汝春波， 曹 恬

（1.江西科技學院 人工智能學院， 江西 南昌 330098；2.江西省交通高級技工學校， 江西 南昌 330104）

對于車輛來說，其中最主要的零部件之一就是汽車的復雜曲面零件，汽車的復雜曲面零件的品質與汽車的使用壽命息息相關，不僅如此，其品質的好壞還關系著汽車能否正常進行工作。汽車對于復雜曲面零部件的要求是質量要輕、抗腐蝕性強、韌性好，強度能夠滿足汽車的使用要求。隨著汽車行業(yè)的興盛，市場對于汽車復雜曲面零部件的需求也越來越高。汽車中潤滑系統(tǒng)中最關鍵的裝置是機油泵，它被廣泛應用于各個領域，對于機油泵來說，它的殼體是最關鍵的組成部分，機油泵的殼體表面的特征非常的復雜，這也意味著它的正向設計周期是非常長的，設計難度也要比逆向設計建模高。采用逆向工程設計以及快速成型技術來設計機油泵殼體這一零部件，與傳統(tǒng)的零部件設計是不一樣的，使用這兩項技術來生產零部件，零部件生產的周期會縮短，生產的效率也會有所提高。最近，國家加大對創(chuàng)新的重視，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)戰(zhàn)略開始實施，國內外的研究學者加大了對逆向工程這一創(chuàng)新的零部件設計技術的研究。

在國內的一系列研究中，王春香等人利用實體獲取點云數(shù)據，然后將點云數(shù)據進行處理，在這一基礎上，對某進口品牌的汽車使用正逆向混合建模技術來快速實現(xiàn)實體的重構[1]。萬長東等人通過對某電動車前懸架滑柱結構的逆向設計，在此基礎上提出了一項規(guī)范化流程，是關于汽車懸架零件的逆向設計，這一流程具有非常強的可實用價值[2]。張晨亮采用三維掃描技術對異形曲面零件的快速逆向參數(shù)化建模，然后使用Hypermill軟件來完成數(shù)控加工程序的編寫，利用這一實驗來驗證逆向設計與五軸加工技術融合的有效性[3]。陳建洲在汽車覆蓋件這一基礎上提出分析零部件的表面形態(tài)的特征以及區(qū)域劃分，并結合正向建模方法可以實現(xiàn)零部件的快速參數(shù)建模[4]。劉賽將汽車轉向節(jié)作為研究對象，利用汽車轉向節(jié)來比較三維點云模型和逆向重構模型的重合度，并分析零部件的復雜曲面的重構品質[5]。

在國外的研究中，Beniere在較早的時間提出了一個綜合自動化的逆向工程，這一技術主要使用在機械對象離散化初始獲得的三維網格[6]。Nabil等人通過在產品開發(fā)過程中增加形狀獲取和處理技術的使用這一方法來強調在設計和制造這一方面中逆向工程和形狀重構技術的重要性[7]。Vijaya等人采用了逆向工程技術對曲軸建模并對此進行了優(yōu)化和分析，同時評價和比較了汽車曲軸的疲勞性能[8]。

以上的一系列研究，已經廣泛應用在零部件的逆向設計中，但是將這些方法應用在工程應用中還是存在著許多的不足。對于逆向工程的汽車復雜曲面零部件的研發(fā)仍然淺顯，因此還是要深入研究將逆向工程技術應用于復雜曲面零部件進行快速設計的這一方法。所以，本篇文章將會對某汽車的機油泵殼體進行研究分析，基于機油泵的結構特點，來對機油泵殼體進行區(qū)域的劃分以及特征的識別，最后提出關于逆向工程的復雜形面零部件快速逆向設計的方法。

1 汽車機油泵殼體逆向設計方法

轉子式機油泵殼體是機油泵中重要的組成部分，機油泵的殼體表面分布著許多的柱狀孔和錐形孔，還具有軸承連接處，它們的形狀沒有規(guī)則，結構相對復雜，但是具有典型性。如圖1所示為機油泵零部件圖。

