基于逆向工程的復(fù)雜殼體零件數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

孫瑩 邱陽 李有利

基金項目：本文系內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目（基金項目：基于逆向工程的某重型卡車驅(qū)動橋主減速器殼體優(yōu)化設(shè)計研究，項目編號：NJZY21103）。

作者簡介：孫瑩（1984—），女，碩士，副教授，研究方向為機械設(shè)計制造及機械CAD/CAM。摘 ?要：本項目旨在對某重型卡車后驅(qū)動橋主減速器殼體進行輕量化改進設(shè)計，在缺乏原始數(shù)據(jù)的情況下，首先需要進行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理。本文在簡述了數(shù)據(jù)采集的原理及對比各種采集方式特點的基礎(chǔ)上，基于逆向工程流程，運用逆向掃描設(shè)備得到了該殼體的點云數(shù)據(jù)，繼而利用Geomagic Wrap軟件進行了數(shù)據(jù)處理。運用該方式進行數(shù)據(jù)采集和處理可顯著提高工作效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，也為其他類似殼體零件的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：逆向工程;復(fù)雜殼體;數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)處理

中圖分類號： ??????文獻標識碼：A

Data Acquisition and Data Processing of Complex Housing?Parts Based on Reverse Engineering

SUN Ying1 ??QIU Yang2??LI Youli2

（1.School of Mechanical Engineering， Baotou Vocational & Technical College， Baotou， Inner Mongolia Autonomous Region， 014030 China;?2.Baotou Beiben Heavy Truck Axle & Transmission Co.， Ltd.， Baotou， Inner Mongolia Autonomous Region， 014030 China）

Abstract： ?This project aims to improve the lightweight design of the main reducer housing of the rear drive axle of a heavy truck. In the absence of raw data， data acquisition and data processing are first required. On the basis of briefly describing the principle of data acquisition and comparing the characteristics of various acquisition methods， based on the reverse engineering process， the point cloud data of the housing is obtained by using the reverse scanning equipment， and then the data is processed by using Geomagic Wrap software. Using this method to collect and process data can significantly improve work efficiency， shorten product development cycle， and also provide a reference for data collection and data processing of other similar housing parts.

Key Words： Reverse engineering; Complex housing; Data acquisition; Data processing

1研究背景

由于該產(chǎn)品沒有原始數(shù)據(jù)，要進行輕量化設(shè)計，首先需要獲取產(chǎn)品點云數(shù)據(jù)，進而進行模型重構(gòu)和再設(shè)計^[3]。不同的測量方式有著不同的效果，點云精度也存在差異，后期處理難度和逆向后數(shù)據(jù)的精度也會受到不同程度的影響，因此數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)至關(guān)重要。

2數(shù)據(jù)采集原理

點云數(shù)據(jù)的獲取方法主要有接觸式和非接觸式兩類。接觸式根據(jù)測頭類型的不同分為觸發(fā)式和連續(xù)掃描式;非接觸式根據(jù)工作原理不同可分為光學(xué)式（包括激光三角測距法、結(jié)構(gòu)光學(xué)法、激光干涉測量法、圖像分析法）和非光學(xué)式（包括CT測量法、MRI測量法、逐層切削掃描法、超聲波測量法）。常用的數(shù)據(jù)采集方法特點對比見表1。

3掃描方法的選擇

該殼體零件為鑄造件，多數(shù)特征由鑄造成型，部分特征再次加工后成型。殼體表面多為不規(guī)則幾何形狀，其外表面有與小齒輪殼的連接面和一系列加強散熱筋以及沉頭孔等特征，內(nèi)表面方向有兩個與輪間差速器軸承連接的軸承安裝座孔和與橋殼連接的連接面及連接孔，具體特征布置如圖1所示，由于該零件細節(jié)較多、曲面形狀較復(fù)雜，故選擇非接觸式形創(chuàng)handscan700手持式激光掃描儀。

圖1 ?某重型卡車后驅(qū)動橋主減速器殼體

該掃描儀的精度為0.030mm，分辨率為0.050，具有極高的可重復(fù)性和可追蹤性，無須固定安裝，可以在掃描期間按需要移動物體，無須配備外部跟蹤或定位設(shè)備，校準方便，測量速率可達480?000次/s，且能自動網(wǎng)格輸出，采集完成之后即可將掃描文件導(dǎo)入至RE/CAD軟件，無須執(zhí)行復(fù)雜的對齊等點云預(yù)處理過程。

4數(shù)據(jù)采集

4.1 制定掃描策略

該殼體零件為深灰色鑄鐵件，外形尺寸約為（540×354×286）mm，細節(jié)特征較多，掃描時要保留產(chǎn)品原有細節(jié)特征，盡量避免數(shù)據(jù)丟失或損壞，因此采取整體掃描方案。由于表面經(jīng)過噴漆處理，掃描時會出現(xiàn)反光，故需對零件表面進行噴粉處理。由于零件內(nèi)外表面均不規(guī)則、不對稱，需要經(jīng)過多角度、多范圍的多次掃描，故需要在零件表面粘貼標志點，從而實現(xiàn)多次掃描數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)一。

4.2 準備掃描設(shè)備

（1）完成三維掃描儀各個部件的組裝，保證掃描主機、電源線、數(shù)據(jù)傳輸線、移動工作站各個部件連接牢固，通信正常。

（2）進行設(shè)備標定，本設(shè)備標定方法簡單，如圖2所示，打開標定板，上下、前后、左右移動掃描，調(diào)節(jié)掃描距離和掃描儀角度使藍色圓和綠色圓重合，且周圍的指示線在綠色范圍內(nèi)，系統(tǒng)即會提示“掃描儀校準已優(yōu)化”。

