文/王曉花，陳文琳，周香·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

長(zhǎng)軸類鍛件的逆向工程

文/王曉花，陳文琳，周香·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

逆向工程作為一種非常高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路和方法，可以迅速、精確、方便地獲得實(shí)物的三維數(shù)據(jù)及模型，改變傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)模式，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品研發(fā)的成功率。這門技術(shù)是隨著科技發(fā)展、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要而產(chǎn)生的一種先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程，是一種交叉的技術(shù)，在測(cè)量、圖像、圖形、先進(jìn)制造多個(gè)領(lǐng)域擁有極其廣泛的應(yīng)用前景。

本文在現(xiàn)代產(chǎn)品造型理念的指導(dǎo)下，以先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和創(chuàng)新思維，對(duì)已有新產(chǎn)品進(jìn)行解剖和再創(chuàng)造，是對(duì)已有設(shè)計(jì)的重新設(shè)計(jì)。其工作流程示意圖如圖1所示，其中，曲線、曲面擬合是整個(gè)過程最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)，而曲面重構(gòu)又是這一環(huán)節(jié)中的核心部分。本文作者對(duì)點(diǎn)云處理和曲面構(gòu)造中的關(guān)鍵技術(shù)與技巧進(jìn)行總結(jié)，并以實(shí)例加以說明，對(duì)其他形狀反求工程有很好的借鑒作用。

圖1 逆向工程流程示意圖

數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理

本文使用KZ-50/P08-b三維激光數(shù)碼處理設(shè)備對(duì)典型復(fù)雜長(zhǎng)軸類鍛件進(jìn)行掃描，獲得所需點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集之前，在制件表面噴一層熒光粉，如圖2（a）所示。得到如圖2（b）所示的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較好，有個(gè)別未采集到的地方，可以根據(jù)周圍點(diǎn)云的曲率進(jìn)行曲面制作。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及處理

數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分塊、數(shù)據(jù)光順、數(shù)據(jù)優(yōu)化及散亂數(shù)據(jù)處理等5個(gè)步驟。數(shù)據(jù)處理是逆向工程建模中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其結(jié)果直接影響到后期模型構(gòu)造的質(zhì)量。反求軟件可以處理幾萬至幾百萬的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的曲面具有良好的品質(zhì)和曲率連續(xù)性。

該搖臂件為對(duì)稱件，應(yīng)該調(diào)整點(diǎn)云使其位置和實(shí)際坐標(biāo)系吻合。這一步調(diào)整很耗時(shí)，但非常關(guān)鍵，關(guān)系到曲率連續(xù)和鏡像操作。在這里采用六點(diǎn)定位原理對(duì)點(diǎn)云位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。三角形網(wǎng)格化后點(diǎn)云著色效果如圖3所示。

圖3 三角形網(wǎng)格化后的點(diǎn)云

長(zhǎng)軸類鍛件的曲面重構(gòu)

觀察該鋁合金鍛件曲率變化，根據(jù)曲面的走勢(shì)進(jìn)行特征分塊和點(diǎn)云分割。這樣有利于控制點(diǎn)的調(diào)整以及提高曲面的制作質(zhì)量。如果需要基于曲線進(jìn)行構(gòu)面，則先擬合G2以上連續(xù)曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)節(jié)，保證精度和光順性要求，對(duì)需要連接的曲線，要保證兩階以上連續(xù)，再在曲線的基礎(chǔ)上對(duì)曲面進(jìn)行擬合。本文采用較多的是BEZIER和均勻B樣條曲線。對(duì)基于曲線所重構(gòu)的曲面片進(jìn)行光滑連接和曲面片整體誤差和光順性檢測(cè)，對(duì)精度未達(dá)到的局部稍作調(diào)整。對(duì)所有構(gòu)造的曲面片至少保證G1以上連續(xù)，精度在0.2以上。

曲面與點(diǎn)云誤差調(diào)節(jié)比較小的情況如圖4(a)所示，圖4(b)顯示了在所創(chuàng)建曲面外的點(diǎn)在法向距離曲面的分布。從圖中可以看出，掃掠面的點(diǎn)云在法向距離曲面的數(shù)值較小，符合精度。利用上述方法制作出來的曲面經(jīng)過曲面反射線檢測(cè)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)曲面比較光順，曲率比較連續(xù)，質(zhì)量能夠滿足要求，如圖4(c)所示。

反求軟件中曲面的拼接技術(shù)