圖1 機油泵殼體

在三維掃描硬件設備上，利用先臨Shining3DScanner雙目型三維掃描儀采集機油泵殼體三維點云數(shù)據。在掃描前，要做好充分準備工作，先要觀察殼體表面的結構，同時思考標記點的公共部分掃描后的三維點云數(shù)據應該如何更好地進行拼接，同時殼體的表面標記點數(shù)量多的那一部分應該放在光柵投影正中心，一切準備就緒以后點擊掃描鍵，同時觀察軟件的掃描界面是否存在多的雜點，如果發(fā)現(xiàn)，應該及時將點刪除和修改，處理好了后還應該點擊右下方“√”進行保存，以免出現(xiàn)錯誤；然后，就需要有規(guī)律地將殼體進行移動來依次獲得三維云數(shù)據，對每一張的云數(shù)據都要進行細致觀察，出現(xiàn)雜點就進行刪除和修改，然后保存，如果沒有出現(xiàn)雜點就直接進行保存；最后，將全部掃描處理完成后，觀察軟件界面中三維點云數(shù)據模型導出，保存格式一律采取.asc格式，隨后采用Geomagic Wrap軟件進行點云數(shù)據預處理，再利用Geomagic Design X這一軟件來進行機油泵殼體曲面重構。

2 殼體的點云數(shù)據預處理

利用三維掃描儀Shining3D-Scanner來掃描獲取殼體的三維點云數(shù)據，再將這些數(shù)據導入Geomagic Wrap軟件中，然后根據點云模型的規(guī)模來選擇一個合適的采樣比例以及合適的數(shù)據單位。本次殼體的點云數(shù)據模型設置了100%的采樣比率，數(shù)據的指定單位是毫米（mm），此外還對殼體的點云數(shù)據模型進行了涂色這一步驟，如圖2展示的就是步驟都設置完成的汽車零部件轉子式機油泵殼體的點云數(shù)據。

圖2 設置完成的殼體點云數(shù)據

2.1 點階段處理

1） 去除體外孤點。在掃描殼體的時候，因為三維掃描儀器自身以及各方面不可避免的因素，難免出現(xiàn)誤差，如環(huán)境光線不均勻和顯像劑涂局部不均勻等不足，這些不足會導致殼體的點云數(shù)據上產生雜點。這時候就需要利用套索功能來盡可能地刪除大量的雜點，然后依次點擊非連接項和體外孤點，來設置好參數(shù)，最后刪除。去除體外孤點如圖3所示。

圖3 去除體外孤點

2） 減少噪聲。因為Shining3D-Scanner在掃描和采集數(shù)據的時候儀器工作會產生抖動，而減少噪聲會讓掃描到的物體的表面特征更加細致，在物體表面不太明顯的云點就會減少，因此在掃描時，要在軟件工具欄那一側點擊“減少噪聲”，然后根據零部件自身的條件來設置好參數(shù)，同時由于殼體自身的體積比較小，它的表面也屬于復雜的曲面，因此在選擇“自由曲面形狀”中“菱柱形（積極）”，“平滑度水平”滑標到無，“迭代”為2，“偏差限制”為0.1mm和選擇“預覽”選框的“采樣”選項取消。經過這一系列操作后的點云數(shù)據模型的表面將會更加平滑，具體的對比如圖4所示。

圖4 減少噪聲前后對比

3） 采樣。在不移動任何點的情況下來減少點云數(shù)據的數(shù)量，這樣做可以讓點云數(shù)據在軟件中的處理速度更快，大大提高了點云數(shù)據處理的效率。具體操作是在軟件界面選擇采樣中的“統(tǒng)一采樣”，在“統(tǒng)一采樣”中選“絕對”定義“間距”為0.6mm，最后的結果就如圖5中完成統(tǒng)一采樣所示。

