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2013-08-09 by:广州SolidworksUGCatia培训中心 来源:仿真在线
基于CATIA的逆向工程点云定位方法
一、引言
逆向工程在汽车设计领域是一种重要且常用的设计手段,在产品造型、型面制作和结构布置设计等阶段发挥着重要的作用。而逆向工程的主要依据是通过扫描手段得到的点云数据。由于点云所处的坐标系统与设计参考坐标系没有任何关联,因此还需要对点云进行定位和调整。目前通常以目视和简单测量的方法调整点云坐标到所需的设计坐标系统,因此导致设计效率低下,人为增大设计误差。
本文另辟蹊径,运用CATIA软件独有的罗盘工具,设置定位调整条件,可以方便地将点云数据调整到所需的设计坐标系中,为整个开发进程提供可信的数据基础。
点云的定位与调整方式主要有非参数化和参数化两种方法。为了详细阐述这两种方法的使用,本文从利用相关件进行点云定位,和设定自对称件的对称中心面两方面进行实例说明。
为了更好地理解本文的内容,特对涉及的术语做如下说明:
◎点云:通过扫描设备采集对象物体的表面几何信息时,产生用来表达表面几何信息的点的集合。
◎自对称件:将本身的一部分特征关于特定平面对称时,对称产生的特征能与本身其他的特征基本重合的物体。
◎罗盘:CATIA软件的自带工具,用来指示坐标系并在6个自由度方向上自由调节。
◎基准平面:此文中特指CATIA中生成的Plane面,具有无限延展性的单阶面。
二、非参数化的点云定位方法
点云的定位与调整的非参数化方式主要是将CATIA中的罗盘与点云数据关联起来,通过调整罗盘的方位数据来移动点云数据,并且配合对点云位置的判定,从而实现点云的定位与调整。
1.利用相关件进行点云定位
此类应用前提是必须有在现有坐标系中与待定位部件相关的部件数模(或者已知某特征的坐标值)。
本文以某车型轮眉的点云定位为例,讲述非参数化点云定位方法。具体操作步骤如下。
(1)将与轮眉相关的踏板数模与轮眉点云数据装配至同一装配文件下,并固定踏板数模。
(2)利用罗盘将轮眉点云拖至踏板附近的合适位置,此位置与点云的目标位置大致一致,以利于下一步的调整。
(3)为了让罗盘定位方便,自由度选择恰当,可预先设定参考用的基准平面。基准平面的数量与位置根据部件的大小和形状来确定,以利于点云各自由度的精确调节为准。
(4)将罗盘附着在预先设定的基准平面上,并打开变量输入框。在变量输入框中输入位移和旋转数值来调整点云位置,为了调节精确,可以依次多选几处附着点。
(5)在步骤4的操作中实时检测,根据设定的偏差容许值,评判点云是否已经到位。评判时选择有装配关系的大面、孔、凸台等较明显的特征作为参考基准,且最好选择三处相隔较远的特征。偏差值可以利用CATIA中“ShapeAnalysis”工具条中的“DistanceAnalysis”命令来测定,且不同位置的偏差值要控制在同一数量级之下。
2.设定自对称件的对称中心面
自对称件为了设计方便,通常需要寻找并设定其对称平面。非参数化的方法是调整点云的空间位置,使系统的某个坐标平面成为点云的对称面,并保证点云在系统坐标中相对合理。本文以某车型的发动机进气管为例,设定发动机进气管的自对称中心平面。
(1)坐标系的选择。
◎基本方向的确定:根据零件形状的不同找出平行关系和垂直关系积聚的特征,使这些特征平行于坐标轴。同时注意摆放方向,不能和对称面的确定方案冲突。
◎原点的位置:要求零件的摆放尽量使原点在零件的几何中心上。
(2)对称面的选择。对称面使用系统定义的三个坐标平面(XY、ZX和YZ)中的一个,通常习惯使用ZX面。
(3)零件平面与坐标面平行。
如果零件在对称面的法向上有明显的平直面,则旋转对称面的法向轴使该平直面与最接近的坐标平面平行。
零件经过上述3个步骤的调整后,符合如下特点:
◎关于ZX面对称。
◎原点基本在其几何中心上,没有偏离零件太远的位置。
◎零件的底平面与XY面重合。
◎零件基本处于X轴方向上。因此判定该零件坐标系选择合适。
3.点云调整操作
(1)罗盘定位点设定:将罗盘定位至点云,并且将罗盘坐标方向锁定在屏幕的法向,以利于在top、back、side视图中可以沿坐标方向拖动点云。
(2)罗盘鼠标粗调:使用鼠标拖拽罗盘可以移动和旋转对象,以此来调整点云的位置。对于不同的零件可以适当勾画直线、对称线、夹角等辅助线用来参考定位。调整时始终以top、side、back的正方向视图为准。
(3)定量微调:粗调结束后,物件大致在理想位置周边。其后还需要定量微调。调出变量输入框,使用红框中标记的微调功能部分输入定量数值进行微调,如图3所示。
4.调整完成的判定
调好对称后,沿非对称的其他两个面切若干截面线,截面线的数量要求在物件的最大方向上不少于10个。其他方向上的截面线依照最大步长截取。
截面线按照选定的对称面对称,比较镜像前后每对截面线上的距离差距。定义容差为零件尺寸的向下3个数量级,当最大距离差小于容差值并且平均距离差小于容差值的1/2时,则判定对称,否则根据测量值作微调后再次判定,直到符合要求为止。
