1、CATIA 逆向設計基礎培訓李永衛2014.9.21、逆向工程技術概況 1.1 逆向工程定義 1.2 逆向工程應用 1.3 逆向工程系統框架組成2、CATIA逆向工程建模基本流程 2.1 CATIA逆向工程流程幾何形狀造型點云 2.2 CATIA逆向工程流程自由曲面造型點云 2.3 CATIA逆向工程的特點 2.4 CATIA用于逆向工程的主要模塊功能簡介 2.4.1 DSE數字編輯器模塊 2.4.2 QSR（Quick Surface Reconstruction快速曲面重構）模塊 2.4.3 GSD（Generative Shape Design通用曲面造型）模塊3、逆向工程常用軟件4、逆

2、向工程與產品創新附件： DSE(數字化外形編輯器)模塊命令詳解實例演示目錄1.1 1.1 逆向工程定義逆向工程定義 “逆向工程”（Reverse Engineering,RE）,也稱反求工程、反向工程等，它起源于精密測量和質量檢驗。廣義的逆向設計是消化、吸收先進技術的一系列工作方法的技術結合，是一門跨學科、跨專業的、復雜的系統工程。它包括影像逆向、軟件逆向和實物逆向等三方面。目前，大多數關于逆向工程的研究主要集中在實物的逆向重構上，即產品實物的CAD模型重構和最終產品的制造，被稱為“實物逆向工程”。這種從實物樣件獲取產品數學模型并制造得到新產品的相關技術，已經成為CAD/CAM系統中的一個研究

3、和應用熱點，并發展成為一個相對獨立的領域。在這一意義下，“實物逆向工程”可定義為：將實物轉化為CAD模型相關的數字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱，是將已有產品和實物模型轉化為工程設計模型和概念模型，在此基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創造的過程。1.2 1.2 逆向工程應用逆向工程應用 在產品造型日益多元化的今天，逆向工程已成為產品開發中不可或缺的一環，其應用范圍包括： 在對產品的美學有特別要求的領域，為方便評價其美學效果，設計師廣泛利用油泥、黏土或木頭進行快速且大量的模型制作，將所要表達的意向以實體的方式展現出來，而不采用在計算機屏幕上顯示縮小比例的物體投視圖的方法。此時，如

4、何根據造型師制作出來的模型快速簡歷三維CAD模型，就必須引入逆向工程的技術。 當設計需要通過實驗測試才能定性的工件模型時，通常采用逆向工程的方法，比如在航空航天、汽車工程等領域，為了滿足產品對空氣動力學的要求，首先要求在實體模型、縮小模型的基礎上經過各種性能測試（如風洞試驗等）建立符合要求的產品模型。此類產品通常是由復雜的自由曲面拼接而成的，最終確認的實驗模型必須借助逆向工程，轉換為產品的三維CAD模型及其模具。1.2 1.2 逆向工程應用逆向工程應用 在沒有設計圖紙或者圖紙設計不完整，以及沒有CAD模型的情況下，通過對原件原型進行測量，形成零件的設計圖紙或CAD模型，并以此為依據生成數控加工

5、的NC代碼或快速原型加工所需的數據，復制一個相同的零件。 在模具行業，經常需要反復修改原始設計的模具型面，也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CAD模型上。借助于逆向工程的功能和在設計制造中所扮演的角色，設計者現在可以建立或修改在制造過程中變更過的設計模型。 很多物品很難用進本幾何形狀來表現與定義，例如流線型產品、藝術浮雕及不規則線條等，如果利用通用CAD軟件，以正向設計的方式來重建這些物體的CAD模型，在功能、速度和精度方面都將異常困難。在這種場合下，必須引入逆向工程，以加速產品設計，降低開發的難度。1.2 1.2 逆向工程應用逆向工程應用 逆向工程在新產品開發、創

