張榕賓

基于非接觸式測量的自由曲面逆向工程的應(yīng)用

張榕賓

逆向工程作為一項(xiàng)新的先進(jìn)制造技術(shù)受到重視是在二十世紀(jì)80年代末至90年代初，首先是由福特汽車公司提出的“2毫米工程”對傳統(tǒng)的機(jī)械制造業(yè)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。逆向工程要求將質(zhì)量控制從產(chǎn)品的事后檢測提前到產(chǎn)品的研發(fā)階段，減小企業(yè)對產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，降低開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期。過去，逆向工程多應(yīng)用在汽車業(yè)與模具業(yè)，如今廣泛應(yīng)用在各種行業(yè)，逆向工程的使用也縮短了歐美和亞洲之間生產(chǎn)制造技術(shù)的差距。

一、逆向工程概述

（一）逆向工程的定義

逆向工程又稱逆向設(shè)計(jì)或反向工程，包括影像、軟件、實(shí)物逆向三種。在機(jī)械領(lǐng)域，逆向工程是在設(shè)計(jì)圖紙不是很完整或者在沒有設(shè)計(jì)圖紙情況下，只有實(shí)物，利用各種數(shù)字化技術(shù)的手段及CAD技術(shù)重新構(gòu)造原零件CAD模型一個(gè)過程。

（二）逆向工程的體系

逆向工程一般分為四個(gè)階段：一是零件原形的數(shù)字化；二是從采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)中構(gòu)建零件的三維模型；三是零件原形CAD模型的重建；四是重建CAD模型的檢驗(yàn)與修正。

逆向工程工作流程如圖1：

圖1 逆向工程工作流程圖

1.數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集是反求逆向工程的基礎(chǔ)，它是指通過各種測量儀器從已有的產(chǎn)品原型上獲取三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云的過程。目前，逆向工程中的數(shù)據(jù)采集方法可分成兩種：接觸式與非接觸式。

（1）接觸式測量方法

三坐標(biāo)測量機(jī)不僅可對各種復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行測量，同時(shí)可以作為逆向點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的采集儀器。優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，體現(xiàn)萬能性；缺點(diǎn)是測量效率比較低，無法測量非硬性材料。

（2）非接觸式測量方法

①光學(xué)三角算法原理的激光掃描法

這種測量方法是根據(jù)光學(xué)三角型算法，以激光作為發(fā)射光源，其結(jié)構(gòu)可以分為點(diǎn)激光、線激光、多條激光等，將光源投射到被測工件表面，并采用光電相機(jī)在另一個(gè)位置接收激光的反射數(shù)據(jù)，根據(jù)點(diǎn)或光線在被測量物體成像的偏移量，通過被測物體基本面、像點(diǎn)、像距離等關(guān)系計(jì)算出被測量物體的深度信息。

②基于相位偏移測量原理的莫爾條紋原理的白光掃描法

這種測量方法是將白光光柵條紋投射到被測物體表面，光柵條紋受物體表面形狀的變化，其條紋間的相位關(guān)系也會發(fā)生變化，數(shù)字圖形再處理解析出光柵紋理圖像的相位變化來獲取被測物體表面的三維信息。

二、汽車前窗鏡座零件的逆向工程應(yīng)用

在已有汽車前窗鏡座零件的情況下，為企業(yè)對產(chǎn)品快速仿制及設(shè)計(jì)提供鏡座零件逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)，本項(xiàng)目技術(shù)可廣泛應(yīng)用于汽車、家電產(chǎn)品、摩托車等配件的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

（一）汽車前窗鏡座零件逆向工程項(xiàng)目介紹

在本次曲面重構(gòu)過程采用先由點(diǎn)云生成曲線再由曲線生成曲面的方法，即遵循點(diǎn)—曲線—曲面原則。其中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理在Imageware軟件中進(jìn)行，生成曲線后導(dǎo)入U(xiǎn)G，完成曲線的編輯、光順、曲面及CAD模型的構(gòu)建。

實(shí)施條件：（1）激光掃描測量機(jī)；（2）CAD/CAM軟件

（Imageware軟件、Unigraphics軟件）。

效益分析：采用上述技術(shù)，可大大縮短由實(shí)物建立CAD模型的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品或模型的快速建模和仿制。

（二）數(shù)據(jù)測量

測量對象：汽車前窗鏡座零件（以下簡稱鏡座）。

1.測量儀器

（1）測量系統(tǒng)的硬件組成

本次測量設(shè)備為深圳市特得維技術(shù)有限公司的TDV—300激光掃描儀（如圖2）。

圖2 激光掃描儀

該設(shè)備主要是由激光測頭系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)床本體組成的光電一體化系統(tǒng)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

