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[摘 要]近年来，随着飞机设计、生产的数字化进程的逐渐深入，MBD技术在国内外军机生产中普遍应用，飞机生产模式发生了翻天覆地的变化——从模拟量传递逐渐过渡到数字量传递，以全三维的MBD模型为数据源，使得飞机设计的互换协调性，零件的加工和装配精度都非常高。本文提出一种有效的长桁逆向建模方法。通过逆向扫描数据获取和处理、实体逆向建模以及曲面偏差分析，形成一套集数据获取、模型构建、偏差分析的综合方法，有效提高长桁类零件逆向建模的准确性和便捷性，推进逆向建模技术在长桁类零件数字化制造中的应用，提升零件的数字化制造水平。
[关键词]长桁、逆向技术、CATIA
中图分类号：V262.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）10-0005-01
1.数字化与逆向工程
产品研制中的数字化是以数字的生成、加工、传输、使用、修改和储存为基础，以数字模型为核心，以单一数据源为纽带，在设计、制造和试验、管理过程中用数字量取代模拟量、用数字技术取代传统技术，并以数字量作为设计、制造和试验的唯一依据。
逆向工程（ Reverse Engineering， 简称RE），也称反求工程，它是指在缺少实物零件的外形尺寸、特征、材料和物理性能的图纸和计算机模型的情况下，运用3D 扫描技术获取实物或模型的三维坐标点数据，并将这些坐标点利用曲面重构技术重建实物CAD 模型，最终通过数控（Computer Numerical Controlled，简称CNC）加工技术和快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacture， 简称RPM）技术实现零件的仿制加工。
逆向建模技术能够快速的实现零件装配需要，同时对于老旧工装的破损修复、曲面重构技术开发等方面起着重要的技术支撑作用。目前比较普遍的应用是利用三维扫描设备获取产品的点云数据，利用相关软件和技术对点云数据进行处理，进而完成CAD模型重建。
2.CATIA逆向模块介绍
CATIA的逆向工程模块主要是利用点云或者网格构造模型的基本元素—点、线、面，然后经过一定的调整，建立模型并进行优化，使模型达到符合要求的状态。主要的模块为Digtized Shape Editor（简称DSE）以及Quick Surface Reconstruction（简称QSR），两者分别针对逆向设计中的两个阶段。对于一般的逆向设备，其采集形成的为点云，由于点云包含数量极其庞大的点，不利于设计分辨，因此一般都处理为网格，这就是CATIA DSE模块的主要用途—将点云形成网格。而从网格到曲面的处理，需要借助QSR进行。不过由于由点云到网格的过程并不复杂，为了更好的满足客户需求，现在多数设备都支持将扫描数据直接输出为网格文件。使用CATIA进行逆向设计的优势在于其兼容的点云文件格式较多，另外CATIA还具有强大的正向设计功能，能更好的保证曲面建立以及实体生成。
3.长桁类零件介绍
长桁类零件作为重要的结构支撑和连接件，在飞机中大量使用。由于飞机复杂的气动外形和结构轮廓，长桁类零件常常变曲率、变截面、包含下陷。长桁类零件一般主要包括标准型材和铣切型材，通过模胎等进行拉弯成型。由于模胎长期存放和反复使用，部分存在不同程度损坏或实物数量不全，返修和新制周期长且困难大，直接影响这部分工装使用和零件成型，为此采用逆向技术进行模型的数据采集，构建三维数模，实现模型的数字化制造。
4.逆向数据获取
长桁类零件作为飞机上的重要结构连接件，一般长宽比大，零件厚度较小，容易变形，并且零件上豁口、切边等较多，外缘多为曲面，带有弧度，包含大量的挤压下陷，零件特征复杂。因此首先将零件安放在工装上进行检查，包括贴胎度和胎线等，保证零件正确性，然后采用非接触式三维激光扫描仪进行扫描，其原理为激光三角测量法。
5.逆向数据导入
在CATIA软件中新建Part文件以后，进入“Digitized Shape Editor”模块。在导入点云文件时，要将中的“Samplng”（采样百分比）项设置为“100%”，即将点云文件全部导入，“Scale factor”（比例因子）项设置为“1”，点击Apply后，在“Statistics”中会显示加载数据文件的信息，点击确定后，数据即被导入当前模型中。
