CATIA逆向工程实用教程(附光盘)

前  言
随着工业技术的进步以及经济的发展，在消费者对产品高质量的要求下，功能上的需求已不再是赢得市场的惟一条件。产品不仅要具有先进的功能，还要有流畅、造型富有个性的产品外观，以吸引消费者的注意。流畅、造型富有个性的产品外观要求必然会涉及到复杂的自由曲面造型。逆向工程（Reverse Engineering）为制造业提供了一个全新的、高效的产品开发方案，它能实现从已有复杂外观造型的样件或实物模型→三维测量数据→三维产品数模→产品的一体化开发。
逆向工程技术现已广泛地用于产品的复制、仿制、改进及创新设计。利用逆向工程技术，可以直接在国内外已有的先进产品的基础上进行结构性能分析、设计模型的重构、再设计优化与制造，吸收并改进国内外先进的产品和技术，可以缩短产品开发周期，更重要的是可以快速赶上世界先进生产技术水平，有效地占领市场，领导技术前沿。 
随着计算机技术，特别是数字化测量技术的迅猛发展，逆向工程技术除了在航空航天、汽车工业、模具行业、消费性电子产品、电动工具、玩具等传统领域得到广泛应用外，也开始应用于人体工程、服装、数字化博物馆、艺术品仿制与破损修复等领域。另外在医学领域，如骨科颅骨修补、义耳义肢制作、假牙设计、医疗均压鞋垫等方面都有其应用价值。
CATIA是由法国达索系统公司开发的大型CAD/CAE/CAM应用软件，在世界CAD/CAE/CAM领域中处于主导地位。CATIA被广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子、电器、消费品行业，它的集成解决方案几乎覆盖了所有的产品设计与制造领域，满足了工业领域各类大、中、小型企业的需要，波音、克莱斯勒、宝马、奔驰、本田、丰田等著名企业都选择了CATIA。CATIA V5提供了逆向工程的专用模块——数字曲面编辑模块（Digitized Shape Editor）和快速曲面重构模块（Quick Surface Reconstruction），其逆向工程模块提供了多种格式的点云输入和输出数据功能、点云数据处理功能以及强大的曲面、曲线直接拟合功能。在精度要求0.3～0.5 mm且点云质量较好的情况下用CATIA拟合出的 曲面要优于专用逆向工程软件IMAGEWARE，只是人工控制能力稍差，但在精度要求不高（0.3～0.5 mm）的情况下CATIA能够处理得很好，而且CATIA对于曲面与测量的点的偏差大于0.1 mm的CLASS A曲面也完全可以胜任。因此通过CATIA软件进行曲面重构可以满足大部分产品设计的要求，用CATIA软件开展逆向工程是一个较好的选择。
当前，随着CATIA逆向工程建模技术在逆向工程领域的广泛应用，企业界对相关技术人员的需求量越来越大，而目前国内有关CATIA逆向工程技术及实际应用的书籍较少，本书正是针对这种状况而编写的。
本书首先全面介绍了逆向工程系统，使读者对逆向工程流程及其各子系统有清楚的认识，为全面应用打下坚实的基础。然后详细讲解了CATIA V5所使用的曲线曲面模型的数学理论基础，使读者在使用软件的过程中加深对各参数的理解，达到理论与实践的结合，作为逆向建模所必备的基础知识，此方面内容在其他逆向工程书籍中还很少提及。本书最后按照CATIA逆向工程的流程重点介绍了CATIA V5在逆向工程建模中的数字曲面编辑器、快速曲面重构、通用曲面造型、自由曲面造型、实体造型等5个功能模块，并结合多个实例详细介绍了CATIA在逆向工程建模中的一般过程及应用技巧。
本书由江苏大学王霄、刘会霞、刘东雷、邓志华、杜永强编著。本书第1章由王霄编写，第2章由王霄、刘东雷编写，第3章由刘会霞、邓志华编写，第4章由邓志华、杜永强编写，第5章由刘东雷、杜永强编写，第6章由邓志华、刘东雷编写。全书由王霄、刘会霞统稿。本书编写过程中得到了朱险峰、陈卫、安托集团制造业中心赵刚洛先生以及上海汽车工业 （集团）总公司梁佳洪先生的大力支持，在此表示衷心感谢。
由于时间紧迫，水平与经验有限，书中难免有不足之处，恳请读者不吝赐教。
编者
2005年10月

本书首先介绍了逆向工程系统，包括逆向工程的工作流程及产品实物几何外形数字化测量、三维CAD模型重建、产品或模具快速制造等逆向工程子系统。然后详细讲解了CATAI V5所使用的曲线曲面模型的数学理论基础，包括控制点、节点、阶数、次数、段数、曲面、连续性、光顺性等逆向建模的必备的基本概念、基础理论等。最后按照CATIA逆向工程的流程重点介绍了CATIA V5 在逆向工程建模中的数字曲面编辑器、快速曲面重构、通用曲面造型、自由曲面造型、实体造型等5个功能模块，并结合多个实例详细介绍了CATIA在逆向工程建模中的过程及应用技巧。
