一種彈性元件的逆向設計

□ 郭建芬 □ 龐明磊 □ 徐井利 □ 秦貞明 □ 李樹虎

山東非金屬材料研究所 濟南 250031

1 設計背景

逆向設計是從實物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)學模型,進而開發(fā)出同類產(chǎn)品的先進設計技術(shù)。通過逆向設計,設計師對產(chǎn)品實物或樣件表面進行數(shù)字化處理,重新構(gòu)造實物的三維模型,經(jīng)過計算機輔助設計、工程、制造系統(tǒng),實現(xiàn)產(chǎn)品剖析、深化和再創(chuàng)造。

逆向工程技術(shù)也稱為反求技術(shù),為快速設計、制造產(chǎn)品提供了很好的技術(shù)支持。逆向設計一般要經(jīng)過實物模型分析、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)、曲面分析等步驟。根據(jù)成形制件需求的不同,進行具體分析處理。在沒有產(chǎn)品設計圖紙或相關資料的前提下,運用逆向設計,能在較短時間內(nèi)對原型產(chǎn)品進行設計、修改與創(chuàng)新,開發(fā)制造出理想的同類產(chǎn)品。

2 實物模型分析

在逆向設計時,如何根據(jù)構(gòu)建的模型來獲取所需的物體表面數(shù)據(jù),對整個模型的重建起到至關重要的作用。應對實物模型進行全面分析,主要從三方面進行考慮。

(1) 成形曲面。對于規(guī)則曲面或較簡單曲面構(gòu)成的模型,可以使用接觸式測量方法,取點精度較高,曲面成形方便快捷。如果模型由復雜曲面或異形曲面構(gòu)成,后續(xù)的成形方法較復雜,成形曲面所需的參考數(shù)據(jù)較多,那么可以采用非接觸式數(shù)據(jù)掃描,以滿足后續(xù)復雜曲面的建模需求。

(2) 測量方法。接觸式測量對模型裝夾與測量取點有較高的要求,如果有些模型較難實現(xiàn)接觸式測量所需的裝夾固定,或?qū)崿F(xiàn)裝夾固定后妨礙重要特征的獲取,那么只能采用非接觸式測量。非接觸式測量不需要對模型進行裝夾固定,但要保證可以對模型全部所需表面數(shù)據(jù)的順利獲取。

(3) 特殊屬性。模型具有某些特殊屬性或有特殊要求時,需要具體考慮。如模型材質(zhì)為易變形材質(zhì),則只能進行非接觸式測量。

綜合以上三方面,接觸式測量取點對后續(xù)曲面成形針對性強,測量精度與曲面成形精度高,成形快捷,是首選,但應用范圍有限。非接觸式測量取點應用范圍廣,但后續(xù)數(shù)據(jù)處理與模型重構(gòu)較復雜。

一種帶有旋轉(zhuǎn)曲面屬性的彈性元件三維模型如圖1所示。分析這一元件,元件外表面為旋轉(zhuǎn)曲面,只要獲取一條母線與旋轉(zhuǎn)軸,旋轉(zhuǎn)成形即可獲得所需曲面。由于這一元件為彈性元件,易變形,因此不宜采取接觸式測量。根據(jù)現(xiàn)有條件,擬采用三坐標測量機激光掃描技術(shù)實現(xiàn)元件表面數(shù)據(jù)點的獲取。利用三坐標測量機的激光掃描測頭,通過定義所需角度進行掃描,直至獲取理想的完整外表面數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)通過預處理,生成所需外表面的設計數(shù)據(jù)。根據(jù)元件曲面成形特征,設計出整個元件的數(shù)據(jù)。

▲圖1 彈性元件三維模型

3 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集是保證模型重構(gòu)質(zhì)量的關鍵因素,也稱為表面數(shù)字化實現(xiàn),是獲得模型表面數(shù)據(jù)的必經(jīng)過程。

這一彈性元件采用三坐標測量機激光掃描來測量。將元件放置于臺面上,定義所需掃描測頭的旋轉(zhuǎn)角度并標定,然后對元件進行掃描。激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)一般以.asc格式輸出,可以輸出至逆向設計軟件或計算機輔助設計軟件進行處理。這一彈性元件激光掃描完成后,生成十幾個.asc格式文件。

數(shù)據(jù)掃描完成后,需要進行預處理。Imageware、Geomagic Studio等是專業(yè)逆向設計軟件,可進行點云數(shù)據(jù)預處理。預處理包括噪聲點去除、模塊拼合、數(shù)據(jù)優(yōu)化等。將激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)全部輸入軟件。由于所有點云數(shù)據(jù)都在三坐標測量機同一坐標系下進行,并且在掃描過程中元件的位置保持不變,因此所有.asc格式文件拼合起來正好是元件的全局數(shù)據(jù)。

將全部點云數(shù)據(jù)拼合后,檢查所需表面數(shù)據(jù)點云。若不完整或點云數(shù)據(jù)不理想,則需要定義測頭角度補測。原始點云數(shù)據(jù)是后續(xù)逆向處理的根本依據(jù)。

拼合后的原始點云會存在大量數(shù)據(jù)冗余點,應將噪聲點、孤點等清除。海量數(shù)據(jù)點對于曲面重建和質(zhì)量檢測而言是多余的,還會給數(shù)據(jù)存儲和后續(xù)處理帶來很大不便。因此,在滿足精度的前提下,需要對點云數(shù)據(jù)進行過濾處理或采樣,以適當減少點云數(shù)量。預處理后的點云數(shù)據(jù)圖如圖2所示,圖中包括表面數(shù)據(jù)點與參考基準點等。

