基于逆向工程技術(shù)的消防分水器設(shè)計與研究

陳周五

(安徽工業(yè)經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230051)

0 引言

逆向工程技術(shù)是一種產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)反求的過程，是以現(xiàn)有產(chǎn)品為模型，利用測量設(shè)備獲取產(chǎn)品的點云數(shù)據(jù)，進(jìn)而重構(gòu)該產(chǎn)品CAD模型的一種設(shè)計方法[1]?，F(xiàn)有某企業(yè)消防分水器，產(chǎn)品原始技術(shù)資料丟失，需對該產(chǎn)品進(jìn)行重構(gòu)CAD模型，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)以滿足更高的水壓要求。

1 原始點云數(shù)據(jù)采集

獲得原始產(chǎn)品表面點云數(shù)據(jù)是進(jìn)行產(chǎn)品逆向工程設(shè)計的前提。點云數(shù)據(jù)可以通過采集設(shè)備獲得，為了滿足不同的采集需求，采集設(shè)備分為接觸式與非接觸式。在此次研究過程中，采用非接觸式的三維激光掃描采集設(shè)備，此設(shè)備具有操作靈活、測量精度高的優(yōu)點，可以精確獲取原始產(chǎn)品表面各離散點的三維坐標(biāo)、大小和法向量等物理參數(shù)。

本文利用實訓(xùn)室現(xiàn)有的北京三維天下科技有限公司開發(fā)的Win3DD三維掃描儀來獲取消防分水器的原始點云數(shù)據(jù)。消防分水器的點云數(shù)據(jù)采集過程如下。

1)標(biāo)定。借助標(biāo)定設(shè)備，按照給定的方式獲取掃描頭最佳的采集范圍，從而得到高精度的點云數(shù)據(jù)空間三維坐標(biāo)[2-4]。標(biāo)定精度越高，掃描獲取的點云數(shù)據(jù)精度越高，該款掃描儀標(biāo)定平均誤差0.1 mm以下即可采集數(shù)據(jù)，該產(chǎn)品標(biāo)記點粘貼及表面處理的最終效果如圖1所示。

圖1 標(biāo)記點粘貼及表面處理

2)掃描策略。為了采集高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)，在采集數(shù)據(jù)之前主要從標(biāo)記點的粘貼、產(chǎn)品表面處理、掃描策略等方面進(jìn)行分析。

該款消防分水器整體結(jié)構(gòu)較大，需要進(jìn)行多次多視角的測量，在合適位置粘貼若干標(biāo)記點，通過標(biāo)記點位置將多視角測量數(shù)據(jù)自動拼接進(jìn)而轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，以獲得完整的表面點云數(shù)據(jù)。亞光白色產(chǎn)品的表面數(shù)據(jù)采集效果最為理想。該款消防分水器材質(zhì)為鑄鋁材料，表面顆粒感較強，在進(jìn)行產(chǎn)品表面數(shù)據(jù)采集時，容易因表面反光、材質(zhì)等問題導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)中存在噪聲，使采集數(shù)據(jù)質(zhì)量變差。因此，在進(jìn)行點云數(shù)據(jù)采集前，需要在產(chǎn)品表面噴涂一層薄薄的白色顯像劑。掃描策略有：手動拼接、標(biāo)記點拼接以及轉(zhuǎn)盤掃描拼接。由于該產(chǎn)品整體為左右、上下對稱的結(jié)構(gòu)，上下表面的過渡面較大，在掃描過程中配合轉(zhuǎn)盤掃描，便于實現(xiàn)上下表面的點云數(shù)據(jù)拼接，以獲得該產(chǎn)品完整表面點云數(shù)據(jù)。

2 原始點云數(shù)據(jù)處理

原始點云數(shù)據(jù)處理是進(jìn)行產(chǎn)品逆向工程設(shè)計的基礎(chǔ)，由于掃描儀設(shè)備導(dǎo)致的精度誤差、周圍環(huán)境導(dǎo)致的采集誤差、采集人員的操作誤差和策略誤差等，采集到的原始點云數(shù)據(jù)中存在大量的冗余點、噪聲點、孤點等無用點云數(shù)據(jù)，這些無用點云數(shù)據(jù)對產(chǎn)品的逆向建模帶來很大影響，直接影響產(chǎn)品設(shè)計的最終質(zhì)量。因此，需要對無用點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，修補原始點云數(shù)據(jù)缺陷，以滿足逆向建模質(zhì)量需求。

