逆向工程汽車輪轂的曲面重構(gòu)

李忠宇，孫麗榮

(黑龍江省道路運(yùn)輸管理局)

逆向工程汽車輪轂的曲面重構(gòu)

李忠宇，孫麗榮

(黑龍江省道路運(yùn)輸管理局)

采用三維光學(xué)測量系統(tǒng)結(jié)合逆向設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有汽車輪轂進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及三維曲面重構(gòu)，解決了輪轂曲面難以測量和設(shè)計(jì)的問題，并應(yīng)用Imageware對(duì)三維模型與實(shí)體進(jìn)行對(duì)比分析以獲得精確的重構(gòu)模型，從而提高了，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，大大縮短產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)和加工周期并降低了成本。

汽車輪轂;逆向設(shè)計(jì);曲面重構(gòu);誤差分析

1 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

1.1 樣件模型分析及方案制定

在產(chǎn)品進(jìn)行三維實(shí)體重構(gòu)前首先應(yīng)從模型用途、零件幾何特征，用戶對(duì)曲面的精度與光順度要求來制定重構(gòu)的方案。本文以某汽車配件廠家訂制的22寸汽車輪轂為研究對(duì)象，其模型在輪轂邊緣處略有磨損，客戶要求在曲面造型時(shí)曲面公差小于0.1 mm，最后給出重構(gòu)后的*.STL數(shù)據(jù)以便訂做模具。

此輪轂有5幅均勻的輪幅，每輪幅由3根曲率不同的幅條構(gòu)成，以中心對(duì)稱呈五邊形。輪轂中心孔與傳動(dòng)軸的貼合面是基準(zhǔn)，螺孔孔距為配合尺寸，精度要求較高。根據(jù)模型的特征決定采用光學(xué)掃描收集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，后續(xù)尺規(guī)測量確定深度尺寸的方法來進(jìn)行，處理數(shù)據(jù)的流程遵循點(diǎn)、曲線、曲面的原則，用Imageware Surface和UGNX對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理及曲面重構(gòu)。

1.2 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)采集是通過特定的測量設(shè)備和測量方法以獲取零件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，是曲面重構(gòu)的基礎(chǔ)。本文采用深圳鑫磊精密儀器技術(shù)有限公司生產(chǎn)的LASERRE三維光學(xué)測量系統(tǒng)。

為保證輪轂掃描的精確性，對(duì)葉輪做必要的前期準(zhǔn)備：(1)儀器與軟件校準(zhǔn);(2)把反差劑噴涂經(jīng)過圓心且寬15 cm的區(qū)域上，確保輪轂其中一邊噴滿，其對(duì)面也噴上以反求輪轂的圓心。

測量方法：(1)輪轂直徑較大，掃描機(jī)的掃描深度不足以測量，因此使用平行掃描的方式，掃描步距為1 mm;(2)輪轂為中心對(duì)稱五邊形，只需掃描出其中一邊就可以造型;(3)輪轂上的孔位由于深度大且直徑小，形狀都一樣因此在點(diǎn)云上描出孔開口的輪廓線，在后處理時(shí)用尺規(guī)測量。

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

在逆向工程的數(shù)據(jù)采集過程中，通常采用密集采樣方式。由于測量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)非常龐大，其中包含大量無用的數(shù)據(jù)給后續(xù)工作帶來了困難。這些數(shù)據(jù)的存在對(duì)零件的造型有害無益，因此需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理也即數(shù)據(jù)精簡化和規(guī)則化。

圖1為汽車輪轂原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于樣件較大及輪轂材料的反射性等因素的影響，從圖中可以看出點(diǎn)云數(shù)據(jù)比較龐大且有噪聲點(diǎn)。對(duì)原始點(diǎn)云采用倍率縮減方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)精減，用半交互半自動(dòng)的方法去除噪聲點(diǎn)，插補(bǔ)肋板內(nèi)側(cè)數(shù)據(jù)。圖2為處理后的網(wǎng)格化點(diǎn)云圖。

圖1 汽車輪轂原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖2 數(shù)據(jù)預(yù)處理后的網(wǎng)格化點(diǎn)云圖

2 曲面重構(gòu)

2.1 曲線構(gòu)建

根據(jù)輪轂的外形特點(diǎn)，劃分出二次曲面的區(qū)域，以對(duì)輪轂點(diǎn)云進(jìn)行分割，平面可以用3點(diǎn)或兩相交直線來確定，圓柱面則以截面線和矢量來確定。對(duì)于自由曲面，需構(gòu)造出曲面的特征線。對(duì)點(diǎn)云做出必要截面線，剔除截面點(diǎn)云的雜點(diǎn)進(jìn)行必要的光順，最后把截面點(diǎn)云擬合成曲線，以便構(gòu)造自由曲面。

