逆向设计是工业设计和工程开发的接口，是汽车零部件产品快速开发的关键技术。逆向工程是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术的统称。汽车内饰件的逆向设计对点云测量和曲面创建提出了很高的要求，点云测量的质量主要取决于测量设备的精度，而曲面创建的品质与所选用数据处理软件的功能及处理数据的方法有关，本文通过实例介绍基于CATIA的汽车内饰件逆向设计工作过程及特点。

CATIA是CAD/CAE/CAM一体化软件，并具有强大的逆向设计应用功能。可以快速、方便地对测量云点进行处理，勾勒出零件轮廓特征线并拟合出满足一定条件要求的曲面，在此基础上利用曲面编辑功能对其进行编辑和光顺处理，提高了曲面重构效率;能实现一个曲面到另一个曲面及一个曲面到多个曲面的匹配，并能达到匹配后曲面间曲率连续;提供多曲面整体编辑功能(一次编辑多个曲面并保持曲面间连续);采用混合参数几何方式建模，适于设计重用。

点云数据的采集

数据采集技术是逆向设计建模的第一步，它是用一定的设备对实物进行测量来获取实物的表面数据，而点云数据即零件表面离散点的几何坐标数据。点云数据的采集是逆向工程中的第一个环节，是数据处理、模型重建的基础。点云的质量主要取决于测量设备的精度，能否高效获取精确的点云数据是逆向设计的关键技术。目前常用的点云数据采集方法有以下3种:

(1)接触式三坐标测量机测量。由于测量时接触被测件，被测物体接触产生压力，从而使被测物体产生变形.测量误差较大。适用于测量点、特征线、孔等几何特征。

(2)线状激光束测量(相位测量)。该方法是将周期性的光栅投影到被测曲面上，通过光栅图像的调制解调，求出被测曲面形状的三维信息，测量范围大、速度快，但只能测量较平坦曲面，曲面变化大时测量精度较低。

(3)光栅投影式测量(照相测量)。该方法是将光栅投影到物体表面，形成一块待测区域，由光学扫描系统测取实物的表面数据，用数码像机获取特征标志点的三维坐标位置。光栅投影式测量为非接触测量，对复杂或大面积表面可分块测量，测量速度快，点云密度高。

在曲面创建时，可根据被测模型的特征灵活选用测量方式。本实例采用光栅投影式方法测量，采用ATOS非接触式坐标机，可实现对工件的高分辨率高速扫描，每幅扫描照片可获得工件表面400,000个点的二维坐标，每幅扫描照片精度达0.03 mm ,整体拼合扫描精度为O.lmm/m，并以点云的形式以多种格式输出，供后续CAD/ CAM/ CAE使用。本实例最终采集点数为14.8万个。

2 CATIA逆向流程

在点云数据取得后，就可以利用三维造型软件CATIA进行后续工作，构造出我们需要的产品形状。利用CATIA中的数字曲面编辑器(Digitized Shape EditorDSE)，创成式外形设计(Generative Shape Design GSD),决速曲面重建(Quick Surface Reconstruction QSR)，白由曲面造型(Freestyle FS)等模块，通过点云处理、曲面重构与光顺、曲面数据质量评估等一系列操作得到高质量的曲面。其具体的处理流程如图I所示。

2.1点云数据的导入和过滤

CATIA支持ascii, atoa, cgo, stl等多种格式的点云文件。加载点云时可以根据需要来决定采样率，即加载点占原来点数据的百分比(sampling)这样可以提高处理速度。