利用Wrap軟件進(jìn)行原始點云數(shù)據(jù)處理的基本流程為：

1)點對象處理。主要處理原始點云數(shù)據(jù)中大量的冗余點、噪聲點、孤點等無用點云，并將有用點云數(shù)據(jù)移至0.05 mm的偏差范圍內(nèi)，以彌補掃描設(shè)備的誤差，使點云數(shù)據(jù)排列更加平滑。通過“非連接項”“體外孤點”“減少噪音”等操作命令，完成該產(chǎn)品原始點對象的處理，最終的處理效果如圖2所示。

圖2 點對象處理最終效果

2)多邊形對象處理。處理完成后的點對象經(jīng)過“封裝”處理后轉(zhuǎn)變?yōu)槿敲嫫瑪?shù)據(jù)，進(jìn)而可直接轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。由于點云數(shù)據(jù)的誤差，生成的三角面片數(shù)據(jù)仍然存在釘狀物、高度折射邊、自相交、小組件、非流形邊等缺陷，需要通過“刪除釘狀物”“填充孔”“網(wǎng)格醫(yī)生”“減少噪音”等操作命令，對三角面片進(jìn)行修補。三角面片的表面平滑度還可以通過“去除特征”命令進(jìn)行處理，進(jìn)一步減小三角面片表面誤差，提高產(chǎn)品逆向建模的表面質(zhì)量。該消防分水器經(jīng)多邊形對象處理后的最終效果如圖3所示。

圖3 多邊形對象處理最終效果

3 點云數(shù)據(jù)逆向建模

點云數(shù)據(jù)逆向建模是消防分水器設(shè)計的關(guān)鍵步驟，根據(jù)上述獲得的點云數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)產(chǎn)品表面曲線與曲面的重構(gòu)，最終得到產(chǎn)品重構(gòu)后的CAD模型。該CAD模型既要能夠反映產(chǎn)品整體設(shè)計思路，又要滿足產(chǎn)品精度和表面光順度等要求。

此次研究采用Geomagic Design X進(jìn)行逆向建模設(shè)計，該軟件可以直接利用采集到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行CAD模型的3D逆向創(chuàng)建。逆向建模的基本流程為：

1)點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系擺正。導(dǎo)入Design X軟件中的點云數(shù)據(jù)與系統(tǒng)坐標(biāo)系存在不統(tǒng)一的問題，一方面不方便后續(xù)的產(chǎn)品逆向重構(gòu)，導(dǎo)致與其他CAD軟件不能實現(xiàn)有效銜接；另一方面也不符合產(chǎn)品設(shè)計或制造的要求，無法實現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)。該消防分水器整體結(jié)構(gòu)呈左右、上下對稱，在對齊點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系時，將相應(yīng)對稱面位置選作基準(zhǔn)面，利用“手動對齊”功能將該產(chǎn)品的點云數(shù)據(jù)擺正。

2)產(chǎn)品重構(gòu)。Design X軟件既可以按照產(chǎn)品設(shè)計思路重構(gòu)CAD模型，也可利用“自動曲面創(chuàng)建”功能實現(xiàn)CAD模型重構(gòu)。“自動曲面創(chuàng)建”功能對原始點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求比較高，但CAD模型的重構(gòu)效率也較高，適合用于對產(chǎn)品精度要求不高的非機械類產(chǎn)品。該消防分水器是典型的機械類產(chǎn)品，尤其是對內(nèi)表面質(zhì)量要求較高，因此按照以下步驟進(jìn)行模型重構(gòu)：

第1步,逆向重構(gòu)應(yīng)還原產(chǎn)品原始設(shè)計思路，以免影響產(chǎn)品的最終再現(xiàn)效果;第2步,該消防分水器是對稱類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，在重構(gòu)時應(yīng)嚴(yán)格保證最終的對稱效果;第3步,在逆向建模過程中，可利用“體偏差”功能，實時關(guān)注CAD模型與原始點云的誤差情況，進(jìn)而調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以滿足逆向設(shè)計要求。

該消防分水器重構(gòu)CAD模型的最終效果如圖4所示。

圖4 重構(gòu)CAD模型效果

4 CAD模型質(zhì)量分析

CAD模型質(zhì)量分析是進(jìn)行產(chǎn)品逆向工程設(shè)計的保障。利用點云數(shù)據(jù)重構(gòu)的CAD模型，由于建模方法存在尺寸誤差和精度誤差，會造成建模數(shù)據(jù)與產(chǎn)品的實際數(shù)據(jù)間存在些許誤差。為了提高逆向建模質(zhì)量，需要獲取CAD模型與原始產(chǎn)品的各項誤差數(shù)據(jù)，因此需要對重構(gòu)CAD模型與產(chǎn)品原始點云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，并對檢測數(shù)據(jù)加以分析。

