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2013-08-09 by:廣州SolidworksUGCatia培訓中心 來源:仿真在線
基于CATIA的逆向工程點云定位方法
一、引言
逆向工程在汽車設計領域是一種重要且常用的設計手段,在產(chǎn)品造型、型面制作和結構布置設計等階段發(fā)揮著重要的作用。而逆向工程的主要依據(jù)是通過掃描手段得到的點云數(shù)據(jù)。由于點云所處的坐標系統(tǒng)與設計參考坐標系沒有任何關聯(lián),因此還需要對點云進行定位和調(diào)整。目前通常以目視和簡單測量的方法調(diào)整點云坐標到所需的設計坐標系統(tǒng),因此導致設計效率低下,人為增大設計誤差。
本文另辟蹊徑,運用CATIA軟件獨有的羅盤工具,設置定位調(diào)整條件,可以方便地將點云數(shù)據(jù)調(diào)整到所需的設計坐標系中,為整個開發(fā)進程提供可信的數(shù)據(jù)基礎。
點云的定位與調(diào)整方式主要有非參數(shù)化和參數(shù)化兩種方法。為了詳細闡述這兩種方法的使用,本文從利用相關件進行點云定位,和設定自對稱件的對稱中心面兩方面進行實例說明。
為了更好地理解本文的內(nèi)容,特對涉及的術語做如下說明:
◎點云:通過掃描設備采集對象物體的表面幾何信息時,產(chǎn)生用來表達表面幾何信息的點的集合。
◎自對稱件:將本身的一部分特征關于特定平面對稱時,對稱產(chǎn)生的特征能與本身其他的特征基本重合的物體。
◎羅盤:CATIA軟件的自帶工具,用來指示坐標系并在6個自由度方向上自由調(diào)節(jié)。
◎基準平面:此文中特指CATIA中生成的Plane面,具有無限延展性的單階面。
二、非參數(shù)化的點云定位方法
點云的定位與調(diào)整的非參數(shù)化方式主要是將CATIA中的羅盤與點云數(shù)據(jù)關聯(lián)起來,通過調(diào)整羅盤的方位數(shù)據(jù)來移動點云數(shù)據(jù),并且配合對點云位置的判定,從而實現(xiàn)點云的定位與調(diào)整。
1.利用相關件進行點云定位
此類應用前提是必須有在現(xiàn)有坐標系中與待定位部件相關的部件數(shù)模(或者已知某特征的坐標值)。
本文以某車型輪眉的點云定位為例,講述非參數(shù)化點云定位方法。具體操作步驟如下。
(1)將與輪眉相關的踏板數(shù)模與輪眉點云數(shù)據(jù)裝配至同一裝配文件下,并固定踏板數(shù)模。
(2)利用羅盤將輪眉點云拖至踏板附近的合適位置,此位置與點云的目標位置大致一致,以利于下一步的調(diào)整。
(3)為了讓羅盤定位方便,自由度選擇恰當,可預先設定參考用的基準平面。基準平面的數(shù)量與位置根據(jù)部件的大小和形狀來確定,以利于點云各自由度的精確調(diào)節(jié)為準。
(4)將羅盤附著在預先設定的基準平面上,并打開變量輸入框。在變量輸入框中輸入位移和旋轉數(shù)值來調(diào)整點云位置,為了調(diào)節(jié)精確,可以依次多選幾處附著點。
(5)在步驟4的操作中實時檢測,根據(jù)設定的偏差容許值,評判點云是否已經(jīng)到位。評判時選擇有裝配關系的大面、孔、凸臺等較明顯的特征作為參考基準,且最好選擇三處相隔較遠的特征。偏差值可以利用CATIA中“ShapeAnalysis”工具條中的“DistanceAnalysis”命令來測定,且不同位置的偏差值要控制在同一數(shù)量級之下。
2.設定自對稱件的對稱中心面
自對稱件為了設計方便,通常需要尋找并設定其對稱平面。非參數(shù)化的方法是調(diào)整點云的空間位置,使系統(tǒng)的某個坐標平面成為點云的對稱面,并保證點云在系統(tǒng)坐標中相對合理。本文以某車型的發(fā)動機進氣管為例,設定發(fā)動機進氣管的自對稱中心平面。
(1)坐標系的選擇。
◎基本方向的確定:根據(jù)零件形狀的不同找出平行關系和垂直關系積聚的特征,使這些特征平行于坐標軸。同時注意擺放方向,不能和對稱面的確定方案沖突。
◎原點的位置:要求零件的擺放盡量使原點在零件的幾何中心上。
(2)對稱面的選擇。對稱面使用系統(tǒng)定義的三個坐標平面(XY、ZX和YZ)中的一個,通常習慣使用ZX面。
(3)零件平面與坐標面平行。
如果零件在對稱面的法向上有明顯的平直面,則旋轉對稱面的法向軸使該平直面與最接近的坐標平面平行。
零件經(jīng)過上述3個步驟的調(diào)整后,符合如下特點:
◎關于ZX面對稱。
◎原點基本在其幾何中心上,沒有偏離零件太遠的位置。
◎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系選擇合適。
3.點云調(diào)整操作
(1)羅盤定位點設定:將羅盤定位至點云,并且將羅盤坐標方向鎖定在屏幕的法向,以利于在top、back、side視圖中可以沿坐標方向拖動點云。
(2)羅盤鼠標粗調(diào):使用鼠標拖拽羅盤可以移動和旋轉對象,以此來調(diào)整點云的位置。對于不同的零件可以適當勾畫直線、對稱線、夾角等輔助線用來參考定位。調(diào)整時始終以top、side、back的正方向視圖為準。
(3)定量微調(diào):粗調(diào)結束后,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,使用紅框中標記的微調(diào)功能部分輸入定量數(shù)值進行微調(diào),如圖3所示。
