◎關(guān)于ZX面對(duì)稱(chēng)。

◎原點(diǎn)基本在其幾何中心上,沒(méi)有偏離零件太遠(yuǎn)的位置。

◎零件的底平面與XY面重合。

◎零件基本處于X軸方向上。因此判定該零件坐標(biāo)系選擇合適。

3.點(diǎn)云調(diào)整操作

(1)羅盤(pán)定位點(diǎn)設(shè)定:將羅盤(pán)定位至點(diǎn)云,并且將羅盤(pán)坐標(biāo)方向鎖定在屏幕的法向,以利于在top、back、side視圖中可以沿坐標(biāo)方向拖動(dòng)點(diǎn)云。

(2)羅盤(pán)鼠標(biāo)粗調(diào):使用鼠標(biāo)拖拽羅盤(pán)可以移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)對(duì)象,以此來(lái)調(diào)整點(diǎn)云的位置。對(duì)于不同的零件可以適當(dāng)勾畫(huà)直線、對(duì)稱(chēng)線、夾角等輔助線用來(lái)參考定位。調(diào)整時(shí)始終以top、side、back的正方向視圖為準(zhǔn)。

(3)定量微調(diào):粗調(diào)結(jié)束后,物件大致在理想位置周邊。其后還需要定量微調(diào)。調(diào)出變量輸入框,使用紅框中標(biāo)記的微調(diào)功能部分輸入定量數(shù)值進(jìn)行微調(diào),如圖3所示。

4.調(diào)整完成的判定

調(diào)好對(duì)稱(chēng)后,沿非對(duì)稱(chēng)的其他兩個(gè)面切若干截面線,截面線的數(shù)量要求在物件的最大方向上不少于10個(gè)。其他方向上的截面線依照最大步長(zhǎng)截取。

截面線按照選定的對(duì)稱(chēng)面對(duì)稱(chēng),比較鏡像前后每對(duì)截面線上的距離差距。定義容差為零件尺寸的向下3個(gè)數(shù)量級(jí),當(dāng)最大距離差小于容差值并且平均距離差小于容差值的1/2時(shí),則判定對(duì)稱(chēng),否則根據(jù)測(cè)量值作微調(diào)后再次判定,直到符合要求為止。

三、參數(shù)化的點(diǎn)云定位方法

為了進(jìn)行點(diǎn)云精確定位,可以使用參數(shù)化方法進(jìn)行點(diǎn)云的微調(diào)。參數(shù)化方法需要預(yù)先新建一個(gè)參數(shù)化的點(diǎn)云定位工具文件,再與相關(guān)的數(shù)?；螯c(diǎn)云進(jìn)行裝配,利用參數(shù)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)云的位置調(diào)整,或?qū)ふ覍?duì)稱(chēng)中心面。

1.參數(shù)化定位工具文件的建立

利用命令之間的邏輯關(guān)系,以及物體在空間中存在六個(gè)自由度的原理,自定義一個(gè)空間坐標(biāo)系,通過(guò)調(diào)整自定坐標(biāo)系的位置參數(shù)達(dá)到調(diào)整點(diǎn)云的目的。

(1)新建一個(gè)PART文件。

(2)分別做出三個(gè)相對(duì)與原始坐標(biāo)系平面偏離一定距離的基準(zhǔn)面,暫定偏移距離為零,分別命名為X_trans(平行于yzplane)、Y_trans(平行于xzplane)、Z_trans(平行于xyplane)。

(3)求出可相對(duì)于X_trans、Y_trans、Z_trans旋轉(zhuǎn)的三個(gè)基準(zhǔn)要素,分別命名為X_rot、Y_rot、Z_rot,做法如下。

◎X_rot:第一步求出X_trans、Y_trans的交線

intersect.1,第二步求intersect.1與Z_trans的交點(diǎn)intersect.2,第三步通過(guò)intersect.2做一直線line.1垂直于X_trans,第四步以Z_trans為參考繞line.1為軸旋轉(zhuǎn)0°,得一平面即為X_rot。

◎Y_rot:第一步求X_rot與X_trans的交線intersect.3,第二步以X_trans為參考繞intersect.3旋轉(zhuǎn),得一平面即為Y_rot。

