張克義，張 蘭，劉漢代，喻逸君，汪志勝，胡良建

(東華理工大學(xué) 江西新能源工藝及裝備工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330013)

0 引言

起重機(jī)零件的整體性還原對(duì)零件的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，如支架是立柱和斜架重要的連接件，它的造型大都是按一定特征設(shè)計(jì)制造的。特征點(diǎn)、特征線(xiàn)和特征面是幾何造型的關(guān)鍵元素，它對(duì)控制零部件的幾何形狀有著極為重要的作用，同時(shí)，運(yùn)用這些特征點(diǎn)可以直接決定特征線(xiàn)的位置，從而掌握繪制特征曲面的規(guī)律性，是特征重建曲面的基本方法。在起重機(jī)零部件的模型重建過(guò)程中，一個(gè)重要的工作就是還原這些特征和它們之間的約束規(guī)律。本文從起重機(jī)零部件工程設(shè)計(jì)的實(shí)際出發(fā)，按照特征識(shí)別—測(cè)量數(shù)據(jù)—特征約束—建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型定義關(guān)系—找到滿(mǎn)足最優(yōu)特征約束的目標(biāo)函數(shù)等進(jìn)行反求，從而使模型接近零件原型。

1 特征識(shí)別和數(shù)據(jù)分割

原始設(shè)計(jì)參數(shù)還原是逆向工程的基礎(chǔ)，如何從測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)中確定原設(shè)計(jì)參數(shù)是一個(gè)特征識(shí)別問(wèn)題，因此，實(shí)物的幾何形狀特征識(shí)別是建模的關(guān)鍵。業(yè)內(nèi)常常流行的一句話(huà)“好點(diǎn)有好線(xiàn)，好線(xiàn)才有好面”，這說(shuō)明識(shí)別點(diǎn)對(duì)曲線(xiàn)和曲面的質(zhì)量有很大影響。因此，特征識(shí)別的重點(diǎn)放在從測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)中識(shí)別出“好線(xiàn)”和“好面”。由于線(xiàn)特征是數(shù)據(jù)分割的依據(jù)，而面特征是造型的基礎(chǔ)，因此要進(jìn)行測(cè)量規(guī)劃，按確定測(cè)量方式、人工標(biāo)識(shí)輪廓線(xiàn)和顯見(jiàn)的表面棱線(xiàn)、確定曲面片掃描路徑和采樣點(diǎn)、識(shí)別和測(cè)量特征的約束關(guān)系等進(jìn)行。圖1為起重機(jī)支架殼體零件的激光測(cè)量數(shù)據(jù)，曲面測(cè)量范圍為750 mm×550 mm×250 mm，共采集了30 200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

1.1 特征點(diǎn)識(shí)別

特征來(lái)源于產(chǎn)品的特征造型，構(gòu)成產(chǎn)品模型最底層的特征是點(diǎn)、線(xiàn)和面。特征點(diǎn)的識(shí)別是逆向工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在幾何形體表面數(shù)字化中，一個(gè)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)多次測(cè)量后會(huì)產(chǎn)生多個(gè)IGS格式的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這就需要擬合，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)截面連續(xù)掃描是曲面數(shù)字化測(cè)量的常用方法。圖2為起重機(jī)支架殼體曲面點(diǎn)云模型切片，掃描曲線(xiàn)可看作掃描平面與被測(cè)樣件的交線(xiàn)，在一般情況下掃描線(xiàn)視為平面曲線(xiàn)，那么曲面上各截面線(xiàn)的特征分布在一定程度上就反映了曲面特征的分布。

圖1 起重機(jī)支架殼體零件的激光測(cè)量數(shù)據(jù)

圖2 起重機(jī)支架殼體曲面點(diǎn)云模型切片

1.2 特征線(xiàn)識(shí)別

特征線(xiàn)的識(shí)別主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)分割。將具有相同曲率特征的點(diǎn)連接就形成了特征線(xiàn)，同一點(diǎn)不可能同屬于兩個(gè)不同的特征。特征識(shí)別過(guò)程按特征點(diǎn)標(biāo)識(shí)—連接同類(lèi)的特征點(diǎn)—特征線(xiàn)段組成完整的特征線(xiàn)—相互處理特征線(xiàn)4個(gè)過(guò)程進(jìn)行。起重機(jī)支架殼體特征線(xiàn)的識(shí)別如圖3所示。

1.3 特征面識(shí)別

特征曲面識(shí)別是嘗試推斷出具有相同曲面性質(zhì)的點(diǎn)，在此主要是識(shí)別出曲面的幾何類(lèi)型是二次曲面還是自由曲面，其主要目的是為造型提供“組合還是縫補(bǔ)”的準(zhǔn)確依據(jù)，從而簡(jiǎn)化造型過(guò)程。起重機(jī)支架殼體特征曲面識(shí)別如圖4所示。