6、新設計上同樣具有相當高的應用價值。為了研究上的需求，許多大企業也會運用逆向工程協助產品研究。如韓國現代汽車在發展汽車工業制造技術全測試在內的各種測試研究，協助現代的汽車設計師了解日系車輛的設計意圖。這是一個基于逆向工程的典型設計過程：利用逆向工程技術，可以直接在已有的國內外先進產品基礎上，進行結構性能分析、設計模型重構、再設計優化與制造，吸收并改進國內外先進的產品和技術，極大的縮短產品開發周期，迅速占領市場。 逆向工程也廣泛用于破損文物、藝術品的修復，活損壞零件的供應等。此時，不需要復制整個零件，只是借助逆向工程技術抽取原來零件的設計思想，用于指導新的設計。 特種服裝、頭盔的制造要以使用者的身

7、體為原始設計依據，此時，需要利用逆向工程技術建立人體的幾何模型。 在快速原型制造（RPM）中通過逆向工程，可以方便的對快速原型制造的原型產品進行快速、準確的測量。1.3 1.3 逆向工程系統逆向工程系統 隨著計算機技術的發展，逆向工程技術和先進制造技術的結合日趨緊密，如20世紀80年代初發展起來的快速原型技術、基于網絡的異地設計及制造技術等，在產品設計和制造階段都需要逆向工程技術的支持。同時，逆向工程技術也和計算機輔助測量（CAT）、輔助設計（CAD）、輔助制造（CAM）以及計算機輔助工程分析（CAE）密切相關。逆向工程成功應用的關鍵不僅在于個計算機輔助子模塊能夠較好的獨立完成各項工程，很大程

8、度上還取決于各個子模塊的計算機集成程度。可以說，逆向工程師CAT/CAD /CAM/CAE等先進計算機輔助技術集成應用的一個典型例子，也是計算機集成制造系統（CIMS）研究的一個重要分支。如何將這些技術組成一個整體，即集成逆向工程系統，是逆向工程技術應用研究的一個重要方向。1.3 1.3 逆向工程系統逆向工程系統 在逆向工程系統的研究方面，專用逆向軟件和其他計算機輔助技術的幾何已經受到重視，一些國際著名的CAD 軟件公司開發了與自己的CADCAD平臺集成的專用逆向軟件（模塊）。但是。一些不同的數據傳輸仍需要采用數據格式的方式：在數字化設備與造型軟件的集成上，目前進展甚微：提出的方法大多限于單向

9、的集成研究，即是一種無反饋的集成，集成實現方法主要采用模塊化方式，將不用應用功能的子系統和造型系統組合連接，這樣的集成方法存在以下問題： 數字化過程仍是一種孤立的行為，數字化過程沒有考慮后續的模型重建、分析、制造等下游需求； 數據模型不統一； 由于測試手段、商品化CAD系統（包括專用逆向軟件）以及加工制造手段的多樣性，很難有一種適應上述不用手段的集成逆向工程系統。1.3.1 1.3.1 逆向工程系統框架組成逆向工程系統框架組成 逆向工程的思想最初是來自從油泥模型到產品實物的設計過程。除此之外，目前基于實物的逆向工程應用最廣的還是進行產品復制和仿制，尤其是產品的外觀設計，因為不涉及復雜的動力學分

10、析、材料、加工熱處理等技術難題，相對容易實現。目前基于CAD/CAM系統的梳子掃描技術為實物逆向工程提供了有力的支持，在完成數字化掃描、實物的3D模型重建之后，通過NC加工就能快速的制造出模具，最終得到所需的產品。這個過程已成為我國沿海地區許多家用電器、玩具、摩托車等產品企業的產品開發及生產模式，但這只是對海外產品的簡單復制和仿制，只是簡單的照抄和照搬，從嚴格意義上來說，這不等于逆向工程。 隨 著 計 算 機 輔 助 幾 何 設 計 的 理 論 和 技 術 的 發 展 和 應 用 ， 以 及CAD/CAM/CAE集成系統的開發和商業化，產品實物的逆向設計首先通過測量掃描以及各種先進的數據處理手

11、段獲得產品實物信息，然后充分利用成熟的CAD/CAM技術，快速、準確的建立實體幾何模型，在工程分析的基礎上，數控加工出產品模具，最后制成產品，實現從產品或模型設計產品的整個生產流程。 1.3.1 1.3.1 逆向工程系統框架組成逆向工程系統框架組成具體系統框架及流程如圖所示 從逆向工程系統框架圖中可以看出，逆向工程系統主要由三部分組成，產品實物幾何外形的數字化子系統，三維CAD模型重建子系統，產品或模具的制造子系統等。2 CATIA 2 CATIA 逆向工程建模基本流程逆向工程建模基本流程一般產品的建模應該滿足下面產品設計的主要要求：數學模型的精度誤差滿足用戶可交付要求；曲面內在的質量要求，如

