范 鈞，王雷剛

（1.宿遷學(xué)院 機(jī)電工程系，宿遷 223800；2.江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

基于精度控制的鈑金件逆向數(shù)字化快速開發(fā)

范 鈞1，王雷剛2

（1.宿遷學(xué)院 機(jī)電工程系，宿遷 223800；2.江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

鈑金件逆向數(shù)字化開發(fā)過程長、影響因素多，包括數(shù)據(jù)采集、模型重建、開發(fā)設(shè)計(jì)、模擬仿真等，精度是成功的關(guān)鍵之一。逆向工程在沖壓成形領(lǐng)域精度方面的研究取得了進(jìn)展[1～5]，鈑金件數(shù)字化開發(fā)相關(guān)方面的研究較多[6～8]，鈑金件逆向數(shù)字化開發(fā)相關(guān)方面的研究較少[9,10]。本文提出了鈑金件逆向數(shù)字化快速開發(fā)精度分配與控制方法。以覆蓋板為例，利用UG軟件，通過合理分配和控制精度的方法，實(shí)現(xiàn)了高精度逆向開發(fā)鈑金件數(shù)字化產(chǎn)品。

1 鈑金件逆向數(shù)字化快速開發(fā)精度分析

產(chǎn)品逆向數(shù)字化模型構(gòu)建是產(chǎn)品數(shù)字化模型開發(fā)的重要方法之一。鈑金件逆向數(shù)字化快速開發(fā)過程中，總誤差主要由逆向產(chǎn)品模型誤差，再設(shè)計(jì)誤差，仿真分析誤差，驗(yàn)收評估誤差等四部分組成。鈑金件逆向數(shù)字化快速開發(fā)過程誤差分配，如圖1所示。

2 實(shí)例

2.1 鈑金件逆向數(shù)字化快速開發(fā)精度要求

通過ATOS三維光學(xué)掃描系統(tǒng)，獲得的原始鈑金件點(diǎn)云如圖2所示。通過利用UG軟件，對其進(jìn)行逆向數(shù)字化快速開發(fā)全過程精度要求為0.10mm。

圖1 鈑金件逆向數(shù)字化快速開發(fā)誤差分配

圖2 原始鈑金件點(diǎn)云

2.2 鈑金件逆向產(chǎn)品模型階段誤差分析

2.2.1 數(shù)據(jù)采集誤差

ATOS掃描系統(tǒng)掃描鈑金件時,數(shù)據(jù)采集誤差一般控制在0.05mm左右。

2.2.2 模型重建誤差

基于UG軟件的鈑金件點(diǎn)云劃分區(qū)域，如圖3所示。其中，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)為大面積曲面片，Ⅳ區(qū)為小面積過渡曲面片。

圖3 原始鈑金件點(diǎn)云分區(qū)

基于UG軟件的Ⅰ區(qū)曲面片構(gòu)建如圖4(a)所示，Ⅰ區(qū)曲面片構(gòu)建誤差如圖4b所示。由圖4(b)可知，△Ⅰ區(qū)曲面片構(gòu)建為2.93×10-5mm。

圖4 Ⅰ區(qū)曲面片構(gòu)建

圖5 Ⅱ區(qū)曲面片構(gòu)建

Ⅱ區(qū)曲面片構(gòu)建如圖5(a)所示，Ⅱ區(qū)曲面片構(gòu)建誤差如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，△Ⅱ區(qū)曲面片構(gòu)建為2.91×10-5mm。

圖6 Ⅲ區(qū)曲面片構(gòu)建

Ⅲ區(qū)曲面片構(gòu)建如圖6(a)所示，Ⅲ區(qū)曲面片構(gòu)建誤差如圖6(b)所示。由圖6(b)可知，△Ⅲ區(qū)曲面片構(gòu)建為2.85×10-5mm。

圖7 Ⅳ區(qū)曲面片構(gòu)建

Ⅳ區(qū)曲面片構(gòu)建如圖7(a)所示，Ⅳ區(qū)曲面片構(gòu)建誤差如圖7(b)所示。由圖7(b)可知，△Ⅳ區(qū)曲面片構(gòu)建為3.02×10-4mm。

曲面片構(gòu)建誤差計(jì)算方法如公式(1)所示。

根據(jù)式(1)，曲面片構(gòu)建誤差為3.02×10-4mm。

Ⅰ區(qū)曲面片、Ⅱ區(qū)曲面片、Ⅲ區(qū)曲面片和Ⅳ區(qū)曲面片的數(shù)字化拼接如圖8(a)所示，拼接誤差如圖8b所示。由圖8(b)可知，拼接誤差為0.0085mm。根據(jù)圖1，結(jié)合式(1)，模型重建誤差公式如式(2)所示。

將曲面片構(gòu)建誤差3.06×10-4mm，數(shù)字化拼接誤差0.0085mm，代入式(2)，模型重建誤差為8.51×10-3mm。由圖8(a)可見，Ⅰ區(qū)域存在拼接褶皺缺陷，Ⅱ區(qū)域存在拼接孔洞缺陷，需要進(jìn)行局部修改，消除該缺陷，改善鈑金件整體的光順效果。