实际工作中，要通过调人多个点云文件来完善点云数据。这此点云对齐后数据量很大。

而且由于受光照条件、被测件表面反射特性和系统测量误差、随机误差等影响，测量数据中存在着许多无用数据，即所谓的"噪声"点。因此必须对点云数据进行过滤处理。

点云过滤可以降低点云密度，滤除噪声点，常用的过滤方法有曲率过滤法(Adaptative)和球过滤法(Homage-neous)。若选择homogeneous类型，点数据将根据输入球半径的大小被均匀过滤，这种方式可能会滤去点云轮廓变化处的一个关键点，只适合曲率变化不大形状简单的点数据。考虑到内饰件的表而特征及对曲而的要求，选择Adaptative类型。用这种方法，点云数据中平坦部分将比曲率变化大的部分被滤去更多的点，从而保留了曲面重建要用到的关键点过滤操作时.将局部弦偏移值。

2.2点云的网格划分

在点云上划分特征线网格的目的，是为了给自由造型模块重建曲面之用，是拟合网格曲面的基础。一般情况下由一个曲面来拟合所有云点是不可行的，应按照模型具有的特征将数据点云分割成不同区域，分别拟合出不同的曲面块，然后应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同的曲面块拼接起来构成一个整体。

2.3样条曲线的创建与光顺

样条曲线的创建是曲面重构过程中最为关键的一步，只有对点云拟合程度高的光顺曲线才能得到高品质的光顺曲面。在逆向设计中，扫描或拟合得到的曲线一般很难保证其光顺.为了构造出一条光顺的插值曲线，需要对原序列点进行修正。曲面的光顺往往归结为曲线网格的光顺，只有网格的每一条曲线光顺才能保证曲面的光顺。

样条曲线的创建主要是从扫描线生成，也可以曲面求交来重构曲线。为保证曲面的精度而对原始值点进行光顺修改时.其修改后的值点同原始值点的坐标偏差要尽可能的小。对于创建的曲线要检查曲率变化是否均匀，以及曲线连接节点处曲率是否连续，使曲线上各段曲率单凸或单凹，初步光顺曲线。最后还要检查所有样条曲线的连续性，只有当所有的样条曲线都连续，且在节点处曲率大小、方向一致时，才能保证曲面填充的成功。

2.4曲面的创建与光顺

根据所创建的曲线，我们可以运用QSR模块里的曲面拟合，以及GSD模块里构建曲面的各种方法，如放样、扫掠、缝合等来实现曲面的重建。其中曲面拟合的功能最为强大，它支持从点云到面、从多边形到面、从曲线到面等多种曲创建形式。曲面拟合填充生成的是NURBS曲面，修改曲面的允许偏差(如间隙系数)、网格的数n和顺序、张紧度等参数都会改变曲而的表而质量。而GSD模块支持从线到面的创建过程，可以通过定义引导线、脊线或连接线的方法来控制曲面的过渡。

根据内饰件的曲面特性，在创建曲面的过程中运用了由点到面以及点、线结合重构曲面的方法，并充分运用了做面功能、距离分析功能及调整功能依次完成各曲面的重构与光顺.最终得到理想曲面.结果如图3所示。

2.5曲面拼合

由于曲面的填充不是一次性完成的，在曲面填充时会产生缝隙.这些曲面要经延伸、裁剪、过渡后才可拼合成一张完整的曲面模型;并且曲面的连接时要考虑曲率的连续，因此要用过渡曲面将光顺好的曲面连接起来。过渡曲面分为两类，一类是各种倒圆〔等半径和变半径)，另一类是两个或多个主要曲面的相接曲面，以保证各个面的曲率连续。在本实例中运用Blend功能做出过渡曲面，再从不同视角进行光顺处理以确保满足设计要求。如图4所示，是将填充后的曲面经过拼合等处理后得到的内饰件数字模型。

3结束语

本文通过工程实例介绍了逆向设计在汽车产品开发中的作用。通过对内饰件表面数据的采集、曲线曲面构建，实现了内饰件模型的数字化。逆向设计在应用于车身产品的开发过程中，大大缩短开发周期，保证产品质量。随着技术和数据处理的不断进步，逆向设计必将会为工业造型、产品复制与改进等应用领域更好地服务。