（3）設(shè)置掃描分辨率、曝光時間、激光功率、光源形式等參數(shù)。選擇合理的參數(shù)，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性，為后期處理減少工作量。

4.3 噴涂顯像劑

由于該殼體零件表面進行了噴漆處理且顏色較深，掃描時會反光，故需要在零件表面噴涂一層顯像劑。噴粉時，顯像劑噴嘴與零件之間保持大致30cm的距離，在滿足掃描要求的前提下盡可能薄且均勻，顯像劑噴涂過多，不僅會在零件表面形成留痕，更會使零件厚度增加，影響掃描精度。

4.4 粘貼標志點

為了實現(xiàn)多次掃描數(shù)據(jù)的坐標統(tǒng)一，需要在零件表面粘貼標志點。標志點粘貼時應(yīng)注意以下幾點。（1）標志點不要粘貼在一條直線上，也不要對稱粘貼。（2）過渡區(qū)公共標志點數(shù)量至少為4個，考慮到拍攝角度、掃描圖像質(zhì)量等原因5～7個最好。（3）標志點應(yīng)使相機在盡可能多的角度可以同時看到。（4）粘貼標志點應(yīng)選擇面積較大且曲率較小的曲面，盡量遠離邊緣。（5）標志點不能太密，也不能太稀^[4]。太密，會因為軟件計算填補無法還原真實狀態(tài)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準確;太稀，會影響數(shù)據(jù)采集的連貫性，掃描會經(jīng)常出現(xiàn)卡頓，標記點無法抓取。該殼體零件噴粉及標志點粘貼后如圖3所示。

4.5 零件掃描

掃描時手持激光掃描儀距離零件大約20cm為宜，應(yīng)隨時觀察距離指示燈并進行調(diào)整，先掃描外表面，然后翻轉(zhuǎn)零件掃描內(nèi)表面，由于粘貼了標識點，所以參照物與零件相關(guān)聯(lián)，掃描過程中是可以移動零件的^[5]。掃描的同時要注意觀察電腦中采集到的數(shù)據(jù)是否完整，如有缺失，可以重復(fù)和多角度地掃描以達到較好的掃描效果，如確實掃描不到，應(yīng)首先保證采集到關(guān)鍵數(shù)據(jù)，方便逆向建模時進行特征擬合。

5數(shù)據(jù)處理

采集完成后的點云數(shù)據(jù)包含一些掃描物體之外的雜點，粘貼標志點的位置會形成孔洞，邊緣部分也會出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，因此需要應(yīng)用Geomagic Wrap軟件將掃描雜點去除，并且填充孔洞，從而形成封閉完整的零件數(shù)據(jù)。

由于形創(chuàng)handscan700手持式激光掃描儀具有自動網(wǎng)格輸出功能，故無須進行點云的預(yù)處理階段，而直接進入多邊形處理階段，降低了數(shù)據(jù)處理的難度，提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

5.1 孔洞填充及破面修補

由于該殼體零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)部有遮擋、存在深孔且表面貼有標志點等，導(dǎo)致封裝后的三角面片產(chǎn)生了大量破面或孔^[6]，因此需用“填充孔”命令來進行修補?！疤畛鋯蝹€孔”下共有6種填充方式，分別是曲率、平面、切線、內(nèi)部孔、邊界孔以及搭橋。對于有曲率的孔洞，采用“曲率+內(nèi)部孔”的方式修補;對曲率較小的孔洞，采用“平面+內(nèi)部孔”的方式;對于邊緣數(shù)據(jù)的缺失，采用“曲率+邊界孔”的方式;對于缺失較大的孔洞，應(yīng)先進行“搭橋”，在劃分區(qū)域之后，再選擇合適的方式補洞。

5.2 應(yīng)用網(wǎng)格醫(yī)生

網(wǎng)格醫(yī)生的作用是自動檢測并修復(fù)多邊形網(wǎng)格的各種缺陷^[7]。在符合規(guī)則的狀態(tài)下，進行自動修復(fù)、刪除釘狀物、清除多余數(shù)據(jù)、去除多余特征、填補孔。單擊“應(yīng)用”按鈕，有問題的部分以紅色顯示，然后點擊“確定”，軟件就會自動修復(fù)。

5.3 平滑曲面

平滑曲面主要用于對網(wǎng)格進行平滑操作，消除尖角，使表面更加光順，從而為逆向設(shè)計提供更為精確的數(shù)據(jù)?！捌交敝饕兴沙?、刪除釘狀物、較少噪音、快速光順、砂紙等命令，常用的有松弛、光順和砂紙。數(shù)據(jù)處理前后的殼體零件如圖4所示。

6結(jié)語數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理是逆向工程的基礎(chǔ)，也是本項目零件某重型卡車后驅(qū)動橋主減速器殼體優(yōu)化設(shè)計的第一步。本案例采用了形創(chuàng)handscan700手持式激光掃描儀，首先進行了設(shè)備的標定與參數(shù)設(shè)置，并對掃描零件進行噴涂顯像劑和粘貼標志點，而后通過掃描零件采集數(shù)據(jù)，并應(yīng)用Geomagic Wrap軟件對掃描數(shù)據(jù)進行了孔洞填補、網(wǎng)格醫(yī)生和平滑曲面等處理，最終得到了細節(jié)完整、表面平滑、質(zhì)量較高的零件多邊形數(shù)據(jù)，為該零件后續(xù)的逆向建模和優(yōu)化設(shè)計提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，這也為其他類似殼體零件的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理提供了借鑒。

參考文獻