基于CATIA V5飛機(jī)零件的逆向設(shè)計(jì)

蘇力德

摘 要：逆向工程就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出它的CAD模型的過程。本文對由于各種原因沒有CAD模型的實(shí)體零件或使用年限長、磨損嚴(yán)重的大型工裝進(jìn)行掃描，對得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行CATIA處理，最終得出CAD模型的過程進(jìn)行研究，并且對所得零件進(jìn)行一定的精度分析。

關(guān)鍵詞：逆向工程;點(diǎn)云;CAD模型

一、前言

當(dāng)前，國內(nèi)航空企業(yè)主要是通過先設(shè)計(jì)飛機(jī)三維模型形成工程數(shù)據(jù)，之后在工程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上按照工藝要求，添加工藝信息后通過數(shù)控加工成零件。但是由于我國航空企業(yè)由“引進(jìn)—仿制—設(shè)計(jì)”模式發(fā)展過來，其中很多飛機(jī)零件只有圖紙或工裝，沒有CAD模型，導(dǎo)致該類飛機(jī)零件的加工受到很多的約束。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，這種情況促進(jìn)了逆向工程技術(shù)在航空企業(yè)的應(yīng)用。通過逆向工程設(shè)計(jì)模型的主要步驟是采用三維掃描系統(tǒng)獲取實(shí)物模型的外部點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)將噪聲點(diǎn)等處理后將點(diǎn)云以igs、stl、iges等格式引入到CATIA軟件中，然后采用CATIA軟件在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

二、零件特點(diǎn)介紹

需要逆向成型的零件多為形狀復(fù)雜，難以一次成型，且只有圖紙或工裝，損壞后難以加工的零件。下面的零件是較為典型的需要逆向建模的零件，由于長時(shí)間的使用，該零件的模胎已經(jīng)損壞，該零件底面為雙曲面，上面具有兩個(gè)凸臺，形狀復(fù)雜，難以一次成型。具體零件如圖1所示。

三、零件逆向設(shè)計(jì)過程

3.1? 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是逆向工程的第一步，也是最重要的一步，通過掃描得到實(shí)體模型的相關(guān)數(shù)據(jù)。掃描圖1中的零件時(shí)我們可采用手持式自定位三維掃描儀，這種掃描儀精度高，掃描速度快。在實(shí)際掃描過程中，我們應(yīng)當(dāng)要對零件輪廓、孔邊緣等進(jìn)行預(yù)先處理，以便在掃描過程中能夠較好的顯示出這些特征的邊緣線。還有在掃面過程中為保證點(diǎn)云的正確性，最好將零件的表面凹痕補(bǔ)修后再進(jìn)行掃描。

3.2? 點(diǎn)云處理

3.2.1 噪聲點(diǎn)的處理

點(diǎn)云采集過程中由于掃描設(shè)備精度、操作者經(jīng)驗(yàn)、被掃描件表面質(zhì)量、環(huán)境等因素的影響，容易產(chǎn)生一些噪聲點(diǎn)、測量誤差點(diǎn)，這些點(diǎn)將影響重建CAD模型，應(yīng)將其刪除。操作者應(yīng)當(dāng)根據(jù)零件或工裝的實(shí)體，將點(diǎn)云中肉眼能夠辨別的噪聲點(diǎn)刪除，保證移交給設(shè)計(jì)員的點(diǎn)云正確性。

3.2.2 數(shù)據(jù)過濾

采用三維掃描系統(tǒng)進(jìn)行掃描時(shí)，每次得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)由成千上萬的點(diǎn)組成，若將這些點(diǎn)用于建立CAD模型，一方面大量數(shù)據(jù)的存儲和處理將消耗計(jì)算機(jī)資源，使計(jì)算機(jī)變得很慢，浪費(fèi)時(shí)間，另一方面并不是所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)在建立曲面時(shí)都能用上，因此有必要在保證一定精度的前提下對點(diǎn)云進(jìn)行精簡。

在CATIA軟件中過濾命令用于點(diǎn)云的過濾。過濾方式有兩種，一是公差球方式，另一種為弦高差方式。其中公差球方式是以一點(diǎn)為基準(zhǔn)，將公差球半徑范圍內(nèi)的點(diǎn)去除，而后再以附近的點(diǎn)為基準(zhǔn)，重復(fù)此操作，最后形成均勻的點(diǎn)云。弦高差方式在點(diǎn)云外廓變化劇烈處保留較多點(diǎn)，變化平緩處則保留較少點(diǎn)，即利于保留點(diǎn)云特征。

3.3? 建立曲面

建立曲面是逆向建模過程中最重要的環(huán)節(jié)。像該零件底面為雙曲面，且零件上還有凸臺，形狀復(fù)雜，難以一次成形組成，所以逆向建模前需要根據(jù)零件表面特點(diǎn)將曲面進(jìn)行分割，以便對不同部分采用合理的方法重建曲面，如圖2、，最后再將所有曲面片拼接、縫合成一個(gè)整體。CATIA 軟件中逆向建立曲面較為常見的兩種命令為基本表面識別命令和強(qiáng)力擬合命令?；颈砻孀R別命令的用途在于零件表面為規(guī)則曲面，如圓柱面、錐面、球面、平面等時(shí)可快速形成曲面;而強(qiáng)力擬合命令則用于曲率變化不是很激烈的雙曲度平面時(shí)可按此命令快速擬合曲面。而對于曲率變化較為激烈的雙曲度曲面則將點(diǎn)云用切面相切后通過樣條曲線、3D曲線對截面線進(jìn)行優(yōu)化，之后用多截面曲面等命令將曲線擬合成曲面。

3.4? 零件檢驗(yàn)及修改

逆向建模是由將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過一系列的手段擬合成曲面，再把曲面變成實(shí)體的過程，這其中肯定會存在外形上的誤差，因此往往需要對擬合后的曲面進(jìn)行反復(fù)修改，有時(shí)更是需要重新掃描實(shí)體、重建曲面才能最終得到符合要求的零件模型。在零件模型初步建立完成后需要將零件外形面與點(diǎn)云進(jìn)行對比，在CATIA軟件中具有各種對比命令，在逆向建模過程中常用的對比命令為偏離分析（）命令，如下圖中在±0.5范圍內(nèi)92.18%的點(diǎn)云與曲面相符合，而在±1范圍內(nèi)98.88%的點(diǎn)云與曲面相符合。我們從圖2中看出點(diǎn)云與曲面的最大誤差為2.61mm，所以曲面還有修改和改進(jìn)的地方。

3.5? 建立實(shí)體

零件的曲面擬合完成，經(jīng)過對比合格后通過厚曲面、封閉曲面等命令得到零件實(shí)體。

四、結(jié)束語

逆向工程技術(shù)在航空企業(yè)中應(yīng)用的時(shí)間雖然不長，但作為一個(gè)高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路和方法，其廣泛的應(yīng)用前景已經(jīng)為絕大多數(shù)航空制造企業(yè)和工程技術(shù)人員所關(guān)注。而如今，在航空企業(yè)中如何提高逆向工程的CAD模型更加接近實(shí)體成為了航空制造企業(yè)的工程技術(shù)人員研究的主要對象。