◎Z_rot:第一步過(guò)intersect.2做交線intersect.3的法平面plane.6,第二步求出plane.6和Y_rot的交線intersect.4,第三步以plane.6為參考繞intersect.4旋轉(zhuǎn),得一平面即為Z_rot。

(4)建立新坐標(biāo)系:上述步驟中得到的Z_rot可以作為新坐標(biāo)平面New_ZX;再做intersect.4的法面,作為新坐標(biāo)平面,即得New_XY;再將New_Zx與New_XY相交得一直線intersect.5,此直線的法面可作為新坐標(biāo)平面New_YZ。

(5)將制作完的數(shù)模命名為adjust_tool.CATPart,再存儲(chǔ)。

2.點(diǎn)云定位

利用CATIA中的軸系統(tǒng)以及“AIXSTOAIXS”命令可以快速建立約束關(guān)系,然后利用變量參數(shù)進(jìn)行逐步調(diào)整。

(1)首先在點(diǎn)云數(shù)據(jù)Scan_Data.CATPart中做出三個(gè)相互垂直的面,分別命名為Plane_xy、Plane_yz和Plane_zx。

(2)裝配相關(guān)件數(shù)模ref.CATPart和點(diǎn)云數(shù)據(jù)Scan_

Data.CATPart,將點(diǎn)云拖至大概位置,并將Scan_Data.CATPart中的Plane_xy、Plane_yz和Plane_zx復(fù)制到ref.CATPart中,得到resultofPlane_xy、resultofPlane_yz和resultofPlane_zx。

(3)將定位工具adjust_tool.CATPart也裝配進(jìn)來(lái),固定ref.CATPart,并定位New_xy=resultofplane_xy;New_yz=resultofPlane_yz;New_zx=resultofPlane_zx。

(4)分別將相關(guān)件、點(diǎn)云以及Plane_xy、Plane_yz和Plane_zx復(fù)制到adjust_tool.CATPart中,其中三個(gè)基準(zhǔn)平面分別命名為S_xy、S_yz、S_zx。

(5)以S_xy、S_yz和S_zx為基準(zhǔn)建立軸系統(tǒng)Axis System.1;以New_xy、New_yz和New_zx為基準(zhǔn)建立Axis System.2。

(6)在DigitizedShapeEdit模塊中,利用Aixsto Aixs命令,將點(diǎn)云對(duì)應(yīng)到AxisSystem.1上。

(7)對(duì)adjust_tool.CATPart中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,并利用預(yù)先設(shè)定的容差來(lái)判定點(diǎn)云是否調(diào)整到位。

3.確定自對(duì)稱(chēng)件的對(duì)稱(chēng)中心面

自對(duì)稱(chēng)件的對(duì)稱(chēng)中心面確立后,對(duì)后續(xù)的點(diǎn)云處理會(huì)有很大的幫助,且能簡(jiǎn)化操作。

(1)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)scan.CATPart中大致做出一個(gè)對(duì)稱(chēng)面,和與此對(duì)稱(chēng)面相互垂直的另外兩個(gè)Plane面,分別命名為x1y1、y1z1和z1x1,其中x1y1定為對(duì)稱(chēng)面。

(2)新建一個(gè)裝配文件,將scan.CATPart和adjust_tool.CATPart裝配在一起,固定adjust_tool.CATPart,再定位面x1y1=New_xy;y1z1=New_yz;z1x1=New_zx。

(3)在adjust_tool.CATPart中,將點(diǎn)云關(guān)于x1y1對(duì)稱(chēng),并將對(duì)稱(chēng)結(jié)果染色。調(diào)節(jié)adjust_tool.CATPart中的參數(shù),對(duì)稱(chēng)結(jié)果隨之變動(dòng),觀察點(diǎn)云和對(duì)稱(chēng)結(jié)果的重合度,利用二者之間的偏差距離來(lái)判定。

(4)當(dāng)重合度達(dá)到要求后,再在裝配中新建一個(gè)part.1(坐標(biāo)系與裝配坐標(biāo)系一致),將adjust_tool.CATPart中原點(diǎn)云數(shù)據(jù)復(fù)制到此part.1中,part.1中的xy即是點(diǎn)云的對(duì)稱(chēng)中心面。

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