圖8 數(shù)字化拼接

2.2.3 逆向產(chǎn)品模型誤差

模型創(chuàng)建誤差公式如式(3)所示。

將數(shù)據(jù)采集誤差0.05mm，模型重建誤差8.51×10-3mm，代入式(3)，模型創(chuàng)建誤差為0.051mm。逆向產(chǎn)品模型誤差公式如式(4)所示。

將模型創(chuàng)建誤差0.051mm，模型評估誤差一般控制在0.02mm左右，代入式(4)，逆向產(chǎn)品模型誤差為0.055mm。

2.3 鈑金件再設(shè)計(jì)階段誤差分析2.3.1 模型局部優(yōu)化誤差

鈑金件模型局部優(yōu)化效果如圖9(a)所示，模型局部優(yōu)化誤差如圖9(b)所示。由圖9(a)可見，Ⅰ區(qū)域和Ⅱ區(qū)域存在的拼接相關(guān)缺陷已經(jīng)被消除，鈑金件的整體光順效果得到了改善。由圖9(b)可知，模型局部優(yōu)化誤差為2.2×10-5mm。

圖9 模型局部優(yōu)化

2.3.2 數(shù)字模型改進(jìn)誤差

鈑金件數(shù)字模型改進(jìn)效果如圖10(a)所示，數(shù)字模型改進(jìn)誤差如圖10(b)所示。由圖10(b)可知，數(shù)字模型改進(jìn)誤差為2.44×10-5mm。

圖10 數(shù)字模型改進(jìn)

將模型局部優(yōu)化誤差2.2×10-5mm，數(shù)字模型改進(jìn)誤差2.44×10-5mm，代入式(5)，再設(shè)計(jì)誤差為3.29×10-5mm。

2.4 鈑金件仿真分析階段誤差分析

基于UG軟件的鈑金件數(shù)字化再設(shè)計(jì)模型靜態(tài)分析——偏差度量，如圖11所示。由圖11可知，靜態(tài)分析誤差為0.001mm。由于鈑金件模型沒有進(jìn)行動態(tài)分析，動態(tài)分析誤差可以忽略，即動態(tài)分析誤差為0mm。根據(jù)圖1，仿真分析誤差公式如式(6)所示。根據(jù)式(6)，仿真分析誤差為0.001mm。

2.3.3 再設(shè)計(jì)誤差

根據(jù)圖1，再設(shè)計(jì)誤差公式如式(5)所示。

圖11 鈑金件數(shù)字化再設(shè)計(jì)模型靜態(tài)分析

2.5 鈑金件驗(yàn)收評估階段誤差分析

根據(jù)圖1，驗(yàn)收評估階段由評估階段和試制階段兩部分組成。驗(yàn)收評估誤差公式如式(7)所示。

將評估誤差0.02mm，試制誤差0.01mm，代入式(7)，評估驗(yàn)收誤差為0.022mm。

2.6 全過程誤差分析

根據(jù)圖1，全過程總誤差公式如式(8)所示。

將逆向產(chǎn)品模型誤差0.055mm，再設(shè)計(jì)誤差3.29×10-5mm，仿真分析誤差0.001mm，驗(yàn)收評估誤差0.022mm，代入式(8)，鈑金件逆向數(shù)字化快速開發(fā)過程總誤差為0.059mm，低于0.1mm。鈑金件逆向數(shù)字化快速開發(fā)精度滿足鈑金件逆向數(shù)字化開發(fā)過程的整體精度要求。

3 結(jié)論

數(shù)字化開發(fā)是產(chǎn)品快速開發(fā)過程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，逆向工程技術(shù)是數(shù)字化開發(fā)領(lǐng)域中的前沿技術(shù)，精度控制是逆向產(chǎn)品數(shù)字化開發(fā)全過程中的關(guān)鍵問題。本文提出了鈑金件逆向數(shù)字化開發(fā)過程中出現(xiàn)誤差的原因及控制方法；基于UG軟件,結(jié)合具體鈑金件，實(shí)現(xiàn)了基于精度控制的鈑金件逆向數(shù)字化快速開發(fā)。

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Reverse digital rapid development of the sheet metal based on precision control

FAN Jun1，WANG Lei-gang2

分析了鈑金件數(shù)字化開發(fā)過程精度影響因素，重點(diǎn)探討了基于逆向工程的鈑金件數(shù)字化快速開發(fā)全過程中的逆向產(chǎn)品模型、再設(shè)計(jì)、仿真分析、驗(yàn)收評估等四個階段的精度影響因素，提出了鈑金件逆向數(shù)字化快速開發(fā)精度分配與控制方法。以覆蓋板為例，通過合理分配和控制精度，能有效滿足逆向數(shù)字化快速開發(fā)的精度要求。

逆向工程；數(shù)字化開發(fā)；鈑金件；精度控制

范鈞（1979 -），男，山西人，講師，碩士，研究方向?yàn)榛谀嫦蚬こ痰漠a(chǎn)品（機(jī)械零部件及模具）快速開發(fā)與制造、CAD/CAE/CAM。

TP391

A

1009-0134(2014)06(上)-0074-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).21

2014-03-03

高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（13KJD460006）；江蘇省宿遷學(xué)院科研基金（2013KY41）；江蘇省宿遷學(xué)院教材建設(shè)基金（2a013YJY16）