6.逆向数据处理
对点云数据的预处理主要包括多视点云的拼合、噪声点的去除、点云数据精简和补缺、以及点云的三角网格化等方面的内容。对于多余点云扫描数据的筛选，主要应用弦高差法，应用此方法后在被测曲面曲率较小区域处去除的点比较多，曲率较大区域处去除的点比较少，能够较好地保留零件完整特征。
7.长桁曲面
7.1 构造长桁两侧曲面
对于长桁曲面，进入Quick Surface Reconstruction模块中，对长桁点云进行合理分块，首先拾取一侧面的点云（即网格面），采用强力拟合或网格曲面生成大曲面块，保证曲面的精确度。当曲面块较小时，可进行四周延伸，另一侧应用相同方法进行構造。对于下陷部分，将下陷两端的曲面块分别构造，对于下陷部分采用桥接进行设计。
7.2 长桁宽度设计
对于长桁宽度，主要依据点云和尺寸设计。依据点云数据采用3D曲线方法进行长桁宽度边界设计，保证边界过度均匀平滑（图1）。
7.3 长桁曲面的偏差分析
数模的曲面品质通常包括平滑光顺程度与连续性等，可采用控制顶点、曲率梳、斑马线、反射线、等照度线、高光线和高斯曲率等方法实现曲面的内部品质和拼接连续性的评价。
对长桁曲面进行点云与曲面偏差分析，偏差0.2mm内为96.67%，精度较高，满足曲面构造要求（图2）。对曲面进行斑马线分析，曲面表面较光滑连续，黑色部分无尖角，曲面质量较好，符合使用要求（图3）。
8.逆向建模总结和分析
采用逆向扫描建模方法改变了传统逆向技术只停留在曲面的设计环节的理念，采用正向逆向相结合的设计思路，能够有效解决老旧实样、表面模型、工装等缺失造成的长桁零件无法制造的困难，切实解决零件生产、装配中的疑难问题。该方法所建立的长桁模型尺寸准确、长桁表面质量高，能够很好满足零件生产、装配。采用反向思维，解决以往的零件生产的模拟量传递制造的严重手工依赖性。采用数字化三维建模方法，实现零件的数字化制造和维护，有效提高生产效率和零件质量。
参考文献
[1] 唐小云.逆向工程中自由曲面数字化相关技术的应用研究[D].西安：陕西科技大学，2009.
[2] 王霄.逆向工程技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2004.
[3] 刘胜兰.逆向工程中自由曲面与规则曲面重建关键技术研究[D].博士学位论文，南京航空航天大学，2004.3.
[关键词]长桁、逆向技术、CATIA
中图分类号：V262.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）10-0005-01
1.数字化与逆向工程
产品研制中的数字化是以数字的生成、加工、传输、使用、修改和储存为基础，以数字模型为核心，以单一数据源为纽带，在设计、制造和试验、管理过程中用数字量取代模拟量、用数字技术取代传统技术，并以数字量作为设计、制造和试验的唯一依据。
逆向工程（ Reverse Engineering， 简称RE），也称反求工程，它是指在缺少实物零件的外形尺寸、特征、材料和物理性能的图纸和计算机模型的情况下，运用3D 扫描技术获取实物或模型的三维坐标点数据，并将这些坐标点利用曲面重构技术重建实物CAD 模型，最终通过数控（Computer Numerical Controlled，简称CNC）加工技术和快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacture， 简称RPM）技术实现零件的仿制加工。
逆向建模技术能够快速的实现零件装配需要，同时对于老旧工装的破损修复、曲面重构技术开发等方面起着重要的技术支撑作用。目前比较普遍的应用是利用三维扫描设备获取产品的点云数据，利用相关软件和技术对点云数据进行处理，进而完成CAD模型重建。
2.CATIA逆向模块介绍
