孫瑩 邱陽(yáng) 李有利

基金項(xiàng)目：本文系內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（基金項(xiàng)目：基于逆向工程的某重型卡車(chē)驅(qū)動(dòng)橋主減速器殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，項(xiàng)目編號(hào)：NJZY21103）。

作者簡(jiǎn)介：孫瑩（1984—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及機(jī)械CAD/CAM。摘 ?要：本項(xiàng)目旨在對(duì)某重型卡車(chē)后驅(qū)動(dòng)橋主減速器殼體進(jìn)行輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)，在缺乏原始數(shù)據(jù)的情況下，首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理。本文在簡(jiǎn)述了數(shù)據(jù)采集的原理及對(duì)比各種采集方式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于逆向工程流程，運(yùn)用逆向掃描設(shè)備得到了該殼體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，繼而利用Geomagic Wrap軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理。運(yùn)用該方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理可顯著提高工作效率，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，也為其他類(lèi)似殼體零件的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：逆向工程;復(fù)雜殼體;數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)處理

中圖分類(lèi)號(hào)： ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Data Acquisition and Data Processing of Complex Housing?Parts Based on Reverse Engineering

SUN Ying1 ??QIU Yang2??LI Youli2

（1.School of Mechanical Engineering， Baotou Vocational & Technical College， Baotou， Inner Mongolia Autonomous Region， 014030 China;?2.Baotou Beiben Heavy Truck Axle & Transmission Co.， Ltd.， Baotou， Inner Mongolia Autonomous Region， 014030 China）

Abstract： ?This project aims to improve the lightweight design of the main reducer housing of the rear drive axle of a heavy truck. In the absence of raw data， data acquisition and data processing are first required. On the basis of briefly describing the principle of data acquisition and comparing the characteristics of various acquisition methods， based on the reverse engineering process， the point cloud data of the housing is obtained by using the reverse scanning equipment， and then the data is processed by using Geomagic Wrap software. Using this method to collect and process data can significantly improve work efficiency， shorten product development cycle， and also provide a reference for data collection and data processing of other similar housing parts.

Key Words： Reverse engineering; Complex housing; Data acquisition; Data processing

1研究背景

由于該產(chǎn)品沒(méi)有原始數(shù)據(jù)，要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，首先需要獲取產(chǎn)品點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行模型重構(gòu)和再設(shè)計(jì)^[3]。不同的測(cè)量方式有著不同的效果，點(diǎn)云精度也存在差異，后期處理難度和逆向后數(shù)據(jù)的精度也會(huì)受到不同程度的影響，因此數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)至關(guān)重要。

2數(shù)據(jù)采集原理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取方法主要有接觸式和非接觸式兩類(lèi)。接觸式根據(jù)測(cè)頭類(lèi)型的不同分為觸發(fā)式和連續(xù)掃描式;非接觸式根據(jù)工作原理不同可分為光學(xué)式（包括激光三角測(cè)距法、結(jié)構(gòu)光學(xué)法、激光干涉測(cè)量法、圖像分析法）和非光學(xué)式（包括CT測(cè)量法、MRI測(cè)量法、逐層切削掃描法、超聲波測(cè)量法）。常用的數(shù)據(jù)采集方法特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

3掃描方法的選擇

該殼體零件為鑄造件，多數(shù)特征由鑄造成型，部分特征再次加工后成型。殼體表面多為不規(guī)則幾何形狀，其外表面有與小齒輪殼的連接面和一系列加強(qiáng)散熱筋以及沉頭孔等特征，內(nèi)表面方向有兩個(gè)與輪間差速器軸承連接的軸承安裝座孔和與橋殼連接的連接面及連接孔，具體特征布置如圖1所示，由于該零件細(xì)節(jié)較多、曲面形狀較復(fù)雜，故選擇非接觸式形創(chuàng)handscan700手持式激光掃描儀。