圖4 曲面質(zhì)量評(píng)估

曲面片的拼接比較復(fù)雜，它要求兩拼接曲面片具有G1連續(xù)性或稱為切平面連續(xù)。兩連接曲面必須具有G0階連續(xù)性；在G1連續(xù)的公共連接處應(yīng)具有相同的節(jié)點(diǎn)矢量。本文在曲面的拼接過程中，對(duì)所拼接的相鄰2個(gè)曲面片在拼接的邊界處，對(duì)邊界兩側(cè)的兩列控制點(diǎn)進(jìn)行局部調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)它們?nèi)c(diǎn)共線，從而實(shí)現(xiàn)2個(gè)曲面片在公共連接線上有共同的切平面，達(dá)到G1連續(xù)。對(duì)邊界控制點(diǎn)進(jìn)行局部調(diào)整的直接后果，必然降低了曲面擬合的準(zhǔn)確性，但兼顧了曲面拼接的光順性。拼接前和拼接后的效果如圖5(a)和5(b)所示。

圖5 曲面拼接

三面相交處曲面和特征圓孔曲面構(gòu)造的技巧

在反求軟件中，倒圓角之后會(huì)出現(xiàn)三面圓角相交的情況，要進(jìn)行圓角的連接。一般經(jīng)過橋接曲面后，利用邊界曲面命令進(jìn)行構(gòu)造。但使用這種方法制作出來的曲面質(zhì)量不佳，兩個(gè)面間不是圓滑過渡的，而是有一定凹凸或尖角出現(xiàn)，如圖6所示，影響工藝設(shè)計(jì)。因此作者在制作三面連接處曲面時(shí)，不使用反求軟件，而是利用CAD軟件對(duì)其進(jìn)行制作。

在反求軟件中，創(chuàng)建曲面的方式有多種，但選擇的方式必須要滿足曲面本身的曲率連續(xù)。本文使用截取交互模式點(diǎn)云擬合出曲線，然后掃掠得到曲面，如圖7所示。這樣建立起來的曲面，調(diào)節(jié)控制點(diǎn)較少，避免了曲面斷裂的情況。

曲面質(zhì)量檢測(cè)及實(shí)體模型的建立

前文總結(jié)了幾條制作曲面的主要技巧，對(duì)曲面修剪縫合后得到搖臂件的曲面模型，如圖8(a)、8(b)以及8(c)所示，分別為其主視圖、俯視圖與軸測(cè)圖。

圖6 三邊相交曲面的構(gòu)造

圖7 特征圓孔的制造

得到CAD模型后，要對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量分析。首先要選擇曲面到點(diǎn)云的偏差參數(shù)。將最大檢測(cè)距離選為1mm，最大角度選為5°，如圖9（a）所示。選擇好參數(shù)點(diǎn)擊應(yīng)用，檢測(cè)到的結(jié)果如圖9（b）所示。

由圖9（b）分析可知，點(diǎn)云到曲面之間的偏差絕對(duì)值的最大值不超過1，符合要求。誤差值接近于1的地方基本上是在飛邊處。一般情況下，在反求軟件中鍛件飛邊處的曲面不按照誤差去調(diào)整，而使這部分曲面與周圍曲面的曲率一致即可。誤差值接近于-1的地方，多數(shù)出現(xiàn)在圓角處，由于部分點(diǎn)云未掃描到，或者由圓角曲面誤差較大造成。但總體曲面比較漂亮，曲面質(zhì)量也比較高，符合設(shè)計(jì)要求。最后使用CAD軟件將曲面模型實(shí)體化（圖10），以便后續(xù)分析。

結(jié)束語

本文主要對(duì)典型復(fù)雜長(zhǎng)軸類鍛件進(jìn)行了反求，總結(jié)了在曲面制作過程中的一些技巧：

圖8 制作好的曲面模型

圖9 曲面質(zhì)量檢測(cè)

圖10 曲面模型實(shí)體化

⑴點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理（如噪聲處理等），增強(qiáng)數(shù)據(jù)的合理性及完備性，點(diǎn)云在軟件中定。

⑵搖臂關(guān)鍵曲線的創(chuàng)建包括平行點(diǎn)云截取、交互模式點(diǎn)云截取、擬合曲線和曲線調(diào)整等。

⑶搖臂CAD曲面的重構(gòu)包括曲面的創(chuàng)建、曲面控制點(diǎn)調(diào)整、曲面質(zhì)量檢測(cè)、曲面拼接以及多面相交過渡處曲面的創(chuàng)建。

⑷搖臂曲面的評(píng)估包括關(guān)鍵的參數(shù)選擇和評(píng)估。

王曉花，合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。