CATIA的逆向工程模块主要是利用点云或者网格构造模型的基本元素—点、线、面，然后经过一定的调整，建立模型并进行优化，使模型达到符合要求的状态。主要的模块为Digtized Shape Editor（简称DSE）以及Quick Surface Reconstruction（简称QSR），两者分别针对逆向设计中的两个阶段。对于一般的逆向设备，其采集形成的为点云，由于点云包含数量极其庞大的点，不利于设计分辨，因此一般都处理为网格，这就是CATIA DSE模块的主要用途—将点云形成网格。而从网格到曲面的处理，需要借助QSR进行。不过由于由点云到网格的过程并不复杂，为了更好的满足客户需求，现在多数设备都支持将扫描数据直接输出为网格文件。使用CATIA进行逆向设计的优势在于其兼容的点云文件格式较多，另外CATIA还具有强大的正向设计功能，能更好的保证曲面建立以及实体生成。
3.长桁类零件介绍
长桁类零件作为重要的结构支撑和连接件，在飞机中大量使用。由于飞机复杂的气动外形和结构轮廓，长桁类零件常常变曲率、变截面、包含下陷。长桁类零件一般主要包括标准型材和铣切型材，通过模胎等进行拉弯成型。由于模胎长期存放和反复使用，部分存在不同程度损坏或实物数量不全，返修和新制周期长且困难大，直接影响这部分工装使用和零件成型，为此采用逆向技术进行模型的数据采集，构建三维数模，实现模型的数字化制造。
4.逆向数据获取
长桁类零件作为飞机上的重要结构连接件，一般长宽比大，零件厚度较小，容易变形，并且零件上豁口、切边等较多，外缘多为曲面，带有弧度，包含大量的挤压下陷，零件特征复杂。因此首先将零件安放在工装上进行检查，包括贴胎度和胎线等，保证零件正确性，然后采用非接触式三维激光扫描仪进行扫描，其原理为激光三角测量法。
5.逆向数据导入
在CATIA软件中新建Part文件以后，进入“Digitized Shape Editor”模块。在导入点云文件时，要将中的“Samplng”（采样百分比）项设置为“100%”，即将点云文件全部导入，“Scale factor”（比例因子）项设置为“1”，点击Apply后，在“Statistics”中会显示加载数据文件的信息，点击确定后，数据即被导入当前模型中。
6.逆向数据处理
对点云数据的预处理主要包括多视点云的拼合、噪声点的去除、点云数据精简和补缺、以及点云的三角网格化等方面的内容。对于多余点云扫描数据的筛选，主要应用弦高差法，应用此方法后在被测曲面曲率较小区域处去除的点比较多，曲率较大区域处去除的点比较少，能够较好地保留零件完整特征。
7.长桁曲面
7.1 构造长桁两侧曲面
对于长桁曲面，进入Quick Surface Reconstruction模块中，对长桁点云进行合理分块，首先拾取一侧面的点云（即网格面），采用强力拟合或网格曲面生成大曲面块，保证曲面的精确度。当曲面块较小时，可进行四周延伸，另一侧应用相同方法进行構造。对于下陷部分，将下陷两端的曲面块分别构造，对于下陷部分采用桥接进行设计。
7.2 长桁宽度设计
对于长桁宽度，主要依据点云和尺寸设计。依据点云数据采用3D曲线方法进行长桁宽度边界设计，保证边界过度均匀平滑（图1）。
7.3 长桁曲面的偏差分析
数模的曲面品质通常包括平滑光顺程度与连续性等，可采用控制顶点、曲率梳、斑马线、反射线、等照度线、高光线和高斯曲率等方法实现曲面的内部品质和拼接连续性的评价。
对长桁曲面进行点云与曲面偏差分析，偏差0.2mm内为96.67%，精度较高，满足曲面构造要求（图2）。对曲面进行斑马线分析，曲面表面较光滑连续，黑色部分无尖角，曲面质量较好，符合使用要求（图3）。
8.逆向建模总结和分析
采用逆向扫描建模方法改变了传统逆向技术只停留在曲面的设计环节的理念，采用正向逆向相结合的设计思路，能够有效解决老旧实样、表面模型、工装等缺失造成的长桁零件无法制造的困难，切实解决零件生产、装配中的疑难问题。该方法所建立的长桁模型尺寸准确、长桁表面质量高，能够很好满足零件生产、装配。采用反向思维，解决以往的零件生产的模拟量传递制造的严重手工依赖性。采用数字化三维建模方法，实现零件的数字化制造和维护，有效提高生产效率和零件质量。
参考文献
[1] 唐小云.逆向工程中自由曲面数字化相关技术的应用研究[D].西安：陕西科技大学，2009.
[2] 王霄.逆向工程技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2004.
[3] 刘胜兰.逆向工程中自由曲面与规则曲面重建关键技术研究[D].博士学位论文，南京航空航天大学，2004.3.