本书紧密结合逆向工程应用性人才工程素质培养要求，系统性、实用性强。本书是作者从事逆向工程实施与应用的经验总结，可作为高等院校理工科本科生、高等职业技术学院的专门人才的教材、培训教程或参考书，同时可作为广大从事逆向工程方面的技术人员的自学参考书。

目  录
 
第1章 逆向工程系统	1
1.1 逆向工程定义	1
1.2 逆向工程应用	2
1.3 逆向工程系统	3
1.3.1 逆向工程系统框架组成	4
1.3.2 产品实物几何外形的
数字化子系统	5
1.3.3 三维CAD模型的重建子系统	11
1.3.4 产品或模具的制造	18
1.4 本书结构安排	22
第2章 CATIA逆向工程建模基础	23
2.1 概述	23
2.2 CATIA曲线曲面基础	25
2.2.1 曲线	25
2.2.2 曲面	26
2.3 CATIA曲面的逆向重构	27
2.3.1 由曲线构造曲面的方法	28
2.3.2 由曲面派生曲面的方法	28
2.4 CATIA曲线、曲面的光顺
评价和处理	29
2.4.1 参数曲线的几何连续性定义	29
2.4.2 参数曲面的几何连续性定义	29
2.4.3 工程实际中曲线、曲面光顺
评价和分析	30
2.5 CATIA逆向工程建模基本流程	33
2.5.1 CATIA逆向工程流程－
几何形状造型点云	34
2.5.2 CATIA逆向工程流程－
自由曲面造型点云	35
2.5.3 CATIA逆向工程的特点	36
2.6 CATIA用于逆向工程的主要
模块功能简介	36
2.6.1 DSE数字编辑器模块	36
2.6.2 QSR（Quick Surface Reconstruction
快速曲面重构）模块	37
2.6.3 GSD（Generative Shape Design
通用曲面造型）模块	37
第3章 数字曲面编辑器	38
3.1 进入数字曲面编辑器	38
3.2 数字曲面编辑器功能简介	38
3.3 点云数据的导入导出	39
3.3.1 点云数据的导入	39
3.3.2 点云数据的导出	41
3.4 编辑点云	42
3.4.1 激活点云	42
3.4.2 移除点云	43
3.4.3 过滤点云	44
3.4.4 特征线保护	45
3.5 点云的拼合	46
3.5.1 点云的合并	46
3.5.2 网格面合并	46
3.5.3 点云与网格面的分割	47
3.5.4 网格面的分割与修剪	47
3.6 点云的对齐与定位	49
3.6.1 使用罗盘对齐	49
3.6.2 利用约束进行对齐	49
3.6.3 使用对准球对齐	51
3.6.4 利用点云对齐	52
3.6.5 平移校正	53
3.7 铺面、补洞	54
3.7.1 铺面	54
3.7.2 偏移	56
3.7.3 重组边线	56
3.7.4 平滑网格	57
3.7.5 清理网格	58
3.7.6 补洞	59
3.7.7 删减网格	60
3.8 创建交线	61
3.8.1 曲线投影	61
3.8.2 截面线	62
3.8.3 点云交线	64
3.8.4 创建自由边界	64
3.9 创建曲线	65
3.9.1 3D曲线	66
3.9.2 交线曲线	67
3.10 点云分析	68
3.10.1 点云信息	69
3.10.2 距离分析	69
第4章 快速曲面重构模块	73
4.1 进入快速曲面重构模块	73
4.2 快速曲面重构模块功能简介	73
4.3 点云编辑	74
4.4 创建交线	74
4.5 创建曲线	74
4.6 创建轮廓	74
4.6.1 创建规则轮廓	75
4.6.2 网格曲线	77
4.7 点云与曲线操作	80
4.7.1 曲线曲面的拼合	81
4.7.2 曲面的延伸	81
4.7.3 曲线曲面的切割与修剪	82
4.7.4 曲线切片	83
4.7.5 调整节点	85
4.7.6 干净轮廓切割	86
4.7.7 边界倒角	88
4.8 划分点云	89
4.8.1 根据曲率划分	89
4.8.2 根据倾斜方向划分	92
4.9 创建曲面	94
4.9.1 基本曲面辨识	94
4.9.2 拟合自由曲面	96
4.9.3 放样曲面	100
4.9.4 网格曲面	101
第5章 创成式曲面造型模块	103