12、曲面的連續性要求，光順性要求；曲面連續過度的質量要求，如不能出現尖角等；過度曲面的流動路徑要求；曲面或局部協調性和對局部特征分界的合理性；工程制造標準的要求；模具拔模的工程制造符合性要求；設計、質量和驗證審核的可行性。CATIA逆向工程是工程建模的一種方法，生成的數學模型也應符合一般產品建模的基本要求，產品設計和檢驗流程遵循逆向工程建模的一般過程，即由掃描點云特征線面實體模型。根據CATIA V5模塊的特點有以下逆向建模方式可以滿足產品建模的基本要求。2.1 CATIA2.1 CATIA逆向工程流程逆向工程流程幾何形狀造型點云幾何形狀造型點云輸入由掃描實物或實體模型得到的點云數據：CATIA

13、V5可以接受任何形式的點云數據（如ASII、STL、IGS、IGES等格式）。點云數據的輸入可以以讀取文件的形式讀入，也可以在CATIA專門的逆向工程模塊DSE (Digitized Shape Editor數字編輯器)模塊中由Import命令導入。此步在DSE模塊中進行。對掃描的點云數據進行預處理，然后生成或構制3D曲線線框，如圖所示，這一步在DSE 模塊中進行處理。由3D線框生成3D曲面，并對生成的曲面進行裁剪，倒角等后處理，并同時檢測構建的曲面與點云數據的偏差情況，根據精度和曲面質量要求進行修改，如圖：這一步在GSD （Generative Shape Design通用曲面造型）模塊和F

14、S （Freestyle自由曲面造型）模塊中進行。由構建好的曲面通過縫合、增厚曲面等方式生成實體并進行細小結構的調整設計。這一步實在Part Design (實體造型)模塊中進行。2.2 CATIA2.2 CATIA逆向工程流程逆向工程流程自由曲面造型點云自由曲面造型點云 輸入由掃描實物或實物模型得到的點云數據。點云數據的輸入可以讀取文件的形式輸入，也可以在CATIA專門的逆向工程模塊DSE 模塊中由Import命令導入，如圖所示，此步在DSE模塊中進行。 對掃描的點云數據進行預處理，由點云構造3D輪廓線框，如圖所示。此步在DSE模塊中進行。 由點云直接擬合成基本曲面或由Power Fit擬合

15、自由曲面，并對生成的曲面進行裁剪、倒角等后處理，并同時檢測構建的曲面與點云數據的偏差情況，根據精度和曲面質量要求進行更改，如圖所示。此步在QSR（Quick Surface Reconstruction快速曲面重構）模塊中進行。 由構建好的曲面通過縫合、增厚曲面等方式生成實體，此步在Part Design(實體造型)模塊中進行。 上面的流程可以相互結合，靈活應用，根據設計要求和產品結構復雜程度進行選擇。2.3 CATIA2.3 CATIA逆向工程的特點逆向工程的特點由于CATIA軟件強大的集成優勢，CATIA逆向各模塊的相互結合，使得CATIA逆向工程有自己的特點。 點及點云數據處理的高效率。

16、 可以構建Class A曲面（CATIA FS 模塊及Automotive Class A 模塊） 可以根據需要快速構建Class B曲面（CATIA QSR 模塊） GSD模塊曲面功能強大，并可進行可行性分析。 多樣化檢測工具（曲率分析、連續分析、距離分析等） 三角網格曲面直接進行3軸加工（SMG模塊） 以DMU SPA對數位模型進行空間干涉檢測。2.4 CATIA2.4 CATIA用于逆向工程的主要模塊功能簡介用于逆向工程的主要模塊功能簡介 從CATIA逆向工程流程中，用于逆向工程中的模塊主要有： DSE (Digitized Shape Editor數字編輯器)模塊； QSR（Quick

