（上海第二工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，上海 201209）

0 引言

當(dāng)前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)全球化使各國(guó)及各企業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，國(guó)家及企業(yè)的創(chuàng)新、研發(fā)能力是一個(gè)國(guó)家及企業(yè)能否在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立足的關(guān)鍵所在。逆向工程技術(shù)作為一種引進(jìn)、消化、吸收國(guó)外先進(jìn)制造技術(shù)的重要手段，在制造業(yè)領(lǐng)域，尤其是新產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中得到了更加廣泛的關(guān)注[1]。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)3M公司、日本名古屋工業(yè)研究所以及UVP公司提出并研究了逆向理論。逆向技術(shù)已被一些先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中，有遠(yuǎn)見的企業(yè)所采用。Riesenfeld等人在20世紀(jì)70年代就開始研究非均勻B樣條曲線，隨后Lane和Cohen等人提出分割技術(shù)和離散β樣條，對(duì)于β樣條曲線曲面Til1er做了詳細(xì)的論證；Pigel，Tiller等人將以上方法統(tǒng)一于NURBS中，使之成為曲面重構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)[4]。國(guó)外不但對(duì)逆向工程的理論有深入的研究，同時(shí)也開發(fā)了一批商業(yè)軟件。Imageware系列、Geomagic系列、CopyCAD和RapidForm等軟件一起被稱為全球四大逆向工程軟件。Imageware軟件是應(yīng)用四邊域曲面重構(gòu)方法的典型軟件，作為著名的逆向工程軟件，它被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如汽車、航空航天、機(jī)械、計(jì)算機(jī)零部件、家電等。美國(guó)Raindrop公司出品的Geomagic Studio軟件是應(yīng)用三邊域曲面重構(gòu)方法的逆向工程專用軟件。該軟件可輕易從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為NURBS曲面[5]。華中科技大學(xué)1995年開發(fā)了三維激光彩色掃描系統(tǒng)，并獲得國(guó)家專利；對(duì)非均勻β樣條與NURBS方法，北京航空航天大學(xué)做了系統(tǒng)的研究，并發(fā)表了大量的學(xué)術(shù)論文；浙江大學(xué)自主研發(fā)了商用的反求軟件，并在CAD中心三角面建模方面取得很大成功。王衛(wèi)東針對(duì)產(chǎn)品在仿生設(shè)計(jì)中進(jìn)行了應(yīng)用研究[6]；李紅莉，王丹對(duì)于逆向工程在快速成型的應(yīng)用進(jìn)行了研究[7]；王秀英，劉錫國(guó)對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)有了比較好的進(jìn)展[8]；代菊英，涂群章，周建釗等針對(duì)機(jī)械裝備零件如何在逆向建模中的處理數(shù)據(jù)進(jìn)行了應(yīng)用研究[9]；吳正洪，朱建能，盧耀暉等人基于光學(xué)三維掃描研究了逆向工程與數(shù)控加工的關(guān)系[10]。

逆向工程技術(shù)可以在缺乏原始設(shè)計(jì)圖紙和CAD模型的情況下，可以根據(jù)產(chǎn)品實(shí)物模型構(gòu)建出產(chǎn)品的CAD模型，為產(chǎn)品的深入研發(fā)提供了素材，從而了解設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，在原有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)引進(jìn)技術(shù)的消化吸收和二次創(chuàng)新。同時(shí)，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，逆向工程技術(shù)大大縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，產(chǎn)品質(zhì)量得到了更加充分的保證。隨著各個(gè)領(lǐng)域高科技技術(shù)的發(fā)展，逆向工程技術(shù)已經(jīng)在在造船、航空航天、汽車、家電、醫(yī)療器械、快速模具、玩具等現(xiàn)代制造業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2,3]。轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件，既承載一定的車體重量，又傳遞轉(zhuǎn)向力矩和承受前輪剎車制動(dòng)力矩，是確保汽車安全行駛的重要零件之一。該產(chǎn)品屬于復(fù)雜枝杈類件，是形狀極不對(duì)稱、界面變化劇烈的零件[12]，因此對(duì)其模型進(jìn)行逆向工程研究，可對(duì)各類轉(zhuǎn)向節(jié)乃至其他汽車零部件的研發(fā)起到很好的指導(dǎo)作用。

