薄壁復(fù)雜零件的逆向設(shè)計(jì)研究

劉薇娜，陳 韜，楊立峰

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

逆向工程(也稱反求工程)是對(duì)于傳統(tǒng)的從概念、圖樣到制造出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造順序來(lái)說(shuō)的。它主要是指將已有的產(chǎn)品模型或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)模型或概念模型，也就是說(shuō)通過(guò)現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備對(duì)實(shí)物原型進(jìn)行測(cè)量，得到“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，再以點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為依據(jù)，進(jìn)行逆向cad模型重建，并在此基礎(chǔ)上對(duì)已有的產(chǎn)品進(jìn)行剖析、深化和再創(chuàng)造，這種思維先于實(shí)體、再由實(shí)體反證出產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念，是一個(gè)系統(tǒng)工程。它用途廣泛，涉及的技術(shù)主要有現(xiàn)代精密測(cè)量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、cad技術(shù)、cam技術(shù)等［1］。

1 CATIA V5逆向功能簡(jiǎn)介

CATIA V5開(kāi)發(fā)了專門的逆向工程模塊，包括數(shù)據(jù)的輸入輸出、誤差點(diǎn)的去除、遺漏點(diǎn)的填補(bǔ)、網(wǎng)格曲線的提取到網(wǎng)格曲面的修復(fù)及生成等。在用CATIA V5軟件逆向的過(guò)程中，不僅僅要用到數(shù)字化外形編輯模塊(DSE:Digitized Shape Editor)，還要配合使用零件設(shè)計(jì)(PD:Part Design)、創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)(GSD:Generative Shape Design)、快速曲面重構(gòu)(QSR:Quick Surface Reconstruction)、自由曲面設(shè)計(jì)(FS:Free Style等模塊混合設(shè)計(jì)出想要逆向零件。

2 表面數(shù)字化方法

現(xiàn)在采集工件表面外圍形狀的測(cè)量設(shè)備很多，其中各測(cè)量設(shè)備的工作原理也各不相同。各種數(shù)字化測(cè)量方法如圖1所示。

圖1 數(shù)字化測(cè)量方法圖

接觸式測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量精度高配合測(cè)量軟件能夠快速檢測(cè)工件，對(duì)被測(cè)物體的色、分光情況沒(méi)有要求。其缺點(diǎn)在于逐點(diǎn)測(cè)量，速度較慢，耗時(shí)較長(zhǎng)，塑料件、橡膠件等工件在測(cè)量時(shí)會(huì)出現(xiàn)變形。目前在接觸式測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的就是三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。

非接觸式測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)在于采點(diǎn)速率高，能獲取大量的點(diǎn)云，塑料件、橡膠件等軟質(zhì)材料件測(cè)量不受影響。其缺點(diǎn)在于比接觸式測(cè)量精度低，對(duì)于深孔，深槽等結(jié)構(gòu)采集不到數(shù)據(jù)點(diǎn)。目前在非接觸式測(cè)量中應(yīng)用較為廣泛的是雙目立體式光學(xué)掃描儀。

2.1 儀器介紹

采用雙目立體式光學(xué)掃描儀。儀器的測(cè)量范圍:120mm×100mm-1800mm×1500mm;儀器的掃描精度為10～100μm;精度達(dá)0.03mm。如圖2所示。

圖2 雙目立體式光學(xué)掃描儀

2.2 儀器工作原理

雙目立體視覺(jué)測(cè)量技術(shù)使用兩個(gè)固定位置的圖像采集器，如攝像機(jī)、成像儀等，從兩個(gè)角度多批次獲取被測(cè)工件的多幅圖像，在視覺(jué)成像的原理基礎(chǔ)上對(duì)獲取來(lái)的圖像進(jìn)行處理，以此來(lái)獲得被測(cè)工件上的三維坐標(biāo)。