17、 Surface Reconstruction快速曲面重構）模塊； GSD( Generative Shape Design通用曲面）模塊 FS（Freestyle自由曲面造型）模塊； Part Design(實體造型)模塊等五個模塊。2.4.1 DSE2.4.1 DSE數字編輯器模塊數字編輯器模塊（1）此模塊在CATIA逆向工程中的主要功能導入點或點云數據。預處理點云數據包括點云的過濾、刪減、空洞修補、對齊、合并等。點云三角面片網格化。點云剖面生成掃描線（Scan line）由掃描線生成特征線或線框誤差檢測（2）此模塊應用流程點資料的整理，為曲面重構做準備三角網格曲面劃分后可直接進行3軸加工

18、或快速成型。點云與重構的曲面做誤差檢測與控制三角網格曲面劃分后可直接進行DMU空間分析檢測2.4.2 QSR2.4.2 QSR（Quick Surface ReconstructionQuick Surface Reconstruction快速曲面重構）模塊快速曲面重構）模塊 （1）此模塊在CATIA逆向工程中的主要功能應用快速曲面重建模塊（QSR）及數字編輯器（DSE）可以快速、輕易的重構精準曲面（Class B曲面）（2）此模塊應用流程重構可編輯的高精度曲面劃分三角網格面片提取使用的曲面區域以特征邊界與局部點云重建自由曲面區域辨別及重構基本幾何曲面（平面、球面、圓柱面等）品質檢測及誤差分析

19、2.4.3 GSD2.4.3 GSD（Generative Shape DesignGenerative Shape Design通用曲面造型）模塊通用曲面造型）模塊 （1）此模塊在CATIA逆向工程中的主要功能將數字編輯器（DSE）或快速曲面重建模塊（QSR）提取或生成的特征線或線框，在GSD模式下的重新構面，生成高精度和高質量的曲面。（2）此模塊的應用流程根據做好的特征線或線框，結合產品結構，構造曲面。對部分細節優化。裁剪、合并生成高品質的曲面。誤差檢測。3 逆向工程常用軟件迄今為止，國際市場上出現的主要的逆向軟件有：1、美國EDS公司的Imageware（原Imageware公司產品Su

20、rfacer）；2、英國DelCAM公司的CopyCAD；3、美國Raindrop（雨滴）公司的Geomagic Studio；4、韓國INUS公司出品的RapidForm；另其它CAD/CAM軟件中也集成了一些類似逆向模塊，如CATIA中的DSE、QSR模塊；Pro/E中的Pro/SCAN功能；UG NX中已將Imageware集成。4 逆向工程與產品創新是指充分發揮設計者的創造力，利用人類已有的相關科學技術成果進行創新構思，設計出具有科學性、創造性、新穎性及實用性的產品的一種實踐活動，是創造具有市場競爭優勢商品的過程。其基本特征是新穎性和先進性。4.1 創新設計的定義常規設計：一般只需對某

21、些參數作些變動原理開拓型：運用新技術原理解決新問題、應用新技術原理解決老問題、對“舊”技術原理進行新的開發應用組合創新類：將已有的零部件，通過有機組合而成為一種產品，這種產品又能達到一種新的整體功效轉用創新類：將已知的解決方案轉用于另一類技術領域，并產生出新的效果利用性質類：利用常見的性質進行發明、利用性質組合進行發明、利用不常見的性質進行發明、通過發現客觀世界的性質進行發明創造、發現涵蓋一類現象的理論進行發明創造4.2、創新設計的分類就地出發型：需求適應法，希望實現法、缺點消除法、更材易質法、由此思彼法、聯想推廣法、類似比較法、仿生法、迂回轉向法多項擴散型：擴展功能法、系統搜索法、分解組合法

22、集思廣益型：暢談集智法、默寫集智法、函詢集智法4.3、創新設計的方法4.4、產品設計逆向工程的兩種方式一是由設計師、美工師事先設計好產品的油泥或木制模型，由坐標測量機將模型的數據掃入，再建立計算機模型。二是針對已有產品的實物零件，通常是國內外一些最新的設計產品，這種產品逆向設計方法也就是仿制。 仿制是一種最低層次的逆向工程，有可能觸犯法律。因此，需要對模型進行修改、再設計，以獲得一個不完全相同甚至不同的新的結構外形，最終達到產品設計創新之目的。4.5 逆向創新設計過程創新設計應滿足下列要求：滿足內部結構要求；模型可方便地修改；有支持創新的CAD系統（決策、人工智能、知識庫）目前，模型重建的主要

