魏雙羽，劉凱

上海第二工業(yè)大學(xué)智能制造與控制工程學(xué)院

1 引言

逆向工程RE(Reverse Engineering)采用數(shù)字化點云掃描技術(shù)對目標對象型面進行離散點數(shù)據(jù)采集，數(shù)值擬合后建立目標型面對應(yīng)的CAD模型。利用該模型可以開展機械加工、裝配、修配以及測量等不同生產(chǎn)制造活動。由于RE方法具有零件模型反求速度快、方便和成本小等優(yōu)點，在汽車、模具和機械裝備維修等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

RE方法與傳統(tǒng)的順序制造有較大的不同。順序制造的起源是CAD模型，后續(xù)的制造、檢測和裝配等活動均以CAD模型為基準，沒有其他人為誤差的輸入；RE的起源則是實物零件，在進行測繪反求時會受到零件表面質(zhì)量問題(如粗糙度、劃痕和污漬等)、制造誤差(如關(guān)鍵尺寸和誤差等)以及測量誤差(如測量系統(tǒng)誤差、測量環(huán)境影響)等諸多外在因素的影響，因此，反向推導(dǎo)出具有較高精度的CAD模型是這個領(lǐng)域的技術(shù)難點，如果RE設(shè)計的CAD有缺陷，會影響后續(xù)的設(shè)計、制造、檢測和裝配等環(huán)節(jié)質(zhì)量。

由上述研究可以看出，大多數(shù)研究都采用Geomagic Qualify、CREO等軟件對RE模型進行質(zhì)量/精度分析，分析結(jié)果僅限于擬合型面與點云數(shù)據(jù)的偏差，沒有涉及對關(guān)鍵幾何要素及其尺寸公差約束的驗證。本文以復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計為研究對象，基于Geomagic Studio軟件進行RE模型重建，利用三坐標CMM測量規(guī)劃軟件，采用對關(guān)鍵幾何元素進行離線檢測和驗證相結(jié)合的方法可以提前發(fā)現(xiàn)擬合關(guān)鍵幾何要素尺寸公差約束不合理的情況，提高了逆向設(shè)計模型質(zhì)量，避免由此造成的經(jīng)濟損失。

2 RE設(shè)計流程及其與CMM集成

RE方法主要針對無技術(shù)資料情況下的改進設(shè)計以及產(chǎn)品破損零部件維護等。改進RE方法與幾何檢測驗證集成主要包括以下四個方面：建立點云模型；對點云模型降噪等處理；在CAD軟件中進行型面布爾合并生成CAD模型；在CMM檢測軟件中對重要幾何要素進行檢測并生成DMIS測量程序(見圖1)。

2.1 點云數(shù)據(jù)采集

根據(jù)RE對象和技術(shù)要求，合理選擇采集點云數(shù)據(jù)的硬件和軟件系統(tǒng)。對于幾何精度較高的曲面，如高精度渦輪葉片、模具及珠寶等應(yīng)用場景，通過在精密CMM設(shè)備上安裝高精度點漫射光學(xué)錐光全息傳感器(如亞微米級的以色列OPTIMET傳感器)，使CMM帶動測量傳感器運動，從而創(chuàng)建高精度點云數(shù)據(jù)。相關(guān)流程與方法如圖1所示。

圖1 RE逆向設(shè)計與幾何檢測驗證集成

對于精度要求一般的應(yīng)用場合，可以將線掃描光學(xué)傳感器安裝在機床、CMM或其他機械運動部件上，直接完成對目標對象的點云數(shù)據(jù)采集。如果目標對象面積較大(如汽車車門、引擎蓋等覆蓋件)，則可以采用摩爾等高線、工業(yè)CT和切層法等三維激光掃描系統(tǒng)(如加拿大CREAFORM設(shè)備)，快速建立網(wǎng)格化點云數(shù)據(jù)。

2.2 點云數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)處理主要包括測量點降噪、封裝邊界、多邊形邊界處理以及幾何形狀處理等。其中，降噪主要是手動刪除多余點、體外孤點以及尺寸范圍外點等，以降低因點過大而給后續(xù)運算造成的大負荷；封裝邊界是對目標區(qū)域進行網(wǎng)格逼近(通向最終的CAD模型)，此時可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)拼接錯誤，造成型面縫隙等，可以在多邊形邊界處理環(huán)節(jié)解決，如填充由于掃描數(shù)據(jù)不足造成的空孔、去除不合理的特征、平滑多邊形區(qū)域型面以及銳化多邊形邊界等操作；在幾何形狀處理環(huán)節(jié)，通過曲率探測將型面劃分為多個特性相近的面片，并生成輪廓線，進而構(gòu)造曲面和柵格，如利用NURBS對象創(chuàng)建功能，將柵格面片擬合為NURBS對象。