1 汽車新型轉(zhuǎn)向節(jié)三維數(shù)據(jù)信息采集及點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

1.1 汽車新型轉(zhuǎn)向節(jié)三維數(shù)據(jù)信息采集

本論文利用非接觸式測(cè)量設(shè)備——三維光柵式測(cè)量?jī)x對(duì)某汽車轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行3D掃描，樣件如圖1所示。零件呈枝杈狀，形狀復(fù)雜，又由于測(cè)量條件的限制，存在著測(cè)量死角，所以轉(zhuǎn)向節(jié)樣件不可能在一次裝夾中完成整個(gè)掃描數(shù)據(jù)，故需進(jìn)從不同角度進(jìn)行多次掃描，然后在后處理軟件中進(jìn)行視圖拼接才能得到較完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 新型轉(zhuǎn)向節(jié)樣件

1.1.1 噴涂反差顯像劑和貼標(biāo)記點(diǎn)

由于激光測(cè)頭是利用被測(cè)物體對(duì)光的反射特點(diǎn)來(lái)接收數(shù)據(jù)的，所以被測(cè)物體的反光程度、表面顏色很大程度會(huì)影響掃描的數(shù)據(jù)完整性，也因此需要對(duì)被測(cè)零件進(jìn)行噴涂反差顯像劑，使得零件表面處于啞光狀態(tài)，從而和周圍環(huán)境中的其他光線形成反差，使零件表面的漫反射光線更好的被吸收，從而得到較完整的零件表面數(shù)據(jù)信息。之后，需要對(duì)噴涂的零件進(jìn)行標(biāo)記，以便使后續(xù)采集的多片點(diǎn)云數(shù)據(jù)更好地拼合在一起。標(biāo)記后的轉(zhuǎn)向節(jié)如圖2所示。

圖2 噴涂后的轉(zhuǎn)向節(jié)樣件

1.1.2 汽車新型轉(zhuǎn)向節(jié)3D掃描

完成測(cè)量前的轉(zhuǎn)向節(jié)分析和準(zhǔn)備工作后，接著對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行掃描。第一階段掃描時(shí)盡量使面積較大的面正對(duì)激光測(cè)頭，以便更好的采集數(shù)據(jù)。由于測(cè)量條件的限制和測(cè)量死角的存在，需要從不同角度掃描得到多片點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以便后續(xù)拼合出比較完整的點(diǎn)云模型，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向節(jié)掃描圖片拼接

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

掃描完成后，需要對(duì)所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、標(biāo)記點(diǎn)對(duì)齊、數(shù)據(jù)面片的合成、孔洞補(bǔ)缺等。初始模型三角形為432976個(gè)，簡(jiǎn)化30%，新模型三角形為303082個(gè)。由于掃描過(guò)程中不可能實(shí)現(xiàn)所有細(xì)節(jié)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，就會(huì)造成“孔洞”，如圖4所示，后處理時(shí)需要對(duì)這些孔洞進(jìn)行填充，從而使被測(cè)件數(shù)據(jù)更加完整?？锥囱a(bǔ)缺操作完成后，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)钠交瑑?yōu)化等操作，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理基本完成，如圖5所示。

圖4 未處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖5 處理完成后的三維圖形

2 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)三維模型重構(gòu)及誤差檢測(cè)

2.1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)三維模型重構(gòu)

在Geomagic軟件中，將已經(jīng)優(yōu)化處理后的模型依循表面曲率的變化生成輪廓線，從而完成對(duì)整個(gè)模型的曲面劃分，如圖6所示。通過(guò)手動(dòng)的方式來(lái)劃分初級(jí)曲面的類型，如錐面、自由曲面、圓柱面、旋轉(zhuǎn)面及平面等。通過(guò)“擬合初級(jí)曲面”命令對(duì)所有經(jīng)過(guò)分類并定義后的初級(jí)曲面進(jìn)行擬合處理，通過(guò)“擬合連接”命令對(duì)延伸線所占區(qū)域即所有初級(jí)曲面連接處進(jìn)行擬合處理，通過(guò)“修剪/縫合”命令對(duì)擬合后的初級(jí)曲面和連接處進(jìn)行修剪縫合，使其成為一個(gè)整體，最終得到所要求的轉(zhuǎn)向節(jié)CAD模型，如圖7所示。