Geomagic Control軟件是一款功能強大并且非常專業(yè)的三維檢測工具軟件，可實現(xiàn)快速檢測重構(gòu)CAD模型與產(chǎn)品原始點云數(shù)據(jù)、產(chǎn)品制造件之間的差異，進(jìn)而降低整個設(shè)計流程中的潛在風(fēng)險。利用Geomagic Control軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測的基本流程為：

1)數(shù)據(jù)對齊。將重構(gòu)CAD模型與原始點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Control軟件，通過各種“對齊”操作方式將CAD模型與原始點云數(shù)據(jù)完全對齊，實現(xiàn)后續(xù)各種檢測數(shù)據(jù)的采集和分析。

2)質(zhì)量分析。將重構(gòu)CAD模型設(shè)置為測試數(shù)據(jù)，原始點云數(shù)據(jù)設(shè)置為參考數(shù)據(jù)，通過3D比較、2D比較、評估壁厚、2D尺寸分析等方法獲取重構(gòu)CAD模型與原始點云數(shù)據(jù)的各項誤差信息，進(jìn)而對重構(gòu)CAD模型進(jìn)行評估和完善。

該消防分水器重構(gòu)CAD模型關(guān)鍵部分為3個管道及其連接部分，選取該消防分水器表面的若干關(guān)鍵點進(jìn)行分析，關(guān)鍵點位的偏差統(tǒng)計如表1所列。從表1可看出，重構(gòu)CAD模型在3個管道及其連接部位處的誤差控制在±0.1 mm范圍內(nèi)，基本符合精度要求。

表1 3D表面關(guān)鍵點位偏差統(tǒng)計 mm

選取該消防分水器2個對稱平面做2D尺寸分析，通過測量得到外側(cè)管道軸線角度、管道外徑、管道內(nèi)徑、管道壁厚等數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表2所列。

表2 關(guān)鍵點位2D尺寸偏差統(tǒng)計

本文設(shè)定公差為0.2 mm，上偏差為0.1 mm，下偏差為-0.1 mm。從表2可以看出，外側(cè)兩管道軸線夾角、管道壁厚、管道外徑的尺寸偏差滿足精度要求，管道內(nèi)壁直徑超出設(shè)定公差范圍，其原因為內(nèi)孔表面的數(shù)據(jù)采集難度較大，導(dǎo)致尺寸誤差增大。

5 結(jié)論

本文利用逆向工程技術(shù)，生成該消防分水器3D模型文件，通過3D模型文件形成產(chǎn)品2D文件，進(jìn)而形成產(chǎn)品的原始文件資料。形成產(chǎn)品的技術(shù)要求：鑄件表面不允許有裂紋、毛刺、飛邊和穿透性冷隔；未注公差，鑄造按10級、機加工按8級；未注明鑄造圓角設(shè)為2 mm；公制螺紋按《螺紋》GB 192～197—63中規(guī)定的三級精度制造。對該CAD模型進(jìn)行質(zhì)量分析時，部分點位誤差較大，但關(guān)鍵點位的精度符合質(zhì)量要求，從而保證該產(chǎn)品整體符合質(zhì)量要求。誤差偏大原因可能是：由于該產(chǎn)品是結(jié)構(gòu)對稱類零件，因此在采集產(chǎn)品原始點云數(shù)據(jù)時著重采集對稱面一側(cè)的點云數(shù)據(jù)，沒有采集對稱面另一側(cè)的點云數(shù)據(jù)，導(dǎo)致CAD模型重構(gòu)時，另一側(cè)部分點位誤差較大；該產(chǎn)品的管道內(nèi)孔較深，內(nèi)孔表面數(shù)據(jù)采集困難；在采集原始點云數(shù)據(jù)中人為因素導(dǎo)致誤差。通過對消防分水器原始點云數(shù)據(jù)采集、原始點云數(shù)據(jù)處理以及點云數(shù)據(jù)逆向建模等流程，實現(xiàn)該產(chǎn)品CAD模型重構(gòu)，這對缺少原始技術(shù)資料的產(chǎn)品或者非規(guī)則曲面類產(chǎn)品的重構(gòu)具有指導(dǎo)意義。