圖3支架殼體特征線(xiàn)識(shí)別圖4支架殼體特征面識(shí)別

2 約束識(shí)別和數(shù)據(jù)確定

約束識(shí)別是特征識(shí)別的確認(rèn)，它貫穿于測(cè)量和造型之間。由于起重機(jī)支架屬于連接件，其制造、磨損、測(cè)量和曲面的擬合會(huì)給重構(gòu)模型帶來(lái)誤差，且在UG軟件中重建支架模型往往不能再現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)特征之間的幾何約束，從而與支架原始意圖不相符合，也不能滿(mǎn)足重構(gòu)支架曲面的功能要求，不能發(fā)現(xiàn)隱藏在支架重構(gòu)設(shè)計(jì)中的規(guī)律，嚴(yán)重影響了零件的創(chuàng)新或改型設(shè)計(jì)。為了解決這一問(wèn)題，從二維參數(shù)化草圖(如圖5所示)經(jīng)拉伸生成實(shí)體模型,可以看出，組成二維截面形狀特征的截面曲線(xiàn)之間必須滿(mǎn)足垂直、平行、相切、尺寸等幾何約束;而且，從截面曲線(xiàn)分段結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，重建設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)檢查，構(gòu)成截面形狀特征的相鄰曲線(xiàn)之間已經(jīng)滿(mǎn)足G1切矢連續(xù)。為了更進(jìn)一步減小逼近誤差，不能片面追求單一曲線(xiàn)段逼近誤差最小的反求，這與UG建模思想與支架零件的曲面設(shè)計(jì)意圖是不相符合的，所以，應(yīng)對(duì)截面數(shù)據(jù)中包含的所有二次曲線(xiàn)進(jìn)行全面約束和擬合逼近，如圖6所示。

圖5二維草圖約束圖6約束重構(gòu)的截面形狀特征

3 數(shù)據(jù)導(dǎo)入和模型反求

數(shù)據(jù)確定后，將模型導(dǎo)入到UG軟件中，這樣就完成了對(duì)原始產(chǎn)品的復(fù)制，起重機(jī)支架零件的點(diǎn)云模型與原型吻合度比較如圖7所示。根據(jù)測(cè)量，可知其表面都是由復(fù)雜的自由曲面形成的，因此，可以通過(guò)UG軟件修改重建模型的相關(guān)特征、約束關(guān)系和尺寸參數(shù)，這樣，就能在已有實(shí)物的基礎(chǔ)上得到另一個(gè)反求新零件，從而實(shí)現(xiàn)在對(duì)現(xiàn)有零件復(fù)制的基礎(chǔ)上重新再設(shè)計(jì)，這在起重機(jī)工程機(jī)械設(shè)計(jì)中具有非常重要的意義。

逆向工程追求的不應(yīng)是簡(jiǎn)單的仿制，而是再提高、再創(chuàng)造。根據(jù)這一原理，我們按照特征識(shí)別—測(cè)量數(shù)據(jù)分割—特征約束—建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型定義關(guān)系—找到滿(mǎn)足最優(yōu)特征約束的目標(biāo)函數(shù)等進(jìn)行反求，建立如圖8～圖14所示的重建過(guò)程，得到圖15所示重建并再設(shè)計(jì)后的CAD模型。

圖7支架點(diǎn)云模型與原型吻合度比較圖8特征線(xiàn)提取圖9特征線(xiàn)約束

圖10特征面提取1圖11特征面提取2圖12特征面約束1

圖13特征面約束2圖14特征面鏡像圖15重建并再設(shè)計(jì)后的CAD模型

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將逆向工程設(shè)計(jì)軟件UG與現(xiàn)有三維CAD系統(tǒng)相結(jié)合的方法，在UG軟件中完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并提取相關(guān)的特征點(diǎn)、特征線(xiàn)和特征面；將提取的所有特征數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，用不同的曲線(xiàn)去逼近各段數(shù)據(jù)，并對(duì)各段曲線(xiàn)添加約束及尺寸關(guān)系形成一整體截面特征線(xiàn)后，以原型的幾何特征和幾何約束恢復(fù)為目標(biāo)，最終得到一個(gè)優(yōu)化了的UG新模型；使孤立的曲面重建轉(zhuǎn)化后成為一個(gè)整體幾何模型，從而實(shí)現(xiàn)與零件的設(shè)計(jì)意圖相重合，并有效地解決零件在裝配中的對(duì)齊、對(duì)稱(chēng)等造型問(wèn)題，提高了造型質(zhì)量。

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