2.2 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)三維模型誤差檢測(cè)

由于逆向建模過(guò)程是一個(gè)由實(shí)物原型到重建產(chǎn)品CAD模型的過(guò)程，在整個(gè)建模過(guò)程中幾乎每一步處理都會(huì)不可避免的產(chǎn)生誤差，因此為了保證重構(gòu)后的產(chǎn)品CAD模型符合精度要求，這就需要對(duì)重構(gòu)后的CAD模型進(jìn)行誤差檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)分析其是否在所要求的精度范圍之內(nèi)，如果沒有則需要對(duì)這個(gè)CAD模型進(jìn)行重構(gòu)或是修改以使其最終滿足精度要求。

圖6 輪廓線生成

圖7 重構(gòu)后的三維圖形

2.2.1 重構(gòu)模型整體偏差分析

重構(gòu)好的CAD模型作為測(cè)試模型，原始點(diǎn)云作為參考模型，來(lái)實(shí)現(xiàn)重構(gòu)CAD模型和原始點(diǎn)云模型的三維數(shù)據(jù)對(duì)比，并通過(guò)色譜圖將偏差顯示出來(lái)，如圖8所示。

圖8 重構(gòu)模型整體偏差分析

根據(jù)圖8偏差分析，可以得出最大偏差為0.856mm，-0.446mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.052mm?？梢钥闯稣w誤差不大，滿足所要求的精度范圍。

2.2.2 重構(gòu)模型關(guān)鍵部位精度分析

利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)物零件的關(guān)鍵部位進(jìn)行測(cè)量，如圖9所示，研究重構(gòu)模型與實(shí)際零件模型在關(guān)鍵部位的誤差，并生成誤差分析報(bào)告，如圖10所示。并將擬合后的關(guān)鍵位置尺寸在CATIA軟件中測(cè)量出來(lái)，如圖11所示，并將理論值和實(shí)際值進(jìn)行比較分析。

圖9 在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x上測(cè)量轉(zhuǎn)向節(jié)關(guān)鍵部位

圖10 轉(zhuǎn)向節(jié)關(guān)鍵部位誤差分析報(bào)告

通過(guò)表1，重構(gòu)后轉(zhuǎn)向節(jié)理論值和利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量的實(shí)際值對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的關(guān)鍵部位進(jìn)行誤差比較分析，得出最大誤差為0.3812mm，最小誤差為0.0387mm，相對(duì)誤差最大為1.19%，最小為0.07%，滿足精度要求。

圖11 轉(zhuǎn)向節(jié)關(guān)鍵部位尺寸虛擬測(cè)量

3 結(jié)論

本論文應(yīng)用3D掃描儀對(duì)汽車新型轉(zhuǎn)向節(jié)逆向重構(gòu)，結(jié)合逆向工程，對(duì)復(fù)雜零件表面進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，形成完整的三維數(shù)據(jù)模型，然后比較重構(gòu)模型與原始點(diǎn)云的重合度，分析重構(gòu)曲面品質(zhì)的優(yōu)劣，最后利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)物零件的關(guān)鍵部位進(jìn)行測(cè)量，研究重構(gòu)模型與實(shí)際零件模型的誤差分析，并生成誤差分析報(bào)告，最終得出重構(gòu)模型滿足精度要求，從而實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的數(shù)字化設(shè)計(jì)驗(yàn)證，大大縮短研發(fā)周期，為汽車零部件設(shè)計(jì)制造提出新的設(shè)計(jì)思路，對(duì)各車型轉(zhuǎn)向節(jié)及其他汽車零部件的研發(fā)起到很好的借鑒作用。

表1 理論值和實(shí)際測(cè)量值比較

[1]劉偉軍,孫玉文.逆向工程原理、方法及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:3-4．

[2]劉航.模具CAD/CAM[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:12-15.

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