基于逆向工程的葉輪逆向設(shè)計

王 巍 ，陳 思 ，張曼玉

（1.沈陽航空航天大學航空航天工程學院，遼寧沈陽110136；2.沈陽航空航天大學 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院，遼寧沈陽 110136）

隨著制造行業(yè)的競爭越發(fā)激烈，企業(yè)紛紛致力于生產(chǎn)具備特色的產(chǎn)品，并縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，然而傳統(tǒng)的正向建模方法已經(jīng)很難滿足復雜產(chǎn)品的設(shè)計需求，逆向工程隨之產(chǎn)生[1]。逆向工程（Reverse Engineering，也稱反求工程），是在沒有圖紙的前提下，通過數(shù)字化測量設(shè)備、三維測量軟件和CAD技術(shù)獲得產(chǎn)品的三維數(shù)模[2]，能夠大幅提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，降低生產(chǎn)成本[3]?；谀嫦蚬こ趟邆涞膹姶髢?yōu)勢，文章以葉輪為例，詳細介紹了如何通過Geomagic Control和CATIA軟件對產(chǎn)品進行曲面造型設(shè)計。

1　逆向建模的整體流程

首先，通過數(shù)字化測量設(shè)備得到產(chǎn)品表面的點云數(shù)據(jù)，再利用三維測量軟件對獲得的點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后將處理后的點云數(shù)據(jù)導入到三維建模軟件中進行曲面造型設(shè)計，得到一個封閉的曲面或?qū)嶓w。

利用三維測量軟件對點云進行預(yù)處理的過程如圖1所示，利用三維建模軟件進行曲面造型的過程如圖2所示。

圖1　點云數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

圖2　曲面造型設(shè)計流程

2　點云數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理

2.1　獲取點云數(shù)據(jù)

獲取點云主要有接觸式測量和非接觸式測量兩種方式，非接觸式測量具備數(shù)據(jù)采集速度快、測量精度較高，可以在較短時間內(nèi)快速采集完整的點云數(shù)據(jù)[4]。而且葉輪表面外形復雜程度較低，同時由于葉片之間接近圓心部分不易接觸，因此決定利用非接觸式測量方式對葉輪的各個表面進行全方位掃描，掃描過程中將葉輪固定，測量設(shè)備安裝在能夠一次掃描到葉輪最大表面積的位置，以便減少轉(zhuǎn)站的次數(shù)，因為每轉(zhuǎn)站一次就會造成一定的誤差積累，同時要以適當?shù)乃俣纫苿訏呙桀^，并進行噴粉處理，進而獲得高質(zhì)量的點云。掃描完成后將點云保存成igs文件格式，如圖3所示。

圖3　葉輪表面點云數(shù)據(jù)

2.2　點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

2.2.1去除雜質(zhì)點云

由于葉輪安放在固定位置，在獲取點云數(shù)據(jù)的過程中不可避免的會掃描到葉輪附近區(qū)域的實體，得到不同數(shù)量、不同程度的雜質(zhì)點云。雜質(zhì)點云不僅會增加點云的數(shù)量造成運行速率緩慢而且對后續(xù)的逆向設(shè)計造成不同程度的影響。因此，首先應(yīng)該將這些雜質(zhì)點云去除。如圖4所示。

圖4　去除雜質(zhì)點云

2.2.2點云的拼接

由于無法在一個站位下掃描到葉輪表面全部點云數(shù)據(jù)，因此將葉輪分成兩個區(qū)域進行點云數(shù)據(jù)采集，再通過兩個區(qū)域上的公共點或者公共特征（至少3個）將兩個區(qū)域的點云數(shù)據(jù)拼接在一起，最終得到完整的點云數(shù)據(jù)。

共有四種點云拼接方法，分別為最佳擬合法、體外特征法、探測球法和n點對齊法，其特點如表1所示。

表1　四種拼接方法特點對比

由上表可知，n點對齊法測量速度快，操作簡單方便，只是測量精度相比之下較低，但是在點云拼接過程中，可以增加兩塊點云之間公共點或公共特征的數(shù)量，進而提高拼接之后點云的質(zhì)量[5]，所以采用n點對齊的方式來拼接，如圖5所示。