根據(jù)儀器采集坐標(biāo)的不同位置將雙目立體視覺(jué)測(cè)量技術(shù)分為兩種不同的結(jié)構(gòu)方式:匯聚結(jié)構(gòu)、平行結(jié)構(gòu)。

2.3 掃描實(shí)例

工件為一個(gè)鋁制的零件，如圖3所示。

掃描前先處理工件表面，如果表面過(guò)于吸收光或過(guò)于反光，必須用顯像劑處理。然后在工件的表面貼上參考標(biāo)記點(diǎn)。通常我們要掃描一個(gè)工件時(shí)，我們需要對(duì)此工件進(jìn)行多角度的多次掃描，這樣才能得到完成的掃描結(jié)果。通過(guò)應(yīng)用多視圖拼接技術(shù)，選擇一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)系，把單幅掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接起來(lái)。掃描時(shí)要注意，掃描的每一幅圖像都至少要看到不在同一條直線上的4個(gè)點(diǎn)，且后一幅圖像一定要看到前一幅圖像的少數(shù)3個(gè)參考點(diǎn)。

將得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成stl、igs、Gom-3d等文件格式，導(dǎo)入CAITA V5軟件中，應(yīng)用逆向模塊和快速成型模塊重構(gòu)模型，重構(gòu)后制造零件模具。圖4為工件掃描完畢后，將stl格式的數(shù)據(jù)模型在CATIA V5軟件中進(jìn)行重構(gòu)的模型［2］。

圖3 逆向零件圖

圖4 零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

3 零件的逆向造型

汽車腳踏板零件在車身上是一個(gè)非常重要的零件，雖然它是鑄造件，但是它在裝配中的精度要求也是很高的，所以在逆向的過(guò)程中，要保證逆向造型的光順度、平整度［2］。

3.1 數(shù)據(jù)點(diǎn)的分析處理

在薄壁復(fù)雜鑄造零件的逆向造型中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理是十分重要的工作，點(diǎn)的好壞直接影響到曲線的光順度以及和模型的貼合性，最終影響逆向造型的精度。

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測(cè)量中，由于儀器的系統(tǒng)誤差、測(cè)量精度、噪聲點(diǎn)、震動(dòng)等不可避免的外界環(huán)境因素，測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往存在著大量的重合。有些區(qū)域點(diǎn)云過(guò)于密集，其中還摻雜的壞點(diǎn)。所以要通過(guò)過(guò)濾的方法過(guò)濾掉少量壞點(diǎn)和把密集的點(diǎn)云過(guò)濾均勻。其中過(guò)濾點(diǎn)云有兩種算法:公差球法、弦高差法。［4］

3.2 生成特征曲線

特征曲線包括邊界線和特征線條兩種，在零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包括邊界線和一些過(guò)渡曲線。

零件的邊界曲線的生成:先把零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出來(lái)，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格化處理，如圖5所示。然后利用網(wǎng)格邊界提取功能提取網(wǎng)格邊界。如果邊界曲線不理想，可以通過(guò)調(diào)節(jié)曲線的功能，來(lái)調(diào)整曲線。

零件的過(guò)渡曲線不是很明顯，所以只能通過(guò)掃描點(diǎn)的方式來(lái)獲取特征曲線。先掃描在特征上的一些點(diǎn)云，切取點(diǎn)云上的影像過(guò)渡曲線數(shù)據(jù)，然后利用3D曲線繪制切取下的過(guò)渡曲線，調(diào)節(jié)光順度，使其完整的貼合。曲率圓柱輪廓的切取點(diǎn)云輪廓如圖6所示。

圖5 零件網(wǎng)格圖

圖6 切面擬合曲線輪廓圖

3.3 構(gòu)建基本曲面

構(gòu)建基本曲面基于兩種方法:基于規(guī)則平面的建模方法和基于切片數(shù)據(jù)(截面數(shù)據(jù))的建模方法。

3.3.1 基于規(guī)則平面的建模方法

此類方法多用于點(diǎn)云特征比較規(guī)整，易于提取與擬合的輪廓特征。

(1)應(yīng)用CATIA V5 DSE模塊中的點(diǎn)云可視化(Activate)顯示截面點(diǎn)云，在QSR模塊中應(yīng)用Basic Surface Recognition命令擬合出貼合于點(diǎn)云的平面。