23、方式是擬合曲面片，然后再建立產品的曲面整體以及實體模型。這種建模方式對恢復原型是有效的。但對模型進行修改或再設計，操作起來就顯得十分困難。因此，需要尋求新的模型表達及建模方法。數字化數字化模型重建模型重建創新設計創新設計下游過程下游過程25Digitized Shape Editor(數字化外形編輯器)DSE(Digitized Shape Editor)模塊界面DSE(Digitized Shape Editor)模塊界面Cloud Edition 點云編輯Cloud Reposit 點云對齊Mesh 鋪面Operation 操作點云Scan Creation 創建交線Curve Creat

24、ion創建曲線Analysis 分析點云導入點云導入點云導出點云導出點云導入（Import）命令界面選定導入后顯示為一個整體，若不選，導入的幾個點云是分開的選定可見點云基本參數：尺寸、比例、單位等對點云預覽，顯示為紅色，并可通過拖拽綠色箭頭確定所需導入部分可導入的點云格式可導入多個點云是否產生三角網格的邊線計算機操作系統是否產生三角網格面點云顯示類型（Cloud Display）點云可視化（Activate）改變點云的顯示方式，分為點、線兩種方式此操作不可撤消全部顯示選擇方式：Pick撿取Trap圈選Brush刷子用于Pick用于Trap用于Trap，選擇確認后的可見部分移去點云中多余的點（R

25、emove）分割點云（Slipt）移除的部分被刪除此操作不可撤消將點云分成兩部分此操作可撤消點云稀釋（Filter）用于減少密集點云的點Homogeneous：輸入值為半徑，以此為半徑的球內點隱藏Adaptative：輸入值為弦高，弦高低于輸入值范圍內的點隱藏，特點是在平緩區域稀釋的點數較多選中此項，多余的點將被永久刪除注：此項操作不可撤消，稀釋后不能通過任何方式恢復，只能重新導入點云點云三角化（Mesh Creation）命令界面點之間的最大距離，若兩點之間的距離大于輸入值，則不能生成面預覽格式此項用于密集的未經稀釋的點云，輸入值表示三角化時的最大公差點云修整1.點云修補（Filling H

26、oles）填補小于輸入值的缺口綠色顯示的為可修補的缺口（尺寸不大于輸入的孔的尺寸）紅色顯示的為不可修補的缺口（尺寸大于輸入的孔的尺寸）按住SHIFT鍵可以篩選所需修補的缺口2.修整邊界Flip Edges：這個命令可以使點云的邊界或特征更清晰3.裁剪點云（Trim/Slipt）點云可被線、平面、曲面、點云等剪切剪裁后，結果是幾個點云，對原來點云可保留可刪除描繪點云特征1.在點云上生成斷面（Creating Sections）斷面數步長反向選中Step：拖拽右圖中綠色箭頭時保持步長不變；選中Number：拖拽右圖中綠色箭頭時保持斷面數量不變斷面厚度Distinct：所有的斷面線是分開的；Grou

27、ped：所有的斷面線是一個整體選中，生成的結果為曲線2.在點云上手動畫線（Create scans on cloud）可以在點云上通過已有點描繪特征線3.投影曲線（Project Curves）按照法向方向投影只適用于三角化的點云按照指定方向投影適用于任何形式的點云選定生成曲線可通過框選或撿取同時選取多條曲線進行投影此項限定相鄰三點之間的距離，若點云上某區域的點距大于給定值，投影線將跨過這些點，造成投影不精確4.由斷面生成曲線（Curve From Scan）Split AngleSmooth：給出指定的公差，可從斷面上生成公差內的曲線Interpolation：生成通過斷面上所有點的曲線公差控制點數相鄰兩點之間的最大距離根據此角度將計算出的曲線分為兩段，當某段