圖5　點云的拼接

2.2.3去除體外孤點

在獲取點云過程中，在葉輪點云表面會產(chǎn)生一系列的“高點”，這些點孤立在整體點云之外。體外孤點的存在在逆向設(shè)計中會影響特征曲線抽取時的質(zhì)量與誤差；在零件檢測中參與點云數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的擬合計算，參與表面偏差評定。體外孤點同樣也會影響葉輪點云的精度。因此利用軟件的去除體外孤點功能將體外孤點刪除，如圖6所示，可以多次執(zhí)行此功能，以便刪除的更加徹底。

圖6　去除體外孤點

2.2.4去除噪聲

葉輪點云在采集過程中，由于外界的因素以及掃描儀本身的原因造成（一類是被測對象表面因素產(chǎn)生的誤差，譬如表面粗糙度、波紋等缺陷；另一類是由測量系統(tǒng)本身引起的誤差，譬如測量設(shè)備的精度、CCD攝像機的分辨率、振動等），稱之為“噪聲”[6]。點云處理過程中應(yīng)對點云進行去除噪聲處理，去噪方法也隨著點云類型（自由曲面、基本曲面等）不同而不同，例如均值濾波、低通濾波、高斯濾波等。如圖7所示。

圖7　去除噪聲

2.2.5統(tǒng)一采樣

為了得到輕量化的點云數(shù)據(jù)，即保證點云數(shù)據(jù)的完整性又盡可能的減小點云的數(shù)量大小，加快曲面逆向重建的速度，降低計算機的計算量。因此進行統(tǒng)一采樣處理，設(shè)定合適的點間距，去除不必要的點，減少點的個數(shù)，如圖8所示。

圖8　點云采樣處理

3　曲面造型設(shè)計

完成上述一系列操作之后，就得到了完整、干凈、輕量化的點云。將點云數(shù)據(jù)從測量軟件中導出，保存為IGES格式或者ASCII（二進制數(shù)據(jù)）格式。便可開始利用建模軟件進行逆向建模設(shè)計。

3.1　點云網(wǎng)格化

網(wǎng)格化處理即將點云數(shù)據(jù)（IGES）轉(zhuǎn)化為三角形面片（STL），以三角形面片作為區(qū)域分割、特征曲線抽取的基礎(chǔ)與來源。如圖9所示。

圖9　點云網(wǎng)格化

3.2　區(qū)域劃分

不同的區(qū)域具有不同的結(jié)構(gòu)特點、曲面特點，針對不同區(qū)域可以采用與之相適應(yīng)的曲面造型方法，這樣不僅可以加快曲面重建的速度還可以在一定程度上提高曲面重建的精度。

區(qū)域劃分從宏觀上來說可以根據(jù)不同區(qū)域的造型方法進行劃分，從細節(jié)上來說可以根據(jù)曲率來作為區(qū)域劃分的依據(jù)。因此將其劃分成兩個區(qū)域，即分別對葉輪基體和葉片進行建模，葉輪基體為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，葉片為變厚度空間曲面。如圖10所示。

圖10　葉片和基體

3.3　曲面重建

3.3.1基體區(qū)域

基體的下端屬于一個圓柱體部分，獲取圓柱體的軸線可以通過QSR模塊的基本特征識別功能，快速將圓柱段點云擬合為一圓柱，從而得到其圓柱軸線；也可以通過在圓柱段的不同截面獲取兩個截面圓，分別求取截面圓的圓心，將兩截面圓的圓心連線，即可以得到圓柱的軸線，即基體部分的回轉(zhuǎn)軸線。如圖11所示。