兩年前，我班轉來了一名特殊的孩子——小宇。他母親病逝，父親外出謀生，禍不單行，外公突遭事故痛失三指，撫養(yǎng)他的舅媽體弱多病，家中的頂梁柱舅舅又重病在身。在“童孫未解供耕織”的懵懂歲月里，他已飽嘗喪母之痛，留守之苦；在“忙趁東風放紙鳶”的無憂時光中，他已初見歲月艱辛，人情冷暖；在“溪頭臥剝蓮蓬”的童趣年華中，他已體驗囊中羞澀，生活不易。

圖5 采樣前后

4） 封裝點云數(shù)據。在統(tǒng)一采樣這一步驟完成以后點擊軟件工具欄中封裝這一功能，然后將噪聲設置為無，三角形的數(shù)量調整為最大25萬，封裝這一步驟結束以后就會自動形成多邊形的工作欄。

2.2 多邊形階段處理

1） 釘狀物的刪除。有些物體在掃描之后很容易出現(xiàn)釘狀物，這種物體主要出現(xiàn)在物體較小的表面特征中，如果想要刪除就可以點擊工具欄中“刪除釘狀物”，隨后會出現(xiàn)對話框，然后設置參數(shù)平滑級別為最高，最后點擊確認就完成了。刪除釘狀物前后對比如圖6所示。

圖6 刪除釘狀物前后對比

2） 孔洞的填充。因為零部件殼體在掃描前需要貼好標記點，同時掃描的角度不夠充分也很容易出現(xiàn)孔洞，從而導致掃描獲取到的點數(shù)存在缺漏，因此需要在軟件上選擇孔洞填充來對殼體表面的孔洞進行填充?？锥刺畛湟泊嬖诓煌念愋?，分別為全部填充和單孔填充，同時單孔填充中有曲率、平面、切線、內部孔、邊界孔和搭橋6個選項。填充的步驟為先用“填充單個孔”來填充形狀較為規(guī)范的孔洞，而在處理一些較大的孔洞時為了避免影響云數(shù)據的精度，我們需要使用搭橋功能來處理。具體情況如圖7所示。在處理完大孔以及一些形狀規(guī)則的孔洞以后，使用“全部填充”來處理一些小的孔洞。圖8展示了孔洞填充時的模型。

圖7 搭橋處理

圖8 全部填充處理

3） 網格的松弛。在對孔洞進行填充以后，模型的表面有時會出現(xiàn)不夠平整的問題，因此還需要對模型進行松弛處理。圖9展示了模型在經過松弛處理以后的效果圖，在軟件上按默認參數(shù)，最后點擊應用按鈕就處理完成了。

圖9 松弛前后效果圖

4） 特征的去除。如果殼體的表面存在明顯的突起或者凹陷，這時候我們可以使用去除特征來幫助解決這類問題。去除特征的步驟具體如下：先在軟件中套索工具中選擇殼體上不平整的部分然后點擊工具欄中的“去除特征”這一步驟就完成了，特征去除后的的效果對比如圖10所示。

圖10 特征去除前后的效果圖

5） 網格醫(yī)生。葉輪多邊形網格存在的各種缺陷可以利用網格醫(yī)生來進行修復處理，網格醫(yī)生會根據網格狀態(tài)自動分析非流形邊、自相交、高度折射邊、釘狀物、小組件、小通道、小孔等特征。網格醫(yī)生能夠自動檢測系統(tǒng)有什么需要修改的地方，從而讓多邊形網格更加精確，具體的步驟為點擊網格醫(yī)生的對話框，然后點擊確定就可以完成操作，網格醫(yī)生處理完成以后就可以以.stl格式保存導出，為接下來的曲面重構做好準備，圖11所示為預處理完成好的模型圖。

圖11 預處理完成的模型圖

3 機油泵殼體的逆向建模

殼體的逆向建模是利用逆向軟件Geomagic Design X處理操作的。

3.1 殼體的結構特征分析

圖12 殼體的結構特征分析

3.2 殼體逆向模型的重構

3.2.1 坐標系的對齊

坐標系的對齊方式分為兩種，一是對齊向導，二是手動對齊。對齊向導指的是根據面片模型中的分割領域進行坐標系的對齊，而手動對齊則指的是通過手動的方式來選擇合適的點和面來進行坐標系的對齊。手動對齊也分為兩種類型，一種是3-2-1，另一種是X-Y-Z。經過專業(yè)的分析以后，決定對殼體模型采用手動對齊“3-2-1”這一對齊方式，具體如圖13所示。