圖1 ?某重型卡車(chē)后驅(qū)動(dòng)橋主減速器殼體

該掃描儀的精度為0.030mm，分辨率為0.050，具有極高的可重復(fù)性和可追蹤性，無(wú)須固定安裝，可以在掃描期間按需要移動(dòng)物體，無(wú)須配備外部跟蹤或定位設(shè)備，校準(zhǔn)方便，測(cè)量速率可達(dá)480?000次/s，且能自動(dòng)網(wǎng)格輸出，采集完成之后即可將掃描文件導(dǎo)入至RE/CAD軟件，無(wú)須執(zhí)行復(fù)雜的對(duì)齊等點(diǎn)云預(yù)處理過(guò)程。

4數(shù)據(jù)采集

4.1 制定掃描策略

該殼體零件為深灰色鑄鐵件，外形尺寸約為（540×354×286）mm，細(xì)節(jié)特征較多，掃描時(shí)要保留產(chǎn)品原有細(xì)節(jié)特征，盡量避免數(shù)據(jù)丟失或損壞，因此采取整體掃描方案。由于表面經(jīng)過(guò)噴漆處理，掃描時(shí)會(huì)出現(xiàn)反光，故需對(duì)零件表面進(jìn)行噴粉處理。由于零件內(nèi)外表面均不規(guī)則、不對(duì)稱(chēng)，需要經(jīng)過(guò)多角度、多范圍的多次掃描，故需要在零件表面粘貼標(biāo)志點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)多次掃描數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)一。

4.2 準(zhǔn)備掃描設(shè)備

（1）完成三維掃描儀各個(gè)部件的組裝，保證掃描主機(jī)、電源線(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)、移動(dòng)工作站各個(gè)部件連接牢固，通信正常。

（2）進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定，本設(shè)備標(biāo)定方法簡(jiǎn)單，如圖2所示，打開(kāi)標(biāo)定板，上下、前后、左右移動(dòng)掃描，調(diào)節(jié)掃描距離和掃描儀角度使藍(lán)色圓和綠色圓重合，且周?chē)闹甘揪€(xiàn)在綠色范圍內(nèi)，系統(tǒng)即會(huì)提示“掃描儀校準(zhǔn)已優(yōu)化”。

（3）設(shè)置掃描分辨率、曝光時(shí)間、激光功率、光源形式等參數(shù)。選擇合理的參數(shù)，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性，為后期處理減少工作量。

4.3 噴涂顯像劑

由于該殼體零件表面進(jìn)行了噴漆處理且顏色較深，掃描時(shí)會(huì)反光，故需要在零件表面噴涂一層顯像劑。噴粉時(shí)，顯像劑噴嘴與零件之間保持大致30cm的距離，在滿(mǎn)足掃描要求的前提下盡可能薄且均勻，顯像劑噴涂過(guò)多，不僅會(huì)在零件表面形成留痕，更會(huì)使零件厚度增加，影響掃描精度。

4.4 粘貼標(biāo)志點(diǎn)

為了實(shí)現(xiàn)多次掃描數(shù)據(jù)的坐標(biāo)統(tǒng)一，需要在零件表面粘貼標(biāo)志點(diǎn)。標(biāo)志點(diǎn)粘貼時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。（1）標(biāo)志點(diǎn)不要粘貼在一條直線(xiàn)上，也不要對(duì)稱(chēng)粘貼。（2）過(guò)渡區(qū)公共標(biāo)志點(diǎn)數(shù)量至少為4個(gè)，考慮到拍攝角度、掃描圖像質(zhì)量等原因5～7個(gè)最好。（3）標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)使相機(jī)在盡可能多的角度可以同時(shí)看到。（4）粘貼標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)選擇面積較大且曲率較小的曲面，盡量遠(yuǎn)離邊緣。（5）標(biāo)志點(diǎn)不能太密，也不能太稀^[4]。太密，會(huì)因?yàn)檐浖?jì)算填補(bǔ)無(wú)法還原真實(shí)狀態(tài)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確;太稀，會(huì)影響數(shù)據(jù)采集的連貫性，掃描會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)卡頓，標(biāo)記點(diǎn)無(wú)法抓取。該殼體零件噴粉及標(biāo)志點(diǎn)粘貼后如圖3所示。

