基于逆向工程的機身曲面重構方法及光順技術分析

茍國慶 王思蕾 杜穎娜

摘 要：曲面重構與光順技術為逆向工程的重要組成部分，二者有效應用可確保設計模型以1：1比例生產為實物產品。本文分析基于逆向工程的機身曲面重構方法及光順技術，通過對曲面重構方法及光順技術的合理調整，充分實現(xiàn)機身模型特征，提高機身生產質量。

關鍵詞：逆向工程;曲面重構;光順技術

0 引言

逆向工程指將實物模型化的過程，其涵蓋數(shù)字化、模型重建、產品制造等多項技術。逆向工程將已有產品模型轉換為設計模型，以準確了解產品的細節(jié)特征，然后對現(xiàn)有產品進行優(yōu)化創(chuàng)造。逆向工程的最大優(yōu)勢就體現(xiàn)在可精準復刻實物模型的特征上，由此產生的設計圖紙、數(shù)據(jù)更具可靠性和精確度，有必要對相關理論進行總結。

1 基于逆向工程的模型數(shù)據(jù)采集

機身曲面模型數(shù)據(jù)采集是開展后續(xù)工作的基礎，目前常用的模型數(shù)字化處理方式主要有接觸測量和非接觸測量，采用測量機、數(shù)控機床測量裝置、數(shù)字化設備等完成數(shù)據(jù)采集。以上方法、工藝的發(fā)展已相對成熟，但存在測量精度低、測量周期長的缺陷，一般不用做軟實物的測量?，F(xiàn)階段，信息技術、光電技術迅速發(fā)展，圖像處理工作多在計算機系統(tǒng)內完成，以此為基礎的非接觸測量在逆向工程中的應用越來越廣泛，并衍生出光柵法測量、激光三角測量等技術分支。

在使用激光掃描儀開展機身曲面模型測量時，需對儀器進行調零，選擇光線強度適宜的環(huán)境開展測量操作，以減少獲取點云數(shù)據(jù)中的雜點。提升機身曲面模型的反射度可使數(shù)據(jù)測量過程進展更為順利，提高點云獲取精度，因此模型裝夾之前，可在其表面均勻涂刷反差劑[1]。將機身曲面模型固定在轉臺上，適當調整其方位，確保激光掃描儀全面掃描曲面。掃描儀的邊界、步距可通過Y軸和Z軸控制，以使邊界與曲面模型邊界相適應，減少點云中干擾項。采用單鏡頭掃描模式，保存掃描數(shù)據(jù)，為方便后期數(shù)據(jù)處理，每次保存前可更改點云名稱。一次掃描完成后，將轉臺旋轉120°，無需記錄角度，旋轉完畢后進行調零，然后重復一次掃描的操作步驟。掃描過程中會出現(xiàn)局部掃描不到位的現(xiàn)象，此時可進行局部掃描，補齊點云數(shù)據(jù)。

測量過程中，機身曲面模型被裝夾固定，因此在轉臺角度調整的過程中，系統(tǒng)可自動將全部點云數(shù)據(jù)整合到同一坐標系內。測量結束后，在同一坐標系內呈現(xiàn)三次掃描結果。

2 基于逆向工程的機身曲面重構

在CATIA軟件環(huán)境下開展機身曲面重構作業(yè)。首先，進行模型數(shù)據(jù)預處理，彌補數(shù)據(jù)點不足，清除無效數(shù)據(jù)及冗余數(shù)據(jù)，以降低測量誤差。模型掃描系統(tǒng)存在既定的有效作用范圍，該范圍內出現(xiàn)的物體數(shù)據(jù)均可被掃描，使獲取的機身模型數(shù)據(jù)中存在干擾項，此時可使用Remove工具將多余數(shù)據(jù)點清除，僅保留與機身構件有關的點云。為使曲面構建呈現(xiàn)的最終效果盡可能接近機身模型，還可對點云做網格化處理，具體工具為Mesh Creation。平滑處理則使用Mesh Smoothing工具開展，通過調節(jié)拉桿改變平滑程度。在實際操作中，平滑度的選擇不宜過高，避免機身曲面細節(jié)丟失，保證最終曲面重構的完整性。