圖13 手動對齊

3.2.2 面片數(shù)據的領域劃分

預處理完成后的點云數(shù)據面片模型還需要進行劃分領域，這樣操作能夠讓實體模型更加精準。將數(shù)據劃分區(qū)域也有具體的規(guī)定，需要根據點云模型的特征以及曲率來進行劃分，自動將面片模型劃分成不同的領域，方便以后對不同部分進行提取和使用。雖然，劃分模式分為手動劃分和自動劃分這兩種類型，但是在選擇劃分類型時還是需要根據物體的具體情況來進行劃分，經過分析后，決定對殼體的面片模型使用自動劃分這一方式，具體操作為將“敏感度”設置為10，然后進行一段時間的等待，領域的劃分就結束了，如圖14所示。

圖14 完成領域劃分

3.2.3 殼體各部分的重構

1） 底板部分的重構。需要在殼體的底部創(chuàng)建追加的平面來創(chuàng)建面片的草圖，具體情況如圖15所示，然后再點擊面片草圖模型工具欄中的拉伸功能按鈕，將它拉伸至對應的位置，具體如圖15b所示，最后再在模式工具欄里選擇切割這一功能，按要求進行切割，保存符合要求的部分。

圖15 殼體底板部分的重構

2） 連接孔的重構。在相應的連接孔處創(chuàng)立一個參考平面，然后創(chuàng)建該連接孔處的面片草圖如圖16a所示，然后在創(chuàng)建的面片草圖模型工具欄的拉伸功能中點擊拉伸，然后拉伸到軸孔的底部，最后再點擊切割功能來進行切割，具體如圖16b所示。

圖16 連接孔的重構

3） 中央部分重構。殼體的中央主體的方向與軸孔的豎直的方向是相同的，因此可以在軸孔處建立面片草圖來添加參考平面，具體如圖17a所示，然后在模型工具欄里找到拉伸功能進行點擊，再在中央主體部分上創(chuàng)建與軸孔的面片草圖垂直的草圖，然后對它周圍的表面特征曲面進行領域的劃分，隨后再利用面片的擬合功能來生成周圍的表面特征曲面，最后再使用剪切功能來將合適的部分進行保留。如圖17b所示，展示為殼體的主體部分實體模型。

圖17 殼體的中央主體部分重構

4） 運用布爾合成進行實體模型的合成。在軟件界面找到布爾運算功能，利用這一功能將建立好的各實體模型進行合成，然后對局部實體模型進行細節(jié)部分的修改和處理。如圖18a所示，展示為最終的殼體模型圖。圖18b展示的為殼體模型的顏色公差。

圖18 實體模型的合成

4 結論

1） 本文建立了含時滯主動懸架離散控制系統(tǒng)的動力學模型，設立了最優(yōu)的控制器，還進行了實例仿真驗證，給研究提供了理論依據。

2） 使用最優(yōu)控制算法在含時滯的主動懸架離散系統(tǒng)中，能夠實現(xiàn)主動懸架振動控制，同時它的響應速度非常快并且動態(tài)性能也非常好。

3） 時滯的出現(xiàn)會導致很多的不良后果，會引起主動懸架系統(tǒng)動態(tài)性能的惡化，讓系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，同時，臨界時滯量與懸架系統(tǒng)參數(shù)及最優(yōu)控制目標函數(shù)權重有關，所以對于某給定主動懸架，系統(tǒng)時滯量為固定量，就可以利用調整控制器采樣時的頻率這一方法來改善系統(tǒng)的動態(tài)性能以及穩(wěn)定性，對于改善主動懸架系統(tǒng)性能，這將會提供一個全新的思路。