(2)檢驗(yàn)平面與點(diǎn)云的貼合程度，使其無(wú)限接近，然后應(yīng)用特征面延伸命令將此平面延伸，延展成一個(gè)足夠大的面，以便以后與其他面裁剪。

(3)其余平面以此類推，做出相互交叉的平面，然后彼此相剪，得到所求的部件的形狀特征，如圖7所示。

3.3.2 基于切片數(shù)據(jù)(截面數(shù)據(jù))的建模方法

此類數(shù)據(jù)的曲率變化大，數(shù)據(jù)分布于一組平行的截面上，擬合起來(lái)十分麻煩。需要逐個(gè)切片，生成輪廓線，擬合成光順曲線，在通過(guò)曲線的輪廓和延伸趨勢(shì)，構(gòu)建這段曲面。

(1)構(gòu)造截面線:應(yīng)用CATIA V5界面中的命令在點(diǎn)云上切取截面線。在此要選擇好切平面的位置和方向，使切得的曲線曲率不要過(guò)大，將其曲線延伸后，能與相接曲面相切。否則做出來(lái)的曲面和相鄰曲面的銜接會(huì)是一條很明顯的棱，這樣就達(dá)不到反求的精度，因此這點(diǎn)一定要注意。

(2)根據(jù)生成的特征曲線，建立特征曲面，通過(guò)調(diào)整特征曲面上的特征控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)曲面與點(diǎn)云的最大貼合，完成擬合。

(3)利用擬合曲面剪切實(shí)體，生成所需要的反求實(shí)體特征，如圖8所示。

圖7 基于規(guī)則平面建模

圖8 實(shí)體輪廓特征

4 結(jié)語(yǔ)

在逆向造型中，要保證造型出來(lái)的曲面具有良好的品質(zhì)，則需要把握許多重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)總結(jié)以下幾點(diǎn):

(1)測(cè)量?jī)x器:要想獲得誤差小，精度高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和測(cè)量?jī)x器的好壞是分不開(kāi)的，數(shù)字化測(cè)量?jī)x器分為兩類，一是接觸式測(cè)量，二是非接觸式測(cè)量。非接觸式測(cè)量方法使用方便，運(yùn)算速度快，測(cè)量精度也高，廣泛應(yīng)用在逆向工程測(cè)量中。

(2)點(diǎn)云的預(yù)處理:在點(diǎn)云測(cè)量中，難免會(huì)產(chǎn)生誤差點(diǎn)、噪音點(diǎn)等壞點(diǎn)，要對(duì)照實(shí)例把一些可辨別的壞點(diǎn)去掉。

(3)特征曲線的提取:利用CATIA V5軟件中的切面命令將點(diǎn)云的特征曲線提取出來(lái)，然后再通過(guò)3D曲線進(jìn)行繪制，繪制過(guò)程中要對(duì)曲線進(jìn)行適時(shí)的調(diào)整，繪制完成后再光順曲線，讓它與點(diǎn)云做到最大貼合。

(4)利于曲線生成曲面:先構(gòu)建大面再構(gòu)建小面，同時(shí)可以用大面構(gòu)建的曲面絕對(duì)不用若干小面拼接。通過(guò)擬合曲面，生成反求實(shí)體特征。

［1］劉之生.反求工程技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［2］于起峰，陸宏偉，劉肖琳.基于圖像的精密測(cè)量與運(yùn)動(dòng)測(cè)量［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

［3］張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)［M］.武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1996.

［4］金濤，童水光，等.逆向工程技術(shù)［M］，北京:科學(xué)出版社，2003.