圖11　構(gòu)造回轉(zhuǎn)軸線

輪廓線亦可以通過截面曲線（Planar Sections）命令來得到輪廓邊線，通過對輪廓邊線進行處理，最終得到回轉(zhuǎn)體的輪廓線。如圖12所示。

圖12　構(gòu)造輪廓線

在完成特征曲線抽取之后，即可以進行回轉(zhuǎn)曲面（葉輪基體部分）的曲面重建。如圖13所示。

圖13　基體回轉(zhuǎn)曲面

3.3.2葉片區(qū)域

該葉輪總共有七個葉片且七個葉片相互之間完全一致，圍繞著葉輪回轉(zhuǎn)軸線均勻分布即相互之間約為51.43°，因此只要完成一個葉片的曲面重建，對其進行旋轉(zhuǎn)即可以得到全部的葉片。

該葉片屬于空間曲面并且在不同截面上具有不同的厚度，該空間曲面不屬于直紋面，不能通過拉伸、掃掠等普通方法一次性生成該曲面。因此針對該葉片曲面采用曲面擬合功能，通過將葉片按曲率進行曲面劃分-網(wǎng)格邊線生成-網(wǎng)格曲線生成-網(wǎng)格節(jié)點調(diào)整-曲面生成-曲面延伸修剪等步驟逐步完成葉片曲面的重建。

將葉片曲面按照曲率進行區(qū)域分割，按照不同區(qū)域的曲率半徑將曲面劃分為不同的區(qū)域，針對不同區(qū)域進行網(wǎng)格化劃分。如圖14所示。

圖14　區(qū)域劃分

將曲面進行網(wǎng)格化處理，經(jīng)過截面邊線-生成曲線-曲線優(yōu)化-網(wǎng)格曲線-節(jié)點調(diào)整，最終生成網(wǎng)格曲線。如圖15所示。

圖15　生成網(wǎng)格曲線

將網(wǎng)格化曲線Power Fit之后，即可得到葉片曲面，再將葉片曲面進行修剪、分隔，最終形成完整的葉片曲面。在通過旋轉(zhuǎn)陣列功能得到所有葉片，如圖16所示。

(4) 類似水文地質(zhì)基坑工程設(shè)計中，應(yīng)重點考慮第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐、增加基坑圍護樁(墻)體嵌固深度的必要性。

圖16　旋轉(zhuǎn)葉片

完成葉輪基體和葉片部分的全部曲面重建之后，將葉片部分和機體部分裝配在一起，最終形成完整的葉輪逆向模型，如圖17所示。

圖17　葉輪逆向模型

3.4　3D比較

逆向建模過程中，無論是提取特征曲線還是擬合曲面都會存在偏差，所以在建模完成之后要對其進行精度評價，驗證是否滿足精度要求，并以此為依據(jù)對重要曲面進行后期的優(yōu)化處理，如果誤差過大，就要重新提取特征線、重新擬合曲面或者更換一種新的建模思路。3D比較結(jié)果如圖18所示。

圖183　D比較

4　結(jié)論

建模過程中，要根據(jù)工件表面的特點進行適當?shù)膮^(qū)域劃分，使得復雜的曲面簡單化，便于制定合理建模方案，提高工作效率。

生成平面交線時，一定要選取點云相對平滑的位置與平面相交生成交線，否則將會影響輪廓線的平滑度，進而影響精度。

獲取平面交線之后，不要使用交線曲線功能直接將其轉(zhuǎn)化成空間曲線，應(yīng)該先將其轉(zhuǎn)化成空間點，然后利用樣條線功能將所有點連接成一條空間曲線，該空間曲線平滑度更高，拉伸或掃掠出的曲面不易發(fā)生翹曲且平滑，同時以該空間曲線為邊界填充后的曲面精度更高。

參考文獻：

[1]胡影峰.Geomagic Studio軟件在逆向工程后處理中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化，2009，31（9）：135-137.

[2]金 濤，童水光，顏永年.逆向工程技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[3]許智欽.逆向工程技術(shù)[M].天津：天津大學出版社，2001.

[4]金 鑫，何雪明，楊磊等.基于Imageware和UG的汽車內(nèi)飾件的逆向設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2009（6）：40-42.

[5]谷天慧.基于關(guān)節(jié)臂的發(fā)動機葉片測量方法研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學，2016.

[6]劉美麗.激光再制造機器人系統(tǒng)中缺陷零件三維形貌重建[D].天津：天津工業(yè)大學，2010.