唐順等

摘 要：以某整流罩為研究對(duì)象，在缺乏圖紙和理論數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用基于激光跟蹤儀的非接觸式測(cè)量設(shè)備獲取該罩體的外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和研究，使用3D設(shè)計(jì)軟件-CATIA及逆向設(shè)計(jì)技術(shù)完成整個(gè)整流罩的外形曲面的重構(gòu)工作，并生成可用于該罩體模具設(shè)計(jì)的三維數(shù)模。

關(guān)鍵詞：逆向合計(jì)；點(diǎn)云；曲面重構(gòu)

引言

某整流罩的逆向設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要涉及制造業(yè)的諸多領(lǐng)域。文章中介紹的整流罩逆向設(shè)計(jì)方法及過(guò)程僅僅指構(gòu)建該整流罩外形曲面三維數(shù)學(xué)模型的過(guò)程。根據(jù)整流罩的表面材質(zhì)、使用環(huán)境及內(nèi)部蜂窩結(jié)構(gòu)確定采用非接觸式測(cè)量方式完成外形數(shù)據(jù)的獲取，文章采用基于激光跟蹤儀和Polyworks三維測(cè)量軟件的T-scan對(duì)該整流罩外形進(jìn)行掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1 某整流罩逆向設(shè)計(jì)實(shí)例

1.1 渦輪整流罩外形分析

根據(jù)罩體的安裝部位，根據(jù)獲取的安裝部位的離散的點(diǎn)云面片構(gòu)建安裝部位外形曲線，應(yīng)用CATIA中的創(chuàng)成式曲面模塊拉伸出安裝部位的外形曲面；再將該安裝部位的外形曲面進(jìn)行偏移，得到偏移曲面；偏移曲面是對(duì)其點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊的基礎(chǔ)切割曲面。

逆向設(shè)計(jì)技術(shù)是快速實(shí)現(xiàn)整流罩外形曲面數(shù)字化的主要途徑。某整流罩在工作中損傷，根據(jù)某試驗(yàn)要求，迫切需要應(yīng)用逆向設(shè)計(jì)對(duì)其外形進(jìn)行建模，通過(guò)模型生產(chǎn)模具對(duì)其進(jìn)行生產(chǎn)制造。經(jīng)過(guò)分析，該整流罩屬于整體件，下部通過(guò)連接法蘭與某曲面相連。在逆向設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)其整體進(jìn)行掃描，通過(guò)軟件將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理，分別進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)分塊是根據(jù)整流罩的表面特征，將其點(diǎn)云分為不同的數(shù)據(jù)塊分別進(jìn)行逆向曲面設(shè)計(jì)，提高逆向設(shè)計(jì)效率，消除無(wú)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)對(duì)待處理區(qū)域的影響。

1.2 整流罩表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

本次點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取采用的設(shè)備屬于非接觸式測(cè)量方式，也不需要在整流罩的表面噴涂顯影劑或粘貼標(biāo)示點(diǎn)，其數(shù)據(jù)采集精度可以達(dá)到20μm。由于整流罩的尺寸不大，可將三維測(cè)繪掃描儀放置某一固定的站位，翻轉(zhuǎn)整流罩2次就能完成整個(gè)整流罩的表面數(shù)字化掃描工作。在軟件中通過(guò)2次掃描的公共區(qū)域?qū)Ⅻc(diǎn)云對(duì)齊至統(tǒng)一坐標(biāo)系下。獲取的點(diǎn)云是以單點(diǎn)的三維坐標(biāo)形式存儲(chǔ)，要對(duì)其進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，需要將其進(jìn)行三角面片封裝，封裝成*.stl格式。STL封裝是將采集的離散的點(diǎn)云作為三角形的頂點(diǎn)連接形成分片線形曲面，能夠表示測(cè)點(diǎn)的臨接關(guān)系和模型的正確全局拓?fù)鋄2]。經(jīng)過(guò)軟件中的統(tǒng)計(jì)命令可知采集的點(diǎn)數(shù)為498287個(gè)，封裝后三角形數(shù)為977416個(gè)，整流罩的面積為1.859m2。

1.3 整流罩曲線與曲面的構(gòu)建

整流罩逆向設(shè)計(jì)的目標(biāo)是根據(jù)離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造出光滑、連續(xù)的CAD模型，因此模型重建技術(shù)是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。曲面重構(gòu)過(guò)程實(shí)際上就是根據(jù)實(shí)物模型的點(diǎn)云，重建其幾何和拓?fù)湫畔?，再現(xiàn)曲面產(chǎn)品特征的過(guò)程。

采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)填充、數(shù)據(jù)過(guò)濾剔除噪點(diǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)位逆向設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。分析整流罩后，需要通過(guò)與XY平面平行的一系列截面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相交計(jì)算，獲取截面曲線，通過(guò)放樣計(jì)算、外插延伸、橋接及修飾得到罩體的外形曲面。在逆向設(shè)計(jì)過(guò)程中，要實(shí)時(shí)運(yùn)用檢測(cè)命令檢測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與構(gòu)造曲面間的偏差值。如果不符合要求，就需要調(diào)整NURBS曲面的控制點(diǎn)，直到滿(mǎn)足要求，這是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程，也需要大量的逆向設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，所需要的逆向設(shè)計(jì)技巧很多，需要在實(shí)踐中根據(jù)不同的實(shí)際情況采用相應(yīng)的曲面構(gòu)建方法以達(dá)到滿(mǎn)意的效果。

1.4 整流罩的三維實(shí)體模型設(shè)計(jì)

將用逆向設(shè)計(jì)方法重構(gòu)的罩體外形曲面切換至CATIA的零件設(shè)計(jì)模塊，應(yīng)用曲面加厚命令完成罩體的實(shí)體設(shè)計(jì)過(guò)程，應(yīng)用重構(gòu)的安裝部位的外形曲面對(duì)其進(jìn)行分割，應(yīng)用修飾命令中的倒角工程就可以完成該罩體的三維模型，滿(mǎn)足罩體逆向設(shè)計(jì)要求。

2 結(jié)束語(yǔ)

在缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)資料數(shù)據(jù)的前提下，根據(jù)某整流罩的重新設(shè)計(jì)需求，應(yīng)用基于激光跟蹤儀的三維數(shù)字化測(cè)繪設(shè)備獲取該罩體的表面數(shù)據(jù)，使其表面數(shù)字化，結(jié)合逆向設(shè)計(jì)的一般程序及整流罩自身特點(diǎn)，分塊完成該整流罩的外形及安裝部位的外形曲面，并應(yīng)用零件設(shè)計(jì)模塊中的相關(guān)命令將曲面填充成可用于加工制造的三維實(shí)體模型，得到了十分有效的設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)該整流罩的可維修性和再制造性奠定了基礎(chǔ)。隨著材料技術(shù)、數(shù)字化測(cè)量技術(shù)、逆向設(shè)計(jì)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，具有復(fù)雜外形曲面的整流罩的再制造領(lǐng)域?qū)?huì)迎來(lái)突破性的發(fā)展，將對(duì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：唐順（1988-），男，漢族，助理工程師，學(xué)士，主要研究方向：飛行試驗(yàn)設(shè)計(jì)、計(jì)劃管理。

劉韶光（1984-），男，漢族，工程師，碩士，主要研究方向：試驗(yàn)機(jī)逆向設(shè)計(jì)、數(shù)字化裝配技術(shù)、科研計(jì)劃管理。