郭廣鑫，李 澍，郭逸婧，李 莉，王 建，王 哲，侯杰然

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.上海無線電設(shè)備研究所，上海 201109；3.上海神添實(shí)業(yè)有限公司，上海 200090；4.上海目標(biāo)識別與環(huán)境感知工程技術(shù)研究中心，上海 200090）

0 引言

逆向工程是在構(gòu)建汽車、飛機(jī)等數(shù)字樣機(jī)中廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)。在管路逆向工程方面，研究對象主要為汽車排氣岐管[1，2]、航空導(dǎo)管[3]設(shè)計、制造與維修環(huán)節(jié)[4-8]等。在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)涉及的自由曲面擬合、測量點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合算法研究等[9，10]已經(jīng)形成一批研究成果，針對通徑100 mm左右大導(dǎo)管、鑄鐵件等的CATIA曲面整形[11]已經(jīng)投入工程應(yīng)用。針對小通徑航天鋁合金多段彎曲小導(dǎo)管逆向，面向數(shù)字化制造的導(dǎo)管逆向建模方法[12]具有較強(qiáng)的理論可行性，但文獻(xiàn)中僅給出基于CATIA的三維模型逆向重構(gòu)方法，未明確方案與進(jìn)行對比試驗(yàn)。

長征七號火箭作為我國新一代中型運(yùn)載火箭的主力型號之一，以打造數(shù)字火箭為目標(biāo)，在型號研制中廣泛應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，全面提高設(shè)計、制造水平。但在產(chǎn)品全三維下廠中，雖然設(shè)計花費(fèi)了大量時間，將三維管路進(jìn)行了建模和標(biāo)注，但由于車間現(xiàn)有加工能力有限，仍有一部分管路采用了現(xiàn)場取樣方式，由此導(dǎo)致三維模型和實(shí)際產(chǎn)品的不一致。為解決上述問題、確保數(shù)字樣機(jī)的正確性，為后續(xù)模裝干涉檢查及有限元仿真等工作提供可信數(shù)據(jù)支撐，本文重點(diǎn)開展小導(dǎo)管逆向數(shù)字化構(gòu)建及虛擬裝配技術(shù)研究，為運(yùn)載火箭增壓輸送管路三維模型狀態(tài)管控做好技術(shù)儲備。

基于高效、低成本的約束條件，本文在分析逆向工程基本原理的基礎(chǔ)上，在方案設(shè)計之初考慮從試驗(yàn)多方案設(shè)計及可行性驗(yàn)證方面提出了小導(dǎo)管逆向?qū)嵤┓桨福⒃谛乱淮行瓦\(yùn)載火箭長征七號上采用先進(jìn)的逆向建模手段成功實(shí)現(xiàn)了測壓小導(dǎo)管數(shù)字化構(gòu)建與虛擬裝配，有效支撐了產(chǎn)品研發(fā)。

1 逆向工程基本原理

逆向工程是利用三坐標(biāo)測量機(jī)或激光掃描儀對產(chǎn)品進(jìn)行掃描或測量，得到實(shí)物樣品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入軟件進(jìn)行模型重構(gòu)和裝配。主要包括逆向測量、數(shù)據(jù)處理、實(shí)體重建、虛擬裝配等步驟，如圖1所示。

圖1 逆向建模流程圖

逆向測量一般采用非接觸式技術(shù)或接觸式測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)被測物體整體測量數(shù)據(jù)的獲取。逆向建模的基本原理是按點(diǎn)-曲線-曲面原則，以實(shí)物點(diǎn)云作為參照，對樣件進(jìn)行重構(gòu)還原。一般采用專用逆向軟件或?qū)I(yè)CAD軟件，如CATIA、Pro/E等。

為保證逆向建模的效率和精度，設(shè)計合理的逆向建模方案是本文研究的關(guān)鍵。本文提出了兩種方案，并利用小導(dǎo)管樣件對兩種方案進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。以下為具體方案內(nèi)容。