三、参数化的点云定位方法
为了进行点云精确定位,可以使用参数化方法进行点云的微调。参数化方法需要预先新建一个参数化的点云定位工具文件,再与相关的数模或点云进行装配,利用参数驱动点云的位置调整,或寻找对称中心面。
1.参数化定位工具文件的建立
利用命令之间的逻辑关系,以及物体在空间中存在六个自由度的原理,自定义一个空间坐标系,通过调整自定坐标系的位置参数达到调整点云的目的。
(1)新建一个PART文件。
(2)分别做出三个相对与原始坐标系平面偏离一定距离的基准面,暂定偏移距离为零,分别命名为X_trans(平行于yzplane)、Y_trans(平行于xzplane)、Z_trans(平行于xyplane)。
(3)求出可相对于X_trans、Y_trans、Z_trans旋转的三个基准要素,分别命名为X_rot、Y_rot、Z_rot,做法如下。
◎X_rot:第一步求出X_trans、Y_trans的交线
intersect.1,第二步求intersect.1与Z_trans的交点intersect.2,第三步通过intersect.2做一直线line.1垂直于X_trans,第四步以Z_trans为参考绕line.1为轴旋转0°,得一平面即为X_rot。
◎Y_rot:第一步求X_rot与X_trans的交线intersect.3,第二步以X_trans为参考绕intersect.3旋转,得一平面即为Y_rot。
◎Z_rot:第一步过intersect.2做交线intersect.3的法平面plane.6,第二步求出plane.6和Y_rot的交线intersect.4,第三步以plane.6为参考绕intersect.4旋转,得一平面即为Z_rot。
(4)建立新坐标系:上述步骤中得到的Z_rot可以作为新坐标平面New_ZX;再做intersect.4的法面,作为新坐标平面,即得New_XY;再将New_Zx与New_XY相交得一直线intersect.5,此直线的法面可作为新坐标平面New_YZ。
(5)将制作完的数模命名为adjust_tool.CATPart,再存储。
2.点云定位
利用CATIA中的轴系统以及“AIXSTOAIXS”命令可以快速建立约束关系,然后利用变量参数进行逐步调整。
(1)首先在点云数据Scan_Data.CATPart中做出三个相互垂直的面,分别命名为Plane_xy、Plane_yz和Plane_zx。
(2)装配相关件数模ref.CATPart和点云数据Scan_
Data.CATPart,将点云拖至大概位置,并将Scan_Data.CATPart中的Plane_xy、Plane_yz和Plane_zx复制到ref.CATPart中,得到resultofPlane_xy、resultofPlane_yz和resultofPlane_zx。
(3)将定位工具adjust_tool.CATPart也装配进来,固定ref.CATPart,并定位New_xy=resultofplane_xy;New_yz=resultofPlane_yz;New_zx=resultofPlane_zx。
(4)分别将相关件、点云以及Plane_xy、Plane_yz和Plane_zx复制到adjust_tool.CATPart中,其中三个基准平面分别命名为S_xy、S_yz、S_zx。
(5)以S_xy、S_yz和S_zx为基准建立轴系统Axis System.1;以New_xy、New_yz和New_zx为基准建立Axis System.2。
(6)在DigitizedShapeEdit模块中,利用Aixsto Aixs命令,将点云对应到AxisSystem.1上。
(7)对adjust_tool.CATPart中的参数进行调整,并利用预先设定的容差来判定点云是否调整到位。
3.确定自对称件的对称中心面
自对称件的对称中心面确立后,对后续的点云处理会有很大的帮助,且能简化操作。
(1)在点云数据scan.CATPart中大致做出一个对称面,和与此对称面相互垂直的另外两个Plane面,分别命名为x1y1、y1z1和z1x1,其中x1y1定为对称面。
(2)新建一个装配文件,将scan.CATPart和adjust_tool.CATPart装配在一起,固定adjust_tool.CATPart,再定位面x1y1=New_xy;y1z1=New_yz;z1x1=New_zx。
(3)在adjust_tool.CATPart中,将点云关于x1y1对称,并将对称结果染色。调节adjust_tool.CATPart中的参数,对称结果随之变动,观察点云和对称结果的重合度,利用二者之间的偏差距离来判定。
(4)当重合度达到要求后,再在装配中新建一个part.1(坐标系与装配坐标系一致),将adjust_tool.CATPart中原点云数据复制到此part.1中,part.1中的xy即是点云的对称中心面。
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