范鈞，王雷剛

(1.宿遷學(xué)院機電工程系，江蘇宿遷223800;2.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

基于精度控制的葉片模具型面逆向重構(gòu)研究

范鈞1，王雷剛2

(1.宿遷學(xué)院機電工程系，江蘇宿遷223800;2.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

逆向重構(gòu)的精度會直接影響逆向產(chǎn)品的質(zhì)量。結(jié)合ATOS掃描系統(tǒng)，通過對逆向重構(gòu)過程中每個環(huán)節(jié)的精度控制及誤差分配進行分析，探討了逆向重構(gòu)過程中精度控制的方法，實現(xiàn)了對葉片模具型面逆向重構(gòu)的精度控制。

模具型面;精度控制;逆向工程;曲面重構(gòu)

逆向重構(gòu)是逆向設(shè)計過程中的重要組成部分，而精度控制又是該項技術(shù)中的核心問題。基于逆向重構(gòu)的精度控制定性分析方面的研究［1－5］較少，定量分析方面的研究［6－7］更少，而結(jié)合逆向重構(gòu)全過程的精度控制定量分析方面的研究極少。作者基于誤差分配與曲面評定原則，結(jié)合ATOS掃描系統(tǒng)，通過對逆向重構(gòu)過程中每個環(huán)節(jié)的精度控制及誤差分配進行分析，探討了葉片模具型面逆向重構(gòu)過程中，精度誤差定量分析方法，實現(xiàn)了對水泵葉片模具型面逆向重構(gòu)的精度控制。

1 逆向重構(gòu)過程精度分析

1.1 逆向重構(gòu)過程精度

逆向重構(gòu)是逆向工程中的一個重要組成部分。逆向重構(gòu)過程分為兩個階段:第一階段為數(shù)據(jù)采集階段;第二階段為模型重建階段。逆向重構(gòu)過程的精度控制由數(shù)據(jù)采集階段精度控制、模型重建階段精度控制兩部分組成。逆向重構(gòu)過程精度控制分布如圖1所示。

圖1 逆向重構(gòu)過程的精度控制分布圖

1.2 逆向重構(gòu)過程誤差分配

1.2.1 誤差分配

誤差分配是誤差合成的逆問題，即在總誤差給定的前提下，確定出各分項誤差。逆向工程中產(chǎn)生的各種誤差是隨機的，滿足正態(tài)分布規(guī)律。總誤差分配公式［8］如式 (1)所示:

式中:Δi(i=1，2，…，n)就是各種分項誤差。

1.2.2 逆向重構(gòu)過程誤差分析

逆向重構(gòu)過程中，總誤差分配主要由數(shù)據(jù)采集誤差、模型重建誤差兩部分組成。逆向重構(gòu)過程誤差分配如圖2所示。

圖2 逆向重構(gòu)過程誤差分配圖

2 葉片模具型面的逆向重構(gòu)精度分析

2.1 葉片模具型面

葉片模具活塊如圖3所示，該活塊需要逆向重構(gòu)的點云型面分布如圖4所示。

圖3 葉片模具活塊

圖4 點云型面1和型面2

2.2 數(shù)據(jù)采集誤差分析

2.2.1 原型誤差分析

原型產(chǎn)品設(shè)計誤差為0.02 mm，制造誤差為0.01 mm;由于原型產(chǎn)品是直接從工廠獲得的全新原型，使用誤差可以忽略，即使用誤差為0。原型誤差計算方法如公式 (2)所示:

根據(jù)公式 (2)，原型誤差為0.022 4 mm。

2.2.2 測量誤差分析

ATOS掃描系統(tǒng)在掃描過程中，測量誤差分配主要由測距誤差和坐標系誤差兩部分組成。測距誤差主要是由掃描儀整體精度產(chǎn)生的尺寸誤差。坐標系誤差主要由坐標系設(shè)定產(chǎn)生的偏置誤差和坐標系堆疊產(chǎn)生的偏移誤差兩部分組成。由坐標系設(shè)定產(chǎn)生的偏置誤差為0.016 mm。坐標系堆疊產(chǎn)生的偏移誤差分布如表1所示。

表1 坐標系堆疊產(chǎn)生的偏移誤差分布 mm

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理誤差分析

數(shù)據(jù)預(yù)處理誤差是指對測量數(shù)據(jù)進行去噪、平滑、精簡、重定位等操作，有時會損失特征點的有用信息，從而引入誤差。由于對水泵葉片點云進行了微小的去噪、平滑、精簡等操作，這些操作引入的誤差，一般控制在0.01 mm;重定位操作時，由于新建坐標系與系統(tǒng)坐標系完全重合，重定位引入的誤差可以忽略不計。因此，水泵葉片點云數(shù)據(jù)預(yù)處理誤差為0.01 mm。