2 小導(dǎo)管逆向構(gòu)建與虛擬裝配方案

小導(dǎo)管逆向構(gòu)建與裝配方案有兩種：

（1）專用設(shè)備+關(guān)鍵特征擬合：基于專用的彎管類零件測量設(shè)備，獲取管件中心軸的空間走向曲線，結(jié)合游標(biāo)卡尺等工具測量獲得的管件直徑，通過掃掠建立管件模型，最終與兩端的標(biāo)準(zhǔn)連接件裝配，形成完整的管件三維實(shí)體模型。

（2）三維掃描+曲面擬合：基于三維激光掃描與曲面擬合逆向建模方法，獲取管件外表面的曲面造型，最終還原為管件的三維實(shí)體零件圖。

為了選取專門針對管路的、效率更高、成本更低的方案，本文對上述兩種逆向建模方法進(jìn)行對比試驗(yàn)。

3 小導(dǎo)管逆向工程試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)對象

選取新一代運(yùn)載火箭工程研制現(xiàn)場取樣獲得的燃箱測壓小導(dǎo)管作為本文的試驗(yàn)管件。

圖2 煤油測壓小導(dǎo)管

開展上述兩種逆向建模方法的對比試驗(yàn)：

3.2 方案一：彎管零件測量設(shè)備+CATIA

3.2.1 設(shè)備概述

關(guān)節(jié)臂測量機(jī)體積小、重量輕、移動方便；測量范圍大、死角少，對被測量零件本身材質(zhì)無要求；可做在線檢測，適合車間使用；具有觸發(fā)式測頭，紅外線測頭，激光測頭等多種測頭，適于針對異型管與不規(guī)則曲面尺寸做全面的對比分析及逆向工程數(shù)據(jù)反求。

管件測量系統(tǒng)提供了獨(dú)特的檢測手段，可以檢測管件長度、形狀、位置、彎曲半徑、彎曲修正數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)以多種方式輸出。

圖3 關(guān)節(jié)臂測量機(jī)與管件測量系統(tǒng)

基于上述設(shè)備的特點(diǎn)，本文采用了在關(guān)節(jié)臂測量機(jī)上加裝專業(yè)的管件測量系統(tǒng)（見圖3），通過獲取管件中心軸的空間走向曲線，結(jié)合游標(biāo)卡尺等工具測量獲得的管件直徑，掃掠建立管件模型，最終與兩端的標(biāo)準(zhǔn)連接件裝配，形成完整的管件三維實(shí)體模型，如圖4所示。

圖4 管件測量數(shù)據(jù)示意圖

3.2.2 建模流程

利用管件軸線結(jié)合卡尺測量的基本流程如圖5所示。通過管件測量系統(tǒng)獲得軸線的空間走向曲線，再以建立的圓端面沿軸線掃掠建模。該方法簡易、高效、精確。

圖5 管件軸線測量與端面掃掠逆向建模流程

3.2.3 建模與裝配過程簡介

通過關(guān)節(jié)臂與管件測量系統(tǒng)進(jìn)行檢測，經(jīng)軟件處理后獲得管件的軸線空間走向曲線。再在管的一端建立與曲線垂直的平面，并在平面上繪制管的內(nèi)外徑（經(jīng)測量樣管的外徑為6.00 mm），最后使所繪制的輪廓曲線圖沿掃描得到的中心線進(jìn)行實(shí)體掃掠得到實(shí)體模型，具體過程如圖6–圖8所示。

圖6 管中心走向曲線

圖7 管截面輪廓曲線

圖8 掃掠得到的管三維模型

由于樣管上的螺母和接頭都是標(biāo)準(zhǔn)件，所以在構(gòu)建完成小導(dǎo)管的模型后只需與相應(yīng)代號的連接件組裝即可獲得管件的完整三維模型，如圖9所示。

