基于掃描數(shù)據(jù)的逆向建模

郭禹彤

（中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司制造數(shù)據(jù)中心，遼寧 沈陽 110085）

基于掃描數(shù)據(jù)的逆向建模

郭禹彤

（中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司制造數(shù)據(jù)中心，遼寧 沈陽 110085）

主要是對基于掃描數(shù)據(jù)的飛機(jī)零件的逆向建模進(jìn)行研究，希望為飛機(jī)設(shè)計(jì)的未來添加一些理論。

掃描；飛機(jī)；逆向建模

引言

飛機(jī)的設(shè)計(jì)往往首先要通過理想設(shè)計(jì)階段然后還要通過實(shí)際負(fù)載后的結(jié)構(gòu)反復(fù)校正階段，從而減小累積誤差與內(nèi)應(yīng)里力對飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用壽命的傷害，結(jié)合現(xiàn)代制造技術(shù)，可通過掃描儀對加載后的飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行掃描，然后進(jìn)行逆向建模，以達(dá)到更好的協(xié)調(diào)效果。

1　逆向建模數(shù)據(jù)的獲得

近年隨著逆向技術(shù)的發(fā)展，逆向數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性也得到了很大的改善，3D掃描儀的誕生使逆向建模技術(shù)的精度有了飛躍性的提高。掃描技術(shù)不僅能夠?qū)⒁呀?jīng)存在的零件實(shí)現(xiàn)復(fù)制，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。同時(shí)能夠通過掃描技術(shù)對零件在實(shí)際服役后的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行捕捉，這可以有效地減小內(nèi)應(yīng)力對飛機(jī)的初始傷害，但掃描技術(shù)也不是完美無瑕的。由于操作者的技術(shù)手法，以及周圍環(huán)境如光線，空氣質(zhì)量都可能對掃描數(shù)據(jù)造成影響。所以逆向建模數(shù)據(jù)來源可分為兩個(gè)方面，主要獲取手段為掃描。

將待掃描的結(jié)構(gòu)零件表面進(jìn)行預(yù)處理以保證數(shù)據(jù)的真實(shí)準(zhǔn)確性，將毛刺之類的明顯瑕疵處理掉，然后就是將掃描器捕捉點(diǎn)貼在待掃零件上，這里需要注意的是，一般不將捕捉點(diǎn)貼紙均勻的貼在零件表面上。因?yàn)橐话懔慵加懈髯缘男螒B(tài)，有的地方很平緩有的位置變化率較大，一般變化率較大的地方需要捕捉點(diǎn)密集一些，而平緩的地方則可稍稀疏一些，個(gè)別的點(diǎn)要著重處理，以保持?jǐn)?shù)據(jù)真實(shí)性［1］。

將3D掃描儀的掃描手持器進(jìn)行校準(zhǔn)，掃描時(shí)盡量使手持器的光線垂直帶掃的每一個(gè)點(diǎn)，這樣掃描出的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，不容易失真。

掃描完成后要利用輔助手段進(jìn)行補(bǔ)充，主要是手動(dòng)測量，在掃描的過程中由于周圍環(huán)境影響難免會(huì)有個(gè)別位置數(shù)據(jù)失真，這是通過實(shí)際測對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行完善。

2　逆向建模的主要步驟

首先將數(shù)據(jù)導(dǎo)入，將導(dǎo)入后的數(shù)據(jù)做初步的處理，如明顯的失真位置要用手動(dòng)測量的方式進(jìn)行補(bǔ)充。將點(diǎn)云進(jìn)行篩選，例如明顯的平面可將其上的點(diǎn)密度減小，以縮短面形成時(shí)CATIA的運(yùn)算時(shí)間，值得注意的是有明顯變化的曲面，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)建議保留所有有效數(shù)據(jù)，以更好的詮釋實(shí)際結(jié)構(gòu)。