為確保重構(gòu)特征線的精度，在任何一條特征線的構(gòu)建過程中，都要隨時(shí)檢測點(diǎn)云和曲線之間的偏差，確保特征線在偏差允許范圍內(nèi)，以保證與原型的一致性。

在UG NX軟件中直接讀取Imageware軟件的* .IMW格式的文件，把在Imageware中構(gòu)建好的特征曲線導(dǎo)入到UG NX中，要保證坐標(biāo)系的一致性。對(duì)調(diào)入的曲線進(jìn)行分析，并進(jìn)行光順處理或進(jìn)行重構(gòu)和編輯。用橋節(jié)(Bridge)的方式把2條曲線光滑過度，或者利用舊曲線提取出一些特征點(diǎn)來重新建立一條新的曲線圖，但要注意新建的曲線誤差必須控制在允許的范圍內(nèi)，不然會(huì)偏向某一曲面的精度，另外調(diào)整次數(shù)越多累積誤差會(huì)大。

2.2 曲面拼接與光順

根據(jù)輪轂不同部位的具體特征運(yùn)用各種構(gòu)面方法建立曲面。將調(diào)整好的曲線用Though Curve Mesh命令編織成曲面以保證曲面邊界曲率的連續(xù)性。曲面建成后，要檢查曲面的誤差，一般測量點(diǎn)到面的誤差，對(duì)外觀要求較高的曲面還要檢查表面的光順度。構(gòu)面要注意簡潔，面要盡量做得大張數(shù)少不要太碎，有利于后面增加一些圓角、斜度、增厚等特征，也有利于下一步編程加工，刀路的計(jì)算量會(huì)減少，NC文件也小，見圖3。

圖3 曲線平滑與構(gòu)面

2.3 實(shí)體重構(gòu)

使用UG NX的特征造型和曲面造型功能，最終完成輪轂的三維實(shí)體造型。先偏置(Offset)外表面，用Offset指令可同時(shí)選多個(gè)面或用窗口全選，這樣會(huì)提高效率。偏置后的曲面進(jìn)行裁剪、補(bǔ)面，用各種曲面編輯手段完成內(nèi)表面的構(gòu)建，最后縫合內(nèi)外表面成一實(shí)體(solid)，見圖4。

圖4 汽車輪轂三維實(shí)體造型

3 三維幾何模型誤差分析

不論用何種方法加工，都需要對(duì)其加工精度進(jìn)行檢驗(yàn)。利用傳統(tǒng)的檢測手段很難準(zhǔn)確檢測，因此同樣可利用逆向工程技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行準(zhǔn)確、高效率的檢測。

將掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(圖1)與構(gòu)建的汽車輪轂三維幾何模型圖4重新導(dǎo)入Imageware中，通過Measure/Surface to Cloud Difference命令，利用曲面 點(diǎn)云檢查(surface to cloud interrogation)功能，用彩色云圖將2個(gè)模型間的偏差差異顯示出來，檢查三維幾何模型的誤差，進(jìn)行分析比較。如果誤差過大，則需要在UG NX中重新調(diào)整曲線、曲面，然后再導(dǎo)入到Imageware重新進(jìn)行誤差分析，直到滿意為止。

圖5 模型誤差分析

圖5為點(diǎn)云的誤差分析圖。從誤差云圖中可以看出，重構(gòu)實(shí)體與點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)存在的誤差。筋板處曲面誤差0.05 mm完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。而最大誤差0.3 mm發(fā)生是輪轂邊緣與胎面接觸處，主要原因是客戶所提供的輪轂樣件在邊緣處有輕微的磨損，重構(gòu)時(shí)已將此處光順，所以與點(diǎn)云圖出現(xiàn)了較大誤差。

4 結(jié)束語

應(yīng)用逆向工程技術(shù)，對(duì)汽車輪轂等復(fù)雜曲面采用三維光學(xué)掃描及逆向設(shè)計(jì)方法，縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。將此方法推廣應(yīng)用于汽車其他零部件生產(chǎn)，在消化吸收先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，可加快我國汽車零部件自主開發(fā)創(chuàng)新的步伐，在實(shí)際制造業(yè)中有重大意義。

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2011-05-19