2.4 逆向重構(gòu)過程精度分析

逆向重構(gòu)過程精度要求控制在0.1 mm。逆向重構(gòu)過程精度控制因素分析過程如圖1所示。根據(jù)圖2，逆向重構(gòu)過程誤差計算方法如公式 (7)所示:

其中，模型重建誤差計算方法如公式 (8)所示:

結(jié)合公式 (7)和公式 (8)，由于數(shù)據(jù)采集誤差和模型重建誤差中的數(shù)據(jù)預(yù)處理誤差恒定，逆向重構(gòu)精度的控制可以通過調(diào)整模型重建誤差中的曲面重構(gòu)誤差來實現(xiàn)。結(jié)合數(shù)據(jù)采集誤差和模型重建誤差中的數(shù)據(jù)預(yù)處理誤差的具體數(shù)值，曲面重構(gòu)誤差只要小于0.086 0 mm，葉片模具型面逆向重構(gòu)精度就可以得到控制。

3 葉片模具型面逆向重構(gòu)的精度控制

3.1 曲面重構(gòu)誤差分析

3.1.1 曲面片擬合誤差分析

在逆向工程中，可以把點云看作理想輪廓面，重構(gòu)曲面看作實際輪廓面，輪廓度公差值等于兩倍的重構(gòu)誤差［8］。

曲面片擬合計算方法如公式 (9)所示。

曲面片1擬合誤差如圖5所示。根據(jù)公式 (9)，曲面片1擬合誤差為0.038 3 mm。

圖5 曲面片1擬合誤差

曲面片2擬合誤差如圖6所示。根據(jù)公式 (9)，曲面片2擬合誤差為0.068 2 mm。

圖6 曲面片2擬合誤差

曲面片間擬合總誤差如公式 (10)所示:

根據(jù)公式 (10)，曲面片間擬合總誤差為0.069 3mm。

3.1.2 曲面片間拼接誤差分析

曲面片間拼接誤差計算方法如公式 (11)所示:

曲面片間拼接誤差如圖7所示。根據(jù)公式(11)，曲面片間拼接誤差為0.016 6 mm。

圖7 曲面片間拼接誤差

3.1.3 曲面重構(gòu)總誤差

曲面重構(gòu)總誤差計算方法如公式 (12)所示:

根據(jù)公式 (12)，曲面重構(gòu)總誤差為0.071 4 mm，小于0.086 0 mm，即葉片模具型面逆向重構(gòu)精度得到了控制。

4 結(jié)論

精度控制是逆向重構(gòu)過程中的關(guān)鍵問題?；趯δ嫦蛑貥?gòu)過程中每個環(huán)節(jié)的精度控制及誤差分配進行分析，通過對水泵葉片模具曲面重構(gòu)的誤差進行調(diào)整，實現(xiàn)了對該模具型面逆向重構(gòu)的精度控制，為今后基于逆向工程的葉片及其模具設(shè)計精度控制提供了依據(jù)。

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【3】陳光霞，覃群.選擇性激光熔化快速成型復(fù)雜零件精度控制及評價方法［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2010(2):102－105.

【4】陳熾坤，陳錦昌.產(chǎn)品快速反求的反求精度校核方法研究［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2007(5):19－22.

【5】王衛(wèi)國，黃克正，閆光榮，等.產(chǎn)品反求中基于功能表面的精度模型及應(yīng)用［J］.計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2007，19(8):1085 －1088.

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【7】張金萍，李允公，倪洪啟，等.提高凸輪反求精度的算法研究［J］.機床與液壓，2009，37(9):47 －49.

【8】紀小剛.增壓器葉輪逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2006.

Study on Reverse Reconstruction of the Die Face of the Blade Based on Precision Control

FAN Jun1，WANG Leigang2
(1.Department of Mechanical and Electronic Engineering，Suqian College，Suqian Jiangsu 223800，China;2.School of Material Science and Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China)

The precision of reverse reconstruction has direct influences on the quality of the reversed products.Combining with ATOS scanner system，the precision control and the error distribution of every aspect during the reverse design processwere analyzed.Themethod of precision control during reverse reconstruction was analyzed.The reverse reconstruction of the die face of the blade based on precision controlwas realized.

Die face;Precision control;Reverse engineering;Surface reconstruction

TP391

A

1001－3881(2013)9－074－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.09.021

2012－04－05

范鈞 (1979—)，男，碩士，講師，主要從事基于逆向工程的機械零部件及模具CAD/CAE/CAM方面的研究。E －mail:fanjun@sqc.edu.cn。