掃描范圍（x.y.z）：300×200×350m m

掃描精度：0.02～0.05m m

掃描速度：5000～10000點(diǎn)/秒

掃描景深：60～100m m

定位精度（x.y.z）：0.01m m

重復(fù)定位精度（x.y.z）：0.005m m

單次掃描高度：35～65m m（可選）

光柵尺分辨率：0.001m m

（2）測量系統(tǒng)的軟件組成

圖3 Trivew T操作界面

圖3是TDV—300激光測量系統(tǒng)的軟件（TrivewTM）操作界面。該系統(tǒng)軟件由控制系統(tǒng)、標(biāo)定系統(tǒng)、路徑規(guī)劃及掃描系統(tǒng)等功能組成。在參數(shù)設(shè)置中，可根據(jù)測量范圍和測量精度來設(shè)定激光掃描過程中的大部分的參數(shù)。

本次鏡座零件激光測量參數(shù)設(shè)置如下：

激光：150

間隔：0.5

速度：最快

2.測量步驟

（1）測量前期準(zhǔn)備

測量前首先對鏡座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，其待測表面并不復(fù)雜，工件尺寸不大，通過單幅測量即可完成數(shù)據(jù)測量，不僅提高了測量及后續(xù)點(diǎn)云處理效率，還提高了測量精度。

鏡座表面顏色為黑色，由于反射光很弱，從而使測頭得到的光能很少，造成較大的非線性誤差，所以測量前需對鏡座表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐可幚?，本次測量對被測表面均勻涂上白色的顯影劑。

（2）數(shù)據(jù)獲取

參數(shù)設(shè)定完成后，開始掃描并將測得的數(shù)據(jù)以AST格式輸入Imageware軟件中，所測點(diǎn)云如圖4所示。

圖4 原始點(diǎn)云

原始點(diǎn)云信息如下：

（三）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

根據(jù)點(diǎn)云信息，鏡座零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)十分龐大，且含有大量的噪聲點(diǎn)，所以必須先對點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理。

1.數(shù)據(jù)濾波

首先通過圖形顯示，直接判別明顯的噪聲點(diǎn)并將其刪除。再通過自動濾波的均值濾波對點(diǎn)云進(jìn)行光順。如圖4為測量的鏡座原始點(diǎn)云，從圖中可看到原始點(diǎn)云中存在大量的噪聲點(diǎn)和重疊區(qū)域，濾波效果如圖5。

圖5 濾波結(jié)果

2.數(shù)據(jù)對齊

點(diǎn)云對齊的基本操作：先在鏡座點(diǎn)云的底部上選取不共線的3點(diǎn)做截面（圖6），該截面就是點(diǎn)云的對齊特征，將所建特征與點(diǎn)云成組。然后在Imageware坐標(biāo)系中做一基準(zhǔn)平面（圖7），即在XOY平面中做一中點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0，0）的平面。

圖6 建立相應(yīng)的對齊特征

圖7 創(chuàng)建基準(zhǔn)

最后使用Imageware中的對齊工具（Stepwise Alignment命令），將建立相應(yīng)的對齊特和創(chuàng)建的基準(zhǔn)平面進(jìn)行對齊。結(jié)果如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)對齊

3.數(shù)據(jù)精簡

處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，處理方法是采用定義點(diǎn)云距離的方式減少很大一部分?jǐn)?shù)據(jù)。本鏡座零件設(shè)定distance tolerancet為0.2mm。

Distance tolerance的確定方法：將點(diǎn)放大到可以分清點(diǎn)距，由點(diǎn)距測量和想要去掉的點(diǎn)來確定distance tolerance值。比如要將點(diǎn)云點(diǎn)數(shù)去半，任意選擇取一點(diǎn)，測量與該點(diǎn)最近點(diǎn)的距離，然后取該點(diǎn)距離的2倍為distance tolerance值。

處理結(jié)果如圖9所示?？梢灾苯舆x定要保留的點(diǎn)數(shù)來對點(diǎn)進(jìn)行采樣。

圖9 精簡后

精簡結(jié)果：

4.數(shù)據(jù)分塊

鏡座零件是由幾張曲面混合形成的，所以根據(jù)子曲面的類型，將點(diǎn)云分割成幾塊獨(dú)立的子點(diǎn)云，分別構(gòu)面，再通過曲面的延伸、橋接、裁減等混合而成鏡座表面。

由于測量數(shù)據(jù)的自動分割仍存在許多問題，因此采用的辦法是將自動檢測結(jié)果作為標(biāo)志點(diǎn)輔助人工分割。這里使用了點(diǎn)云特征擷取命令，檢測結(jié)果如圖10（點(diǎn)云隱藏），為方便后面的曲線及曲面的逆合，人工將點(diǎn)分割成落干獨(dú)立的區(qū)域，如圖11所示。

圖10 點(diǎn)云特征擷取

圖11 分割后

5.截云線的生成

（1）定義截平面

分析點(diǎn)云，如圖12、圖13，對一般點(diǎn)云，只需要分別定義法矢相同的幾個(gè)截平面即可。

圖12 定義法矢相同的截平面

圖13 放射狀剖切截面

對于左下角，其邊界為一大角度的弧型，如按照圖以上截平面的定義方法，不利于使用Though Curve Mesh擬合成單張曲面，而是需要通過擬合成多個(gè)小曲面再拼接而成，不僅效率低，且曲面的光順性較差。