面的擬合可根據(jù)實(shí)際的零部件情況采取不同的節(jié)選方式，如果一片類似平面點(diǎn)云上面沒有明顯的凹凸情況，我們可以采用框選直接將所有點(diǎn)選中然后擬調(diào)整合成為與點(diǎn)云符合度比較高的面；若大范圍都較規(guī)整而有明顯的小范圍凹凸情況，我們要采用點(diǎn)刷的方式躲避凹凸的位置，擬合好面后再按照實(shí)際零件形態(tài)，將各個(gè)凹凸位置分別處理，因?yàn)镃ATIA計(jì)算時(shí)會(huì)將取類似平均位置，凹坑會(huì)導(dǎo)致建模失真［2］。

對于飛機(jī)零件上的曲面，一般來說可以通過掃掠來實(shí)現(xiàn)曲面的形成，選擇一個(gè)適合的方向，類似曲面的截面方向，延此方向做直線引導(dǎo)線，在垂直引導(dǎo)線方向做適當(dāng)多的平面，使這些平面與點(diǎn)云相交，形成一排截面線，按照引導(dǎo)線方向進(jìn)行掃掠處理，形成曲面，這里要注意的是，注意躲避點(diǎn)云中的失真點(diǎn)、突變點(diǎn)，以避免擬合失敗。若曲面本身存在個(gè)別點(diǎn)，將其想躲避，擬合成功后，再個(gè)別進(jìn)行修整。

最后將各個(gè)面連接，這里介紹兩種手段，一個(gè)比較快捷就是橋接，但這種方式誤差比較大，之間又要對擬合好的兩個(gè)曲面邊緣進(jìn)行修整，失敗率也比較大。另一種方式比較實(shí)用，就是將兩個(gè)要連接的曲面延長，相交剪切后做倒角處理，與點(diǎn)云對比，使倒角與實(shí)際貼合，這里可采用變倒角實(shí)現(xiàn)誤差的降低［3］。

初步完成后要進(jìn)行誤差分析，以保證建模數(shù)據(jù)與實(shí)際零部件的一致性，在曲面建模的過程中有時(shí)可嘗試不同方向的掃掠，以實(shí)現(xiàn)精度的提高。反復(fù)修整后可以形成實(shí)體，此時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)我們無法形成實(shí)體，曲面不能加厚，一般這種情況是由于建成的面上有尖銳點(diǎn)，將其加厚意味著要將其尖點(diǎn)的半徑縮小或變大，這就導(dǎo)致CATIA無法計(jì)算。

3　結(jié)語

基于掃描數(shù)據(jù)的逆向建模能夠通過掃描精確獲得已有零部件的形狀數(shù)據(jù)，再通過CATIA實(shí)現(xiàn)逆向，復(fù)制已有的機(jī)構(gòu)零件，從而可對比觀察零件負(fù)載后的形狀變化，對零件進(jìn)行調(diào)整，從而提高精度，提高飛機(jī)質(zhì)量，提高飛機(jī)使用壽命。

［1］陽波，陳金平，賴麗珍，等.基于樣板實(shí)現(xiàn)飛機(jī)零件逆向建模［J］.機(jī)械工程師，20 16（1）：86-88.

［2］李春玲.復(fù)雜曲面激光測量與重構(gòu)相關(guān)技術(shù)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2005.

［3］余濤，竟水光.逆向工程技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

（編輯：劉楠）

Reverse Modeling Based on Scanning Data

Guo Yutong
（AVIC Shenyang Aircraft Industry（Group）Co.，Ltd.Manufacturing Data Center，Shenyang Liaoning 100085）

This paper analyzes the reverse modeling of scan data of aircraft parts， which hope to add some theory for the future of aircraft design.

scanning； aircraft； reverse modeling

V22；V26

A

2095-0748（2016）15-0108-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.15.45

2016-06-20

郭禹彤（1986—），女，山東安丘人，碩士研究生，畢業(yè)于沈陽航空航天大學(xué)，助理工程師，研究方向：工藝裝備與生產(chǎn)準(zhǔn)備。