2.3 建立CAD模型

在三維CAD軟件中導(dǎo)入處理好的點云數(shù)據(jù)，運用布爾運算將處理好的面片進行合并、延展、過渡、相交、裁剪、縫合和倒角等處理，建立沒有破口/縫隙的三維CAD模型。其中，三維CAD將對平面和二次曲面(如圓柱、柱和球等)進行再處理，以降低NURBS曲面的數(shù)量。在三維CAD或Geomagic等軟件中，分析點云數(shù)據(jù)與擬合的CAD模型型面之間誤差，對于較大的偏差，需要重復(fù)點云數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)處理和CAD模型建立等步驟。但是，對于關(guān)鍵幾何尺寸要素及其形位公差，如孔軸線與平面垂直、孔軸線間平行要求等，則利用上述方法無法判斷，還需在下一步的CMM檢測驗證中解決。

2.4 關(guān)鍵幾何要素檢測與CAD模型改進

在CMM軟件中導(dǎo)入建好的CAD模型，提取關(guān)鍵幾何要素(例如具有裝配關(guān)系且有形位公差約束的幾何對象)進行CAD模型可用性檢測。如果發(fā)現(xiàn)這些關(guān)鍵幾何要素間的形位公差存在不合理的情況，則返回到2.2和2.3節(jié)對點云數(shù)據(jù)、CAD模型進行再處理；如果關(guān)鍵幾何要素檢測合格，則可進行離線測量方案進行規(guī)劃，并建立如圖2所示的CMM測量方案DMIS程序。

（4）將第（1）—（3）步產(chǎn)生的數(shù)值作為SHA-256(SHA-256())算法的輸入，得到一個256 bit的二進制數(shù)，并檢查這個數(shù)是否符合PoW機制的要求；

圖2 基于CMM的關(guān)鍵幾何要素檢測流程

3 實例驗證

選擇二輪車發(fā)動機右箱體零件(見圖3)為例，說明這類復(fù)雜型面零件的RE逆向設(shè)計與檢測驗證集成方法。

圖3 典型的二輪車發(fā)動機右箱體零件

3.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)零件及其技術(shù)要求，選擇CREAFORM公司(加拿大)的精密型手持式自定位三維激光掃描儀及配套的Vxelements-3軟件(見圖4)采集點云數(shù)據(jù)，輸出格式為.stl格式。

圖4 點云數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.2 數(shù)據(jù)處理

按照上述方法在Geomagic Studio軟件中導(dǎo)入點云數(shù)據(jù).stl格式文件，效果如圖5所示。后續(xù)可以根據(jù)此點云模型進行降噪、封裝邊界、多邊形邊界處理和幾何形狀處理，具體步驟和參數(shù)選擇如下。

圖5 創(chuàng)建的點云數(shù)據(jù)(.stl格式)

(1)進行降噪時，對于非連接數(shù)據(jù)對象，可調(diào)用Geomagic軟件中“選擇工具”下的“套索”功能，選擇目標對象后設(shè)置“平滑級別”為中等，選擇“減小噪聲”選項。在封裝wrap環(huán)節(jié)，根據(jù)當前模型實際情況，設(shè)置目標三角片個數(shù)為20萬。

(2)處理松弛邊界時，設(shè)置“平滑級別”為中等，選擇“曲率優(yōu)先”為最小值，設(shè)置“固定邊界”選項，將擬合“偏移公差”設(shè)為0.1mm。

(3)在生成輪廓線時設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如曲率靈敏度為70.0，分類靈敏度為40.0，分隔符敏感度為60.0，最小面積為88.52等。構(gòu)造曲面面片時，選擇自動估計、使用當前細分選項。完成上述步驟后，即可得到如圖6所示的各階段處理效果。

(a)點云降噪

3.3 建立CAD模型

采用Unigraphics V10.0軟件加載點云已處理好的模型，例如.stl和.iges等中性格式，利用布爾運算合并面片、延展邊界、過渡曲面連接處、相交、裁剪、縫合和倒角等特征處理，調(diào)用UG軟件中的合并特征功能將已處理好的點云模型轉(zhuǎn)換為CAD模型(見圖7)。

圖7 UG V10軟件合并曲面片后的效果

研究該箱體零件的安裝要求，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》以及設(shè)計或工程經(jīng)驗，通過UG軟件建立三維模型，創(chuàng)建的2D零件如圖8所示(部分視圖包括尺寸公差等技術(shù)要求)。

圖8 由3D模型逆向創(chuàng)建的2D CAD模型(包括尺寸公差)