圖9 完整的管裝配圖

3.3 方案二：激光掃描儀+RapidForm

3.3.1 設(shè)備概述

手持式激光掃描儀（圖10）工作原理是通過轉(zhuǎn)動裝置的掃描運(yùn)動，完成對物體的全方位掃描，接著進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，通過一系列去除野點(diǎn)、離散稀疏等處理獲取目標(biāo)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因目標(biāo)物體為高反光物體，在管件表面噴涂顯像劑（圖11），并在表面粘貼設(shè)置了一系列標(biāo)記點(diǎn)用來完成產(chǎn)品空間定位。

圖10 手持式激光掃描儀

圖11 顯像劑

3.3.2 掃描流程

基本流程如圖12–圖14所示。通過正面掃描，反面掃描，整體掃描，把正反面的數(shù)據(jù)拼接到整體數(shù)據(jù)中形成完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為了保證拼接的準(zhǔn)確性，在被測物體上設(shè)置定位標(biāo)定點(diǎn)，利用軟件對標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行識別，掃描過程中軟件自動跟蹤標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行擬合拼接，通過多次掃描擬合拼接，形成最終的結(jié)果點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖12 正面掃描

圖13 整體掃描

圖14 數(shù)據(jù)拼接

3.3.3 建模及裝配過程簡介

通過掃描儀進(jìn)行檢測，經(jīng)軟件自動擬合生成管徑，導(dǎo)出STP格式并導(dǎo)入Creo1.0（ProE4.0系統(tǒng)也適用），利用自由曲線命令捕捉導(dǎo)入?yún)⒖季€，獲得管件的軸線空間走向曲線。再在管的一端建立與曲線垂直的平面，并在平面上繪制管的內(nèi)外徑（經(jīng)測量樣管的外經(jīng)為6.00 mm）。最后使所繪制的輪廓曲線圖沿掃描得到的中心線進(jìn)行實(shí)體掃掠得到實(shí)體模型，具體過程見圖15–圖18。

圖15 自動擬合生成管徑

圖16 導(dǎo)出STP格式文件

圖17 導(dǎo)入Creo1.0生成中心軸曲線

圖18 掃掠生成管路實(shí)體模型

經(jīng)軟件處理后獲得管件軸線的空間走向曲線，再以建立的圓端面沿軸線掃掠建模。同樣，由于樣管上的螺母和接頭都是標(biāo)準(zhǔn)件，在構(gòu)建完成小導(dǎo)管的模型后與相應(yīng)代號的連接件組裝即可建立管件的完整三維模型。

上述兩種方法不僅簡易、高效、精確，且實(shí)施簡單可行。試驗(yàn)表明，逆向建模偏差不超過0.1 mm，均滿足小導(dǎo)管數(shù)字樣機(jī)建模精度要求。相比而言，前者適用于空間較開敞的操作環(huán)境或固定工位，以便放置體積較大的關(guān)節(jié)臂測量機(jī)與管件測量系統(tǒng)；后者則攜帶方便，對空間要求相對較低，允許在狹小和窄環(huán)境中實(shí)施。同時，兩者都需要開展大量的設(shè)備啟動、精度校準(zhǔn)等前期準(zhǔn)備及數(shù)據(jù)后處理工作。

4 結(jié)束語

利用逆向工程技術(shù)已經(jīng)在汽車、航空、航天、電子等很多領(lǐng)域得到了充分地成功應(yīng)用。本文提出的小導(dǎo)管逆向構(gòu)建與裝配實(shí)施兩種方案，均能支持新一代中型火箭增壓輸送系統(tǒng)三維模型更新，不僅速度快、效率高，且能進(jìn)一步推廣應(yīng)用到其他的航天型號產(chǎn)品。逆向建模技術(shù)在小導(dǎo)管數(shù)字化構(gòu)建與虛擬裝配上的成功實(shí)施，證明了逆向工程方法的可行性，不僅能確保數(shù)字化設(shè)計與裝配的正確性，也能為管路局部改裝驗(yàn)證提供了很好的技術(shù)手段，有效支持設(shè)計與生產(chǎn)，為型號研制帶來可觀的效率。