（2）截云線的生成

鄰域尺寸值通常近似取space sampling中設(shè)定的距離公差值的3倍，因此這里取space sampling=0.6，效果如圖14所示。

圖14 截云線的生成

6.邊界線的生成

邊界線的生成采用計(jì)算機(jī)輔助人工選取點(diǎn)云邊界點(diǎn)的方式生成邊界線。將點(diǎn)云放大至能分清點(diǎn)距，捕捉點(diǎn)云的邊界點(diǎn)（圖15箭頭所示）生成一條3D B-Spline曲線（圖16）。

圖15 捕捉點(diǎn)云的邊界點(diǎn)

圖16 邊界線

（四）曲線的擬合、編輯及光順

1.曲線的擬合

曲線的擬合使用Curve Form Cloud中的Uuniform Cloud選項(xiàng)，根據(jù)點(diǎn)云的情況選擇合適的曲線構(gòu)造方法，通過合適選項(xiàng)構(gòu)造調(diào)整曲線，接下來要做的就是曲線的編輯。將數(shù)據(jù)以.igs格式保存，使用UG軟件完成曲線的編輯、曲面及CAD模型的構(gòu)造。

2.曲線的編輯及光順

因測量時(shí)有誤差以及模型外表面不光滑等原因，連成的樣條曲線不光順時(shí)（如圖17）還需要進(jìn)行調(diào)整（如圖18），否則構(gòu)造出的曲面也不光順。調(diào)整常用到的是Edit Spline，一般常用Edit Pole選項(xiàng)，包括移動、添加控制點(diǎn)和移動控制極點(diǎn)，方便對樣條進(jìn)行編輯。此外，曲線的斷開（Divide）、橋接（Bridge）和光順曲線（Smooth Spline）也常用到。

圖17 曲線光順前

圖18 曲線光順后

生成三維數(shù)據(jù)之前需要大量的調(diào)線面工作，調(diào)線時(shí)可以通過調(diào)整曲率進(jìn)行保證曲面質(zhì)量。精度和光順性是逆向建模的兩個(gè)相互矛盾的準(zhǔn)則，實(shí)際操作過程中不能兼顧，只能根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)及要求滿足設(shè)計(jì)需求。

（五）曲面的構(gòu)造

因?yàn)榍鏄?gòu)造要求有流暢并光順的外表面，因此在構(gòu)造曲面時(shí)要保證面和面之間能夠以G2（曲率）或G1（相切）連續(xù)，這樣能形成一個(gè)光順的曲面。另外，還要根據(jù)具體情況選擇更加合適的構(gòu)造方法。

曲面構(gòu)造方法：

（1）最常用的構(gòu)造方法是Though Curve Mesh，可以保證曲面邊界曲率的連續(xù)性，Though Curve僅能保證兩邊連續(xù)。

（2）曲面構(gòu)造時(shí)經(jīng)常會遇到多邊的曲面，一般可以通過做輔助樣條曲線把多邊曲面轉(zhuǎn)化為更多的曲面，也可以將邊界線延長。

曲面分別構(gòu)造完成后（圖19），再通過曲面的延伸、橋接、裁減等混合而成鏡座的兩個(gè)面之間往完整表面，如圖20。

圖19 曲面擬合

圖20 完成的曲面

構(gòu)造曲面時(shí)，往往有很多不光順的地方，解決該問題的方法是：可以通過設(shè)置邊界相切連續(xù)設(shè)置，使邊界光順，從而使曲率變化連續(xù)。亦可通過曲面橋接等命令將一個(gè)曲面的邊界延伸重合至另一個(gè)曲面的邊界。

曲面構(gòu)造時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題：

一是曲面構(gòu)造時(shí)應(yīng)抓住樣條特征，盡量減少曲面張數(shù)以提高整體光順度及提高建模效率。

二是構(gòu)造曲面階次盡量要小，一般為3到4階。由于有的CAD系統(tǒng)不支持高階曲面，因此減少曲面階次可以提高與其他CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換能力。

三、總結(jié)

以汽車前窗鏡座零件為原形，通過激光掃描獲得曲面的數(shù)字化信息，進(jìn)行鏡座的反求、CAD模型構(gòu)建，講述了逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用步驟，包括數(shù)據(jù)的采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、曲線的擬合、構(gòu)造及曲面的擬合等整個(gè)產(chǎn)品外表面重新縫補(bǔ)。采用了Imageware結(jié)合UG等軟件，遵循點(diǎn)—曲線—曲面原則，完成了汽車前窗鏡座產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)模型逆向反求設(shè)計(jì)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工等奠定了基礎(chǔ)，極大地提高了開發(fā)效率。

（作者單位：福州第一技師學(xué)院）

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