1 前言

    許多零件、工裝都是模擬量傳遞制造的，經(jīng)過了多年的使用，許多工裝及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)樣件、模線樣板磨損非常嚴(yán)重，部分工裝幾乎無法滿足制造的使用需求。通過逆向掃描及逆向建模技術(shù)，掃描工裝表面，形成理論數(shù)據(jù)，依靠理論數(shù)據(jù)完成工裝的修復(fù)及復(fù)制工作。實現(xiàn)模擬量向數(shù)字量協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)換的同時，完成了模擬量傳遞工裝數(shù)據(jù)的保存工作。

    反向工程，是指用一定的測量手段對實物或模型進(jìn)行測量，以獲得物體的點云數(shù)據(jù)，再利用一定的工程軟件對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、編輯，并獲取所需的三維特征曲線，最終通過三維曲面表達(dá)出物體的外形，使用幾何建模方法，從而重構(gòu)實物的CAD模型。

    CATIA V5軟件的逆向設(shè)計是在數(shù)字化曲面設(shè)計（Digitized Shape Editor模塊）和快速曲面重建（Quick Surface Reconstruction模塊）兩個模塊中進(jìn)行的。數(shù)字化曲面設(shè)計模塊主要用于逆向設(shè)計的前期處理，該模塊具有數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入導(dǎo)出、去除噪點、設(shè)計截面線等功能。常見的掃描數(shù)據(jù)格式包括STL和IGS兩種格式。STL是網(wǎng)格數(shù)據(jù)，需要使用軟件命令導(dǎo)入，IGS是點云數(shù)據(jù)，可以直接拖入到CATIA窗口內(nèi)打開。點云經(jīng)過處理之后在使用基于網(wǎng)格進(jìn)行設(shè)計的快速曲面重建模塊中快速生成特征面、強(qiáng)力擬合曲面以及對比分析等命令做逆向設(shè)計的后期處理工作。

    當(dāng)使用一些掃描測量儀器得到一些粗糙的點云數(shù)據(jù)之后，鈑金類零件逆向設(shè)計的總體思路就是導(dǎo)入掃描數(shù)據(jù)、優(yōu)化數(shù)據(jù)、擬合中心線、生成網(wǎng)格、擬合出一個大于掃描數(shù)據(jù)的曲面、擬合零件邊緣線、用零件邊緣線切割曲面，將切割后的曲面與起初的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，如果對比結(jié)果在公差范圍之內(nèi)，使用所切割后的曲面進(jìn)行零件模型的設(shè)計，否則應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化數(shù)據(jù)優(yōu)化曲面，直至分析對比結(jié)果符合公差為止。

2 逆向設(shè)計的前期工作

    以蒙皮類零件為例，介紹鈑金類成形零件逆向工程設(shè)計的總體思路。由于蒙皮類零件易彎曲，變形大，掃描零件數(shù)據(jù)會存在較大失真，因此目前蒙皮類零件逆向建模一般是通過掃描工裝并反推零件模型。

    使用一些掃描測量儀器得到一些粗糙的點云數(shù)據(jù)之后，首先要查閱工程圖紙，對零件進(jìn)行一下分析，理解零件的設(shè)計思想，在此基礎(chǔ)上修復(fù)和克服掃描數(shù)據(jù)上存在的缺陷，之后進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)優(yōu)化。

    對掃描數(shù)據(jù)優(yōu)化，作用在于減小掃描數(shù)據(jù)包含的信息量，提高之后操作步驟的處理速度，同時不對模型設(shè)計產(chǎn)生較大影響，其操作包括移除無效數(shù)據(jù)，點云過濾，修補(bǔ)網(wǎng)格等。在優(yōu)化的過程中應(yīng)盡量避免使用網(wǎng)格光順操作，因為在光順過程中，網(wǎng)格面與原始掃描數(shù)據(jù)會產(chǎn)生偏離。

圖1 蒙皮通過的點云與網(wǎng)格

3 型面構(gòu)造

    型面構(gòu)造介紹兩種方法，一種是掃掠法，就是生成網(wǎng)格之后擬合截面線、優(yōu)化截面線、通過截面線形成型面；另一種是強(qiáng)力擬合法，強(qiáng)力擬合法主要對于曲率變化不大的型面設(shè)計。

    3.1 掃掠法

    3.1.1 建立截面元素

    截面元素用來創(chuàng)建與掃描數(shù)據(jù)相交的平面，在命令Planar Sections中使用。設(shè)計要考慮各截面線的外形較為接近，以方便進(jìn)行掃掠操作，形成較好的型面。截面元素可以是面，直接用于相交；也可以是線，線的法向面作為截面。

    通常，XY、YZ、XZ三個平面與掃描數(shù)據(jù)相交得到線的效果并不好，而用羅盤控制也存在操作不方便的問題。因此一般都是通過引導(dǎo)線的建立，來設(shè)計截面位置。

圖2 通過XZ平面建立的影線

    引導(dǎo)線的建立方法較多，對本模型，介紹兩種較為簡單的方法。

    3.1.1.1 點云上影線創(chuàng)建

    在數(shù)字化曲面設(shè)計模塊下，通過Scan Creation工具欄中的Scan on Cloud執(zhí)行。點擊后，選擇前后兩個端點，雙擊左鍵結(jié)束選擇，形成影線，由影線生成曲線。