為了使曲面成形精度更有保障,需要對點云數(shù)據(jù)三角網(wǎng)格化。點云數(shù)據(jù)三角網(wǎng)格化后的曲面看上去有許多缺陷,由此,需要對曲面進行處理,形成較平整的網(wǎng)格曲面。點云數(shù)據(jù)三角網(wǎng)格化曲面如圖3所示。三角網(wǎng)格化曲面并不是真正意義的設計曲面,還存在曲面不完整區(qū)域,因此需要在計算機輔助設計軟件中重新構(gòu)造設計曲面。

▲圖3 點云數(shù)據(jù)三角網(wǎng)格化曲面

通過三角網(wǎng)格化曲面,能更好地觀察曲面成形質(zhì)量與曲面形狀。對曲面質(zhì)量不佳的部分,可重新定義所需測頭角度,并進行數(shù)據(jù)掃描。如果距離元件底面某一高度范圍內(nèi)曲面始終掃描不上,那么存在測量死區(qū)。測量死區(qū)與測頭方位、運動路徑限制有關,可以在計算機輔助設計成形時解決。

4 曲面成形與分析

數(shù)據(jù)預處理完成后,需要在專業(yè)的計算機輔助設計軟件中進行高質(zhì)量的曲面成形與設計。曲面重構(gòu)是逆向設計的關鍵內(nèi)容。專業(yè)的計算機輔助設計軟件有Unigraphics、Creo、CATIA等。其中,CATIA軟件為逆向設計提供了數(shù)字曲面編輯器、自由曲面設計、創(chuàng)成式曲面設計、快速曲面重構(gòu)四個專用模塊,具有多種構(gòu)建曲面方式及強大的曲面造型功能。利用CATIA軟件逆向設計模塊,可以對點云數(shù)據(jù)進行預處理。

彈性元件的外表面數(shù)據(jù)可通過一條設計母線繞中心軸線旋轉(zhuǎn)成形,形成旋轉(zhuǎn)曲面。該旋轉(zhuǎn)曲面成形的關鍵是依據(jù)掃描數(shù)據(jù)找出中心軸線與所需的旋轉(zhuǎn)母線。彈性元件外表面成形時,中心軸線位置與旋轉(zhuǎn)母線形狀至關重要。成形后,若點云與成形曲面偏離較大,則可調(diào)整中心軸線位置或旋轉(zhuǎn)母線的成形,直至點云與曲面的距離達到設計要求。由此可見,在逆向設計過程時,曲線構(gòu)造曲面的過程是一個不斷往復修改與調(diào)整的過程。

利用點云曲面構(gòu)造成形曲面,需要創(chuàng)建與提取特征線。彈性元件表面成形為旋轉(zhuǎn)曲面,與底面平行的各截面曲線應為圓,中心軸線應通過各個圓的圓心。由此,利用CATIA軟件的平行截面線功能作平行于底面的若干平面與網(wǎng)格曲面相交,得到各相交曲線,再用圓來擬合各相交曲線,并找到各截面圓的圓心,利用截面圓心擬合出直線,作為旋轉(zhuǎn)中心軸線。截面圓與旋轉(zhuǎn)中心軸如圖4所示。

▲圖4 截面圓與旋轉(zhuǎn)中心軸

過中心軸線作平面,利用平行截面線功能得到平面與三角曲面的截面曲線。在草圖中,依據(jù)該截面曲線作出所需的旋轉(zhuǎn)母線,用于旋轉(zhuǎn)成形曲面。經(jīng)分析,旋轉(zhuǎn)母線主要由直線與過渡圓角等組成,因此利用直線與圓弧來擬合出旋轉(zhuǎn)母線,保證母線成形的高質(zhì)量,如圖5所示。只有對點云擬合程度高,形成高品質(zhì)的光順曲線,才能得到成形所需的高質(zhì)量曲面。母線頂部直線段、底部直線段等需與旋轉(zhuǎn)中心線垂直,保證旋轉(zhuǎn)曲面的成形質(zhì)量。

▲圖5 草圖中旋轉(zhuǎn)母線擬合

旋轉(zhuǎn)母線繞中心軸旋轉(zhuǎn)成形外形曲面后,可以對該外形曲面進行分析。外形曲面為旋轉(zhuǎn)曲面,旋轉(zhuǎn)母線的高質(zhì)量與草圖約束等決定了外形曲面的光順性與高質(zhì)量。

分析點云與曲面的距離,若超出設計公差,則可調(diào)整成形曲線與中心線,最終使點云與曲面的距離在設計公差內(nèi),且以點云均勻分布在曲面兩側(cè)為佳。

彈性元件外表面數(shù)據(jù)設計成功后,可以設計彈性元件截面形狀,如圖6所示,從而最終設計出整個彈性元件的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

▲圖6 彈性元件截面形狀

5 結(jié)束語

逆向設計根據(jù)現(xiàn)有實物模型的測量數(shù)據(jù)演繹出零件的設計概念和計算機輔助設計模型,在已有產(chǎn)品基礎上仿造新產(chǎn)品,為產(chǎn)品設計和舊產(chǎn)品的改進提供了方便途徑。逆向設計可以在草圖與截面設計階段進行所需的創(chuàng)新設計,對于需分塊成形的曲面,先分析設計好每塊曲面,然后完成過渡曲面的設計。筆者介紹了一種彈性元件的逆向設計,可以為帶有旋轉(zhuǎn)曲面屬性產(chǎn)品的逆向設計提供參考。