4.5 零件掃描

掃描時(shí)手持激光掃描儀距離零件大約20cm為宜，應(yīng)隨時(shí)觀察距離指示燈并進(jìn)行調(diào)整，先掃描外表面，然后翻轉(zhuǎn)零件掃描內(nèi)表面，由于粘貼了標(biāo)識(shí)點(diǎn)，所以參照物與零件相關(guān)聯(lián)，掃描過(guò)程中是可以移動(dòng)零件的^[5]。掃描的同時(shí)要注意觀察電腦中采集到的數(shù)據(jù)是否完整，如有缺失，可以重復(fù)和多角度地掃描以達(dá)到較好的掃描效果，如確實(shí)掃描不到，應(yīng)首先保證采集到關(guān)鍵數(shù)據(jù)，方便逆向建模時(shí)進(jìn)行特征擬合。

5數(shù)據(jù)處理

采集完成后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含一些掃描物體之外的雜點(diǎn)，粘貼標(biāo)志點(diǎn)的位置會(huì)形成孔洞，邊緣部分也會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，因此需要應(yīng)用Geomagic Wrap軟件將掃描雜點(diǎn)去除，并且填充孔洞，從而形成封閉完整的零件數(shù)據(jù)。

由于形創(chuàng)handscan700手持式激光掃描儀具有自動(dòng)網(wǎng)格輸出功能，故無(wú)須進(jìn)行點(diǎn)云的預(yù)處理階段，而直接進(jìn)入多邊形處理階段，降低了數(shù)據(jù)處理的難度，提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

5.1 孔洞填充及破面修補(bǔ)

由于該殼體零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)部有遮擋、存在深孔且表面貼有標(biāo)志點(diǎn)等，導(dǎo)致封裝后的三角面片產(chǎn)生了大量破面或孔^[6]，因此需用“填充孔”命令來(lái)進(jìn)行修補(bǔ)?！疤畛鋯蝹€(gè)孔”下共有6種填充方式，分別是曲率、平面、切線(xiàn)、內(nèi)部孔、邊界孔以及搭橋。對(duì)于有曲率的孔洞，采用“曲率+內(nèi)部孔”的方式修補(bǔ);對(duì)曲率較小的孔洞，采用“平面+內(nèi)部孔”的方式;對(duì)于邊緣數(shù)據(jù)的缺失，采用“曲率+邊界孔”的方式;對(duì)于缺失較大的孔洞，應(yīng)先進(jìn)行“搭橋”，在劃分區(qū)域之后，再選擇合適的方式補(bǔ)洞。

5.2 應(yīng)用網(wǎng)格醫(yī)生

網(wǎng)格醫(yī)生的作用是自動(dòng)檢測(cè)并修復(fù)多邊形網(wǎng)格的各種缺陷^[7]。在符合規(guī)則的狀態(tài)下，進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)、刪除釘狀物、清除多余數(shù)據(jù)、去除多余特征、填補(bǔ)孔。單擊“應(yīng)用”按鈕，有問(wèn)題的部分以紅色顯示，然后點(diǎn)擊“確定”，軟件就會(huì)自動(dòng)修復(fù)。

5.3 平滑曲面

平滑曲面主要用于對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行平滑操作，消除尖角，使表面更加光順，從而為逆向設(shè)計(jì)提供更為精確的數(shù)據(jù)?！捌交敝饕兴沙?、刪除釘狀物、較少噪音、快速光順、砂紙等命令，常用的有松弛、光順和砂紙。數(shù)據(jù)處理前后的殼體零件如圖4所示。

6結(jié)語(yǔ)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理是逆向工程的基礎(chǔ)，也是本項(xiàng)目零件某重型卡車(chē)后驅(qū)動(dòng)橋主減速器殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)的第一步。本案例采用了形創(chuàng)handscan700手持式激光掃描儀，首先進(jìn)行了設(shè)備的標(biāo)定與參數(shù)設(shè)置，并對(duì)掃描零件進(jìn)行噴涂顯像劑和粘貼標(biāo)志點(diǎn)，而后通過(guò)掃描零件采集數(shù)據(jù)，并應(yīng)用Geomagic Wrap軟件對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行了孔洞填補(bǔ)、網(wǎng)格醫(yī)生和平滑曲面等處理，最終得到了細(xì)節(jié)完整、表面平滑、質(zhì)量較高的零件多邊形數(shù)據(jù)，為該零件后續(xù)的逆向建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，這也為其他類(lèi)似殼體零件的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)