圖3 影線生成

圖4 提取實線

    3.1.1.2 基本曲面識別

    在逆向建模過程中，由于沒有外部參考基準(zhǔn)，因此需要在掃描數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立一些基準(zhǔn)面�？焖偕�成基本特征面能生成的元素包括平面、圓柱、球、圓錐等，而較為常用的是平面和圓柱，平面用于建立草圖或生成截面線，圓柱用于設(shè)計中心線。由于本模型可以近似為圓柱面，因此使用快速曲面重建模塊下的基本曲面識別命令，選擇圓柱，軟件將自動生成圓柱及其軸線。

圖5 基本曲面識別

圖6 識別界面選擇圓柱

    將截面與相應(yīng)的網(wǎng)格或點云相交，得到交線。

    與網(wǎng)格相交，在每個截面上生成不連續(xù)的線，需要再次連接，與點云相交，生成連續(xù)的線。從圖7可以分析得出，采用與點云相交的方法來獲得截面線更適合后續(xù)建模。

圖7 與網(wǎng)格相交和與點云相交的對比

    3.1.2 截面線優(yōu)化

    由于所生成的截面線，掃描數(shù)據(jù)邊緣不平，截面線的起點不同，端點不齊，而截面線上不同點的曲率也在變化，這將導(dǎo)致創(chuàng)建多截面曲面時，邊緣質(zhì)量不好，因此需要對截面線進(jìn)行調(diào)整。

圖8 多截面曲面創(chuàng)建

    調(diào)整截面線的長度和線條曲率，來避免所擬合的曲面產(chǎn)生鼓包等現(xiàn)象。將生成的截面線與最初的掃描數(shù)據(jù)對照，找出影響生成曲面曲率較大的曲線，將這些曲線重新擬合，使用，“點面復(fù)制”命令，在原截面線上生成若干個點，調(diào)整個別點偏離的位置，之后使用“樣條線”命令，生成曲線并分別進(jìn)行光順后，在進(jìn)行掃掠操作。從圖9中的對比，可以看出新曲面具有較好的表面。對于其他部位，也采用類似操作，最終形成整體曲面。

圖9 新曲面與原曲面對比

    3.2 強(qiáng)力擬合法

    強(qiáng)力擬合法主要對于曲率變化不大的型面設(shè)計。對于本案例中零件，可以分割成左右兩部分，通過“Activate”命令分別激活一部分點云，分別擬合表面，然后對兩側(cè)曲面分別裁剪，再重新橋接，形成中間過渡，最后進(jìn)行接合，得到型面。

圖10 強(qiáng)力擬合曲面

    強(qiáng)力擬合曲面命令能實現(xiàn)對小曲度曲面的快速生成，這個命令的主要參數(shù)是偏差，用于控制生成曲面與掃描數(shù)據(jù)的差值，通常情況下設(shè)置在0.2mm到0.5mm之內(nèi)，以保證曲面的表面質(zhì)量。

4 邊緣線和曲面內(nèi)部線條的構(gòu)造

    構(gòu)造零件的邊緣線和內(nèi)部線條需要在參考圖紙的情況下所進(jìn)行，邊緣線生成后作為分割型面的依據(jù)，或作為工裝劃線的參考。

    構(gòu)造零件的邊緣線一般采用的方法是根據(jù)點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建影線，影線不是實體曲線，不能直接進(jìn)行操作，需要通過Curve from Scan命令進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將影線生成曲線。有時候生成的曲線曲率突變很大，并不是直接可以被引用的，需要用擬合調(diào)整截面線的方法來重新擬合邊緣線。

    構(gòu)造曲面內(nèi)部線條時，由于是薄壁零件，邊緣的網(wǎng)格形成存在一定偏差，因此采用近似擬合的方式。首先建立不同部位的基本擬合平面，然后通過草圖，在各平面繪制出對應(yīng)部位的大致邊緣線位置。拉伸后與型面相交得到表面線條。這種方法比較適合于設(shè)計封閉帶弧度的線條。后期曲面操作，可以裁剪出零件邊緣線以及化銑線。

圖11 生成的邊緣線和曲面內(nèi)部線條

    建立基本曲面后，根據(jù)生成的邊線和內(nèi)部線條，通過增厚命令即可生成實體，建模步驟和方法與普通建模步驟雷同。

5 測量分析

    經(jīng)過邊緣線修剪的曲面與點云數(shù)據(jù)使用“Deviation Analysis”，命令相比照，參考面(Reference)選擇面積大的對比元素，測量面(To measure)選擇面積小的對比元素，可以防止無效元素的干擾。模型與原始掃描數(shù)據(jù)的偏差應(yīng)在技術(shù)要求范圍內(nèi)，偏差通過偏離分析命令計算及統(tǒng)計。

    當(dāng)使用逆向工程技術(shù)檢測生產(chǎn)現(xiàn)場零件與數(shù)字模型之間的差異的時候，不需要使用掃描的數(shù)據(jù)來構(gòu)建數(shù)模，只需清除噪點，優(yōu)化網(wǎng)格的步驟即可，使用“Cloud Reposit”下的命令來將掃描數(shù)據(jù)與理論上的數(shù)字模型對齊，再使用“Deviation Analysis”，命令查看生產(chǎn)現(xiàn)場零件的掃描數(shù)據(jù)與理論上的數(shù)字模型的對照結(jié)果。

圖12 掃描數(shù)據(jù)與理論上的數(shù)字模型對照結(jié)果

結(jié)論

    通過類似這樣的逆向設(shè)計實現(xiàn)了零件由模擬量傳遞制造向數(shù)字量傳遞的成功轉(zhuǎn)變，同時解決了大量工裝磨損嚴(yán)重?zé)o法修復(fù)的問題，為此類問題的解決與處理提供了技術(shù)解決方案與技術(shù)支持力量。 

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本文標(biāo)題：鈑金類成形零件逆向工程設(shè)計總體思路的探索

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