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        基于逆向工程技術(shù)的消防分水器設(shè)計(jì)與研究

        2022-09-22 03:38:08陳周五
        關(guān)鍵詞:分水器逆向重構(gòu)

        陳周五

        (安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230051)

        0 引言

        逆向工程技術(shù)是一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)反求的過程,是以現(xiàn)有產(chǎn)品為模型,利用測量設(shè)備獲取產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù),進(jìn)而重構(gòu)該產(chǎn)品CAD模型的一種設(shè)計(jì)方法[1]?,F(xiàn)有某企業(yè)消防分水器,產(chǎn)品原始技術(shù)資料丟失,需對該產(chǎn)品進(jìn)行重構(gòu)CAD模型,改進(jìn)其結(jié)構(gòu)以滿足更高的水壓要求。

        1 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

        獲得原始產(chǎn)品表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)是進(jìn)行產(chǎn)品逆向工程設(shè)計(jì)的前提。點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以通過采集設(shè)備獲得,為了滿足不同的采集需求,采集設(shè)備分為接觸式與非接觸式。在此次研究過程中,采用非接觸式的三維激光掃描采集設(shè)備,此設(shè)備具有操作靈活、測量精度高的優(yōu)點(diǎn),可以精確獲取原始產(chǎn)品表面各離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)、大小和法向量等物理參數(shù)。

        本文利用實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有的北京三維天下科技有限公司開發(fā)的Win3DD三維掃描儀來獲取消防分水器的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。消防分水器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過程如下。

        1)標(biāo)定。借助標(biāo)定設(shè)備,按照給定的方式獲取掃描頭最佳的采集范圍,從而得到高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間三維坐標(biāo)[2-4]。標(biāo)定精度越高,掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度越高,該款掃描儀標(biāo)定平均誤差0.1 mm以下即可采集數(shù)據(jù),該產(chǎn)品標(biāo)記點(diǎn)粘貼及表面處理的最終效果如圖1所示。

        圖1 標(biāo)記點(diǎn)粘貼及表面處理

        2)掃描策略。為了采集高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù),在采集數(shù)據(jù)之前主要從標(biāo)記點(diǎn)的粘貼、產(chǎn)品表面處理、掃描策略等方面進(jìn)行分析。

        該款消防分水器整體結(jié)構(gòu)較大,需要進(jìn)行多次多視角的測量,在合適位置粘貼若干標(biāo)記點(diǎn),通過標(biāo)記點(diǎn)位置將多視角測量數(shù)據(jù)自動拼接進(jìn)而轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下,以獲得完整的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。亞光白色產(chǎn)品的表面數(shù)據(jù)采集效果最為理想。該款消防分水器材質(zhì)為鑄鋁材料,表面顆粒感較強(qiáng),在進(jìn)行產(chǎn)品表面數(shù)據(jù)采集時(shí),容易因表面反光、材質(zhì)等問題導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)中存在噪聲,使采集數(shù)據(jù)質(zhì)量變差。因此,在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集前,需要在產(chǎn)品表面噴涂一層薄薄的白色顯像劑。掃描策略有:手動拼接、標(biāo)記點(diǎn)拼接以及轉(zhuǎn)盤掃描拼接。由于該產(chǎn)品整體為左右、上下對稱的結(jié)構(gòu),上下表面的過渡面較大,在掃描過程中配合轉(zhuǎn)盤掃描,便于實(shí)現(xiàn)上下表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接,以獲得該產(chǎn)品完整表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

        2 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

        原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是進(jìn)行產(chǎn)品逆向工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),由于掃描儀設(shè)備導(dǎo)致的精度誤差、周圍環(huán)境導(dǎo)致的采集誤差、采集人員的操作誤差和策略誤差等,采集到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在大量的冗余點(diǎn)、噪聲點(diǎn)、孤點(diǎn)等無用點(diǎn)云數(shù)據(jù),這些無用點(diǎn)云數(shù)據(jù)對產(chǎn)品的逆向建模帶來很大影響,直接影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最終質(zhì)量。因此,需要對無用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,修補(bǔ)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺陷,以滿足逆向建模質(zhì)量需求。

        利用Wrap軟件進(jìn)行原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的基本流程為:

        1)點(diǎn)對象處理。主要處理原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中大量的冗余點(diǎn)、噪聲點(diǎn)、孤點(diǎn)等無用點(diǎn)云,并將有用點(diǎn)云數(shù)據(jù)移至0.05 mm的偏差范圍內(nèi),以彌補(bǔ)掃描設(shè)備的誤差,使點(diǎn)云數(shù)據(jù)排列更加平滑。通過“非連接項(xiàng)”“體外孤點(diǎn)”“減少噪音”等操作命令,完成該產(chǎn)品原始點(diǎn)對象的處理,最終的處理效果如圖2所示。

        圖2 點(diǎn)對象處理最終效果

        2)多邊形對象處理。處理完成后的點(diǎn)對象經(jīng)過“封裝”處理后轉(zhuǎn)變?yōu)槿敲嫫瑪?shù)據(jù),進(jìn)而可直接轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差,生成的三角面片數(shù)據(jù)仍然存在釘狀物、高度折射邊、自相交、小組件、非流形邊等缺陷,需要通過“刪除釘狀物”“填充孔”“網(wǎng)格醫(yī)生”“減少噪音”等操作命令,對三角面片進(jìn)行修補(bǔ)。三角面片的表面平滑度還可以通過“去除特征”命令進(jìn)行處理,進(jìn)一步減小三角面片表面誤差,提高產(chǎn)品逆向建模的表面質(zhì)量。該消防分水器經(jīng)多邊形對象處理后的最終效果如圖3所示。

        圖3 多邊形對象處理最終效果

        3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向建模

        點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向建模是消防分水器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟,根據(jù)上述獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品表面曲線與曲面的重構(gòu),最終得到產(chǎn)品重構(gòu)后的CAD模型。該CAD模型既要能夠反映產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)思路,又要滿足產(chǎn)品精度和表面光順度等要求。

        此次研究采用Geomagic Design X進(jìn)行逆向建模設(shè)計(jì),該軟件可以直接利用采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行CAD模型的3D逆向創(chuàng)建。逆向建模的基本流程為:

        1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系擺正。導(dǎo)入Design X軟件中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與系統(tǒng)坐標(biāo)系存在不統(tǒng)一的問題,一方面不方便后續(xù)的產(chǎn)品逆向重構(gòu),導(dǎo)致與其他CAD軟件不能實(shí)現(xiàn)有效銜接;另一方面也不符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)或制造的要求,無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)。該消防分水器整體結(jié)構(gòu)呈左右、上下對稱,在對齊點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系時(shí),將相應(yīng)對稱面位置選作基準(zhǔn)面,利用“手動對齊”功能將該產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)擺正。

        2)產(chǎn)品重構(gòu)。Design X軟件既可以按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路重構(gòu)CAD模型,也可利用“自動曲面創(chuàng)建”功能實(shí)現(xiàn)CAD模型重構(gòu)?!白詣忧鎰?chuàng)建”功能對原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求比較高,但CAD模型的重構(gòu)效率也較高,適合用于對產(chǎn)品精度要求不高的非機(jī)械類產(chǎn)品。該消防分水器是典型的機(jī)械類產(chǎn)品,尤其是對內(nèi)表面質(zhì)量要求較高,因此按照以下步驟進(jìn)行模型重構(gòu):

        第1步,逆向重構(gòu)應(yīng)還原產(chǎn)品原始設(shè)計(jì)思路,以免影響產(chǎn)品的最終再現(xiàn)效果;第2步,該消防分水器是對稱類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,在重構(gòu)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格保證最終的對稱效果;第3步,在逆向建模過程中,可利用“體偏差”功能,實(shí)時(shí)關(guān)注CAD模型與原始點(diǎn)云的誤差情況,進(jìn)而調(diào)整相關(guān)參數(shù),以滿足逆向設(shè)計(jì)要求。

        該消防分水器重構(gòu)CAD模型的最終效果如圖4所示。

        圖4 重構(gòu)CAD模型效果

        4 CAD模型質(zhì)量分析

        CAD模型質(zhì)量分析是進(jìn)行產(chǎn)品逆向工程設(shè)計(jì)的保障。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)的CAD模型,由于建模方法存在尺寸誤差和精度誤差,會造成建模數(shù)據(jù)與產(chǎn)品的實(shí)際數(shù)據(jù)間存在些許誤差。為了提高逆向建模質(zhì)量,需要獲取CAD模型與原始產(chǎn)品的各項(xiàng)誤差數(shù)據(jù),因此需要對重構(gòu)CAD模型與產(chǎn)品原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測,并對檢測數(shù)據(jù)加以分析。