5.1 模块的进入及功能简介	103
5.2 草图	104
5.2.1 进入草图工作台	105
5.2.2 草图命令简介	105
5.3 曲线架构	112
5.3.1 点	112
5.3.2 多重点	116
5.3.3 极值	116
5.3.4 直线	117
5.3.5 平面	119
5.3.6 投影	123
5.3.7 组合	124
5.3.8 反射线	125
5.3.9 相交	125
5.3.10 Parallel curve平行线	126
5.3.11 3D曲线偏移	127
5.3.12 圆、圆弧	128
5.3.13 Corner倒圆	129
5.3.14 Connect Curve连接曲线	130
5.3.15 Conic圆锥曲线	131
5.3.16 Spline样条曲线	132
5.3.17 Helix螺旋曲线	134
5.3.18 Spine脊柱线	135
5.4 曲面架构	136
5.4.1 Extrude拉伸曲面	136
5.4.2 Revolve旋转曲面	137
5.4.3 Sphere球	138
5.4.4 Cylinder圆柱面	139
5.4.5 Offset偏移曲面	139
5.4.6 Sweep扫描曲面	140
5.4.7 Fill填充曲面	154
5.4.8 Loft放样曲面	156
5.4.9 Blend混合曲面	160
5.5 曲线、曲面处理	162
5.5.1 Join连接	162
5.5.2 Healing修复功能	164
5.5.3 Untrim恢复曲面	167
5.5.4 Disassemble分解	167
5.5.5 Split分割	168
5.5.6 Trim修剪	171
5.5.7 Boundary边界线	173
5.5.8 Extract提取几何形状	175
5.5.9 Translate平移	176
5.5.10 Rotate旋转	177
5.5.11 Symmetry对称	178
5.5.12 Scaling缩放	178
5.5.13 Affinity仿射	179
5.5.14 Axis To Axis坐标系变化	179
5.5.15 外推曲线	180
5.5.16 外推曲面	181
5.5.17 Invert Orientation改变取向	183
5.6 Constraint约束	183
5.6.1 一般约束	184
5.6.2 以对话框方式定义约束条件	184
5.7 分析	185
5.7.1 Connect Checker连接检查	185
5.7.2 Curve Connect Checker
曲线相连检查	187
5.7.3 Draft Analysis锥度分析	189
5.7.4 Porcupine Curvature Analysis
分布线曲率分析	191
5.8 基于曲面的实体特征生成	195
5.8.1 Volumes extrude拉伸体	195
5.8.2 Volume Revolve旋转成体	195
5.8.3 Thick surface增厚成体	195
5.8.4 Close surface封闭曲面成体	196
第6章 CATIA实用技巧及设计范例	198
6.1 点云预处理范例	198
6.1.1 点云预处理	198
6.1.2 小结	203
6.2 瓶子范例	203
6.2.1 创建交线	203
6.2.2 创建曲线	206
6.2.3 创建曲面	210
6.2.4 小结	219
6.3 马鞍曲面范例	220
6.3.1 点云预处理	220
6.3.2 创建曲线	221
6.3.3 创建曲面	227
6.3.4 小结	230
6.4 车座范例	230
6.4.1 创建曲线	230
6.4.2 铺置曲面	231
6.4.3 生成实体	234
6.4.4 小结	234
6.5 盒子逆向范例	235
6.5.1 三角网格化点云	235
6.5.2 铺面	236
6.5.3 倒圆角操作	237
6.5.4 小结	239
6.6 汽车内饰件范例	239
6.6.1 三角网格化点云	240
6.6.2 曲面划分	240
6.6.3 顶部曲面	241
6.6.4 前部曲面	243
6.6.5 底部及环形曲面	245
6.6.6 修剪	252
6.6.7 侧部曲面	254
6.6.8 沟槽曲面	257
6.6.9 爪扣	263
6.6.10 凹台	268
6.6.11 小结	271
参考文献	272