經(jīng)Geomagic、Unigraphics軟件的擬合偏差檢測，誤差均小于0.1mm，達到逆向設(shè)計預(yù)期的基本要求。需要特別指出的是：該評價結(jié)果僅說明逆向設(shè)計獲取的原始點與擬合型面間的偏差，并不能分析關(guān)鍵型面間是否符合安裝等設(shè)計或工程實際要求，因此，還需采用CMM離線檢測方法提前發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵幾何要素的逆向設(shè)計問題。

3.4 CMM檢測驗證

根據(jù)圖7模型和圖8的技術(shù)要求得到的零件模型關(guān)鍵尺寸要求和形位公差見表1。

表1 檢測要素及結(jié)果

在自主開發(fā)的DIRECT-DMIS[9]精密幾何檢測規(guī)劃軟件中加載UG箱體零件三維模型，拾取圓柱和平面檢測要素后對形位公差進行評價，離線檢測過程見圖9。

(a)檢測及其端面

檢測過程中需要對幾何要素設(shè)置測量點數(shù)，由CMM軟件根據(jù)采集的測量點數(shù)值計算幾何要素屬性，例如圓柱的直徑、長度及軸線矢量方向等。根據(jù)CMM擬合的幾何要素及其屬性值對其幾何要素進行形位公差評價，例如平行、垂直、同軸、跳動以及位置等。

DIRECT-DMIS軟件對幾何要素的數(shù)據(jù)表示方法如下：平面(Plane，簡稱PL)用重心點P(x，y，z)和重心點的法矢方向v(i，j，k)表示；圓柱(Cylinder，簡稱CY)用軸線中點坐標P(x，y，z)和軸線矢量方向v(i，j，k)表示(見圖10)。形位公差垂直度簡稱為PRP，平行度簡稱為PAR。

圖10 幾何要素的數(shù)據(jù)

利用DIRECT-DMIS軟件對兩個圓柱CY1，CY2和兩個平面PL1，PL2進行測量，獲得如表2所示的結(jié)果。表中，CRD5/MM/ANGDEC/CART/X/Y/Z/I/J/K表示當前測量結(jié)果是在零件坐標系CRD5下獲得，數(shù)據(jù)單位是mm/度/笛卡爾坐標系，顯示的數(shù)據(jù)包括點坐標X/Y/Z及其矢量方向I/J/K；形位公差評價行中的MMC表示當前評價在笛卡爾坐標系下完成，數(shù)值單位為mm。

在逆向設(shè)計過程中，由于事先不知道關(guān)鍵幾何要素的理論值，因此測量軟件將實測值認為是理論值；因未預(yù)先設(shè)置幾何要素的上下偏差(包括形位公差理論值)，因此系統(tǒng)均默認為0。

表2 關(guān)鍵幾何要素測量結(jié)果

3.5 CMM檢測數(shù)據(jù)分析

表3 關(guān)鍵幾何要素結(jié)果分析

產(chǎn)生這個問題的原因可能有：掃描采集數(shù)據(jù)時操作不當；實物零件本身存在制造誤差；使用過程中出現(xiàn)磨損；其他因素。

使用Geomagic、Unigraphics軟件擬合偏差只能發(fā)現(xiàn)掃描點與擬合平面的偏差，不能判斷擬合后關(guān)鍵要素間的偏差。若不提前發(fā)現(xiàn)類似問題，可能會造成后續(xù)的NC加工錯誤，嚴重時可能造成零件報廢。

經(jīng)過分析判斷需修改PL2法矢。此時可以返回3.3節(jié)，在UG或其他CAD軟件中加載模型，利用三維造型功能(如拉伸、選掃、蒙皮和放樣等)重構(gòu)PL2平面，以確保該面矢量為v(0，0，1)，在CMM重復(fù)檢測驗證無誤后再運用。

4 結(jié)語

將逆向設(shè)計方法與重要幾何要素檢測進行集成，解決了Geomagic、Unigraphics等軟件擬合偏差檢測功能無法解決的重要幾何要素逆向設(shè)計的質(zhì)量問題，可以避免由于設(shè)計模型不正確而投入試制和生產(chǎn)造成的經(jīng)濟損失，同時還能有效減小逆向設(shè)計周期。在離線檢測環(huán)節(jié)，可以生成零件檢測的DMIS路徑規(guī)劃方案，為下一階段制造提前準備好相關(guān)技術(shù)文件。

以二輪發(fā)動機右箱體零件為對象，從點云掃描、點云數(shù)據(jù)處理、CAD合并型面以及重要幾何要素離線檢測等方面，較為全面地介紹了利用Geomagic、Unigraphics以及幾何檢測等軟件對這類零件開展逆向設(shè)計和幾何要素擬合質(zhì)量評價相集成的方法，為逆向設(shè)計實踐提供了一種有益思路。