4.調(diào)整完成的判定
調(diào)好對稱后,沿非對稱的其他兩個面切若干截面線,截面線的數(shù)量要求在物件的最大方向上不少于10個。其他方向上的截面線依照最大步長截取。
截面線按照選定的對稱面對稱,比較鏡像前后每對截面線上的距離差距。定義容差為零件尺寸的向下3個數(shù)量級,當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,則判定對稱,否則根據(jù)測量值作微調(diào)后再次判定,直到符合要求為止。
三、參數(shù)化的點云定位方法
為了進行點云精確定位,可以使用參數(shù)化方法進行點云的微調(diào)。參數(shù)化方法需要預先新建一個參數(shù)化的點云定位工具文件,再與相關的數(shù)?；螯c云進行裝配,利用參數(shù)驅(qū)動點云的位置調(diào)整,或?qū)ふ覍ΨQ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系,以及物體在空間中存在六個自由度的原理,自定義一個空間坐標系,通過調(diào)整自定坐標系的位置參數(shù)達到調(diào)整點云的目的。
(1)新建一個PART文件。
(2)分別做出三個相對與原始坐標系平面偏離一定距離的基準面,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)求出可相對于X_trans、Y_trans、Z_trans旋轉的三個基準要素,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intersect.2,第三步通過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,得一平面即為Y_rot。
◎Z_rot:第一步過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,得一平面即為Z_rot。
(4)建立新坐標系:上述步驟中得到的Z_rot可以作為新坐標平面New_ZX;再做intersect.4的法面,作為新坐標平面,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平面New_YZ。
(5)將制作完的數(shù)模命名為adjust_tool.CATPart,再存儲。
2.點云定位
利用CATIA中的軸系統(tǒng)以及“AIXSTOAIXS”命令可以快速建立約束關系,然后利用變量參數(shù)進行逐步調(diào)整。
(1)首先在點云數(shù)據(jù)Scan_Data.CATPart中做出三個相互垂直的面,分別命名為Plane_xy、Plane_yz和Plane_zx。
(2)裝配相關件數(shù)模ref.CATPart和點云數(shù)據(jù)Scan_
Data.CATPart,將點云拖至大概位置,并將Scan_Data.CATPart中的Plane_xy、Plane_yz和Plane_zx復制到ref.CATPart中,得到resultofPlane_xy、resultofPlane_yz和resultofPlane_zx。
(3)將定位工具adjust_tool.CATPart也裝配進來,固定ref.CATPart,并定位New_xy=resultofplane_xy;New_yz=resultofPlane_yz;New_zx=resultofPlane_zx。
(4)分別將相關件、點云以及Plane_xy、Plane_yz和Plane_zx復制到adjust_tool.CATPart中,其中三個基準平面分別命名為S_xy、S_yz、S_zx。
(5)以S_xy、S_yz和S_zx為基準建立軸系統(tǒng)Axis System.1;以New_xy、New_yz和New_zx為基準建立Axis System.2。
(6)在DigitizedShapeEdit模塊中,利用Aixsto Aixs命令,將點云對應到AxisSystem.1上。
(7)對adjust_tool.CATPart中的參數(shù)進行調(diào)整,并利用預先設定的容差來判定點云是否調(diào)整到位。
3.確定自對稱件的對稱中心面
自對稱件的對稱中心面確立后,對后續(xù)的點云處理會有很大的幫助,且能簡化操作。
(1)在點云數(shù)據(jù)scan.CATPart中大致做出一個對稱面,和與此對稱面相互垂直的另外兩個Plane面,分別命名為x1y1、y1z1和z1x1,其中x1y1定為對稱面。
(2)新建一個裝配文件,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,將點云關于x1y1對稱,并將對稱結果染色。調(diào)節(jié)adjust_tool.CATPart中的參數(shù),對稱結果隨之變動,觀察點云和對稱結果的重合度,利用二者之間的偏差距離來判定。
(4)當重合度達到要求后,再在裝配中新建一個part.1(坐標系與裝配坐標系一致),將adjust_tool.CATPart中原點云數(shù)據(jù)復制到此part.1中,part.1中的xy即是點云的對稱中心面。
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