        Geomagic Control軟件是一款功能強(qiáng)大并且非常專業(yè)的三維檢測工具軟件,可實(shí)現(xiàn)快速檢測重構(gòu)CAD模型與產(chǎn)品原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)、產(chǎn)品制造件之間的差異,進(jìn)而降低整個(gè)設(shè)計(jì)流程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。利用Geomagic Control軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測的基本流程為:

        1)數(shù)據(jù)對齊。將重構(gòu)CAD模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Control軟件,通過各種“對齊”操作方式將CAD模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)完全對齊,實(shí)現(xiàn)后續(xù)各種檢測數(shù)據(jù)的采集和分析。

        2)質(zhì)量分析。將重構(gòu)CAD模型設(shè)置為測試數(shù)據(jù),原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)設(shè)置為參考數(shù)據(jù),通過3D比較、2D比較、評估壁厚、2D尺寸分析等方法獲取重構(gòu)CAD模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的各項(xiàng)誤差信息,進(jìn)而對重構(gòu)CAD模型進(jìn)行評估和完善。

        該消防分水器重構(gòu)CAD模型關(guān)鍵部分為3個(gè)管道及其連接部分,選取該消防分水器表面的若干關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析,關(guān)鍵點(diǎn)位的偏差統(tǒng)計(jì)如表1所列。從表1可看出,重構(gòu)CAD模型在3個(gè)管道及其連接部位處的誤差控制在±0.1 mm范圍內(nèi),基本符合精度要求。

        表1 3D表面關(guān)鍵點(diǎn)位偏差統(tǒng)計(jì) mm

        選取該消防分水器2個(gè)對稱平面做2D尺寸分析,通過測量得到外側(cè)管道軸線角度、管道外徑、管道內(nèi)徑、管道壁厚等數(shù)據(jù),具體數(shù)據(jù)如表2所列。

        表2 關(guān)鍵點(diǎn)位2D尺寸偏差統(tǒng)計(jì)

        本文設(shè)定公差為0.2 mm,上偏差為0.1 mm,下偏差為-0.1 mm。從表2可以看出,外側(cè)兩管道軸線夾角、管道壁厚、管道外徑的尺寸偏差滿足精度要求,管道內(nèi)壁直徑超出設(shè)定公差范圍,其原因?yàn)閮?nèi)孔表面的數(shù)據(jù)采集難度較大,導(dǎo)致尺寸誤差增大。

        5 結(jié)論

        本文利用逆向工程技術(shù),生成該消防分水器3D模型文件,通過3D模型文件形成產(chǎn)品2D文件,進(jìn)而形成產(chǎn)品的原始文件資料。形成產(chǎn)品的技術(shù)要求:鑄件表面不允許有裂紋、毛刺、飛邊和穿透性冷隔;未注公差,鑄造按10級、機(jī)加工按8級;未注明鑄造圓角設(shè)為2 mm;公制螺紋按《螺紋》GB 192~197—63中規(guī)定的三級精度制造。對該CAD模型進(jìn)行質(zhì)量分析時(shí),部分點(diǎn)位誤差較大,但關(guān)鍵點(diǎn)位的精度符合質(zhì)量要求,從而保證該產(chǎn)品整體符合質(zhì)量要求。誤差偏大原因可能是:由于該產(chǎn)品是結(jié)構(gòu)對稱類零件,因此在采集產(chǎn)品原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)著重采集對稱面一側(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù),沒有采集對稱面另一側(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù),導(dǎo)致CAD模型重構(gòu)時(shí),另一側(cè)部分點(diǎn)位誤差較大;該產(chǎn)品的管道內(nèi)孔較深,內(nèi)孔表面數(shù)據(jù)采集困難;在采集原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中人為因素導(dǎo)致誤差。通過對消防分水器原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向建模等流程,實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品CAD模型重構(gòu),這對缺少原始技術(shù)資料的產(chǎn)品或者非規(guī)則曲面類產(chǎn)品的重構(gòu)具有指導(dǎo)意義。

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