其次，目標機身構件需利用曲面模型表示，因此需將點云數(shù)據(jù)劃分為多個模塊，以得到不同的曲面模型。各個曲面片之間光滑銜接、過渡，才能順利完成重構過程，同時減少工程計算量，提高設計精度。在曲面片劃分過程中，要求數(shù)據(jù)塊凹凸性相一致，強化機身曲面重構時態(tài)，合理利用曲率法及散亂數(shù)據(jù)可提高劃分質量。在軟件平臺內，通過平面與機身構件相交，可得到交線，或調整交線曲率，確保曲面劃分的精確度，另外交線數(shù)量的合理控制也可發(fā)揮精度提升作用。注意在交線調節(jié)過程中，應重點圍繞曲面擬合展開，確保機身擬合曲面能夠與真實的機身部件完美貼合。

最后，機身曲面重構方式分代數(shù)法和參數(shù)法兩種。機身曲面擬合完畢后，將各曲面結合并做加厚處理即可得到實際的曲面結構。但是形成的曲面結構往往帶有一定質量缺陷，主要來自于逆向設計模型與理想模型、數(shù)據(jù)采集與既有模型間的誤差，需要進行人工調整，以避免對機身曲面構建帶來過多干擾。

3 基于逆向工程的機身光順技術

完成以上操作步驟后，不一定能得到高質量的機身曲面重構，主要是由于曲面模型需要同時達到性能及精度的要求。機身曲面模型多由多張曲面構成，曲面模型的性能和精度也就對應多張曲面的性能、精度以及連接質量。單個曲面的性能指標有光順度、氣動性、可加工性等，若為自由曲面，還需對其光滑性做嚴格控制，避免出現(xiàn)褶皺、平點或曲率不明等問題[2]。單個曲面之間的連續(xù)性控制要點則在位置、曲率及切線上。

引發(fā)機身曲面模型性能不足的原因主要有以下兩點，在利用光順技術時需予以重點關注：第一，點云數(shù)據(jù)本身非常復雜，若直接開展擬合操作，會導致算法處理難度及處理時間顯著上升。另外，不同機身曲面特征間的連接處存在較大誤差，節(jié)點分布密度大，進而導致操作難度提高。第二，為充分保留機身曲面模型的局部性能，需對點云節(jié)點進行擬合，使用Merge工具及圓角做過渡處理。過渡曲面受原曲面邊界性質的影響較大，其精度無法通過點云擬合來保證，進而導致擬合結果的形態(tài)無法被有效控制，引發(fā)畸變。

基于光順技術，擬合曲面的邊界不受限，在擬合完畢后，需根據(jù)實際機身曲面模型完成曲面剪裁。此外，邊界不受限還會導致空間點參數(shù)域坐標值的變化非常靈活，提高點云性能的可控程度，確保最終的機身曲面性能達到設計要求。但由于剪裁曲面的量化值只受曲線的約束，相應的平移、圓角等操作均會被過多限制，且曲面便邊界之間存在較高的差異性，因此曲面間縫隙的影響無法被忽視，導致機身曲面很難快速成型。因此在進行光順處理時，相關人員需確保曲面間的連續(xù)性，嚴格控制調整過程，以免對機身曲面的性質、精確度等造成干擾。

4 結論

利用激光掃描儀全面采集機身曲面模型點云數(shù)據(jù)，經點云數(shù)據(jù)處理及網格化，為后期曲面重構及光順提供有利條件。通過逆向工程，實現(xiàn)機身曲面模型的快速、精確搭建，從而為機身優(yōu)化提供最佳的設計方案，推動相關產業(yè)健康發(fā)展。

參考文獻：

[1]莫小鳳.基于逆向工程曲面構建與曲面光順技術研究[J].大科技，2018（29）：377-378.

[2]李蘭蘭.HD-SHM2005系統(tǒng)中數(shù)學技術在光順船體型線設計中的應用[J].無線互聯(lián)科技，2018，15（11）：134-136.

作者簡介：茍國慶（1989-），男，甘肅白銀人，學士，工程師，主要研究方向：工藝數(shù)據(jù)建模和修形。