基于原型的逆向工程cad建模技術(shù)研究

基于原型的逆向工程cad建模技術(shù)研究

逆向工程（re）是指將現(xiàn)有產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)換為3d模型的相關(guān)數(shù)字技術(shù)和幾何模型重建技術(shù)的總稱。作為一種逆向思維的工作方式,逆向工程技術(shù)與傳統(tǒng)的正向設(shè)計方法不同,它是根據(jù)已存在的產(chǎn)品或零件原型來構(gòu)造工程設(shè)計模型,在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進(jìn)行吸收、消化和改進(jìn),是對已有設(shè)計的再設(shè)計。所以逆向工程最主要的任務(wù)是將原始物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型,為利用先進(jìn)的CAD/CAE/CAM技術(shù)進(jìn)行后續(xù)的工程設(shè)計、加工、分析提供必要的信息?；趯嵨镌瓦M(jìn)行逆向設(shè)計需要經(jīng)過數(shù)據(jù)獲取、建模方案制定、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征參數(shù)提取、CAD建模等步驟,即設(shè)計人員在充分理解逆向設(shè)計CAD建模目的和零件表面組成的基礎(chǔ)上,根據(jù)提取特征設(shè)計參數(shù)、按照正向設(shè)計的方法完成產(chǎn)品數(shù)字化模型重建。本文根據(jù)逆向工程的原理和方法,結(jié)合某車型制動踏板支架零件的逆向設(shè)計建模過程,研究了逆向工程CAD建模技術(shù)的方法和步驟,采用基于曲面特征的建模策略,分析了逆向工程建模過程中特征曲線提取的方法和技巧。1測試表面激光測量的工作原理及注意事項數(shù)據(jù)采集是逆向工程CAD建模的首要環(huán)節(jié),根據(jù)測量方式不同,數(shù)據(jù)獲取可分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。本零件采用非接觸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采用意大利COORD3公司的龍門式三坐標(biāo)測量機(jī),配以以色列NEXTEC公司生產(chǎn)的WIZProbe激光測頭對零件進(jìn)行掃描,如圖1所示。由于激光測量是基于光學(xué)反射原理測量,對被測物體表面的粗糙度、漫反射率和傾角都比較敏感,因此,在測量零件時最好在零件表面涂上測量用的專用涂層,以提高測量的效率及精度。數(shù)據(jù)采集過程需要注意的問題是,采用激光束與測量面成-15°～30°的夾角測量。按照習(xí)慣性思維,都會認(rèn)為沿測量面法向進(jìn)行測量時會使測量更簡單,使激光點聚焦及反射采樣更加準(zhǔn)確。但是,在測量表面含有油漬或特別光亮?xí)r,實際情況卻不是這樣的。通過零件測量中的多次試驗得出:當(dāng)使測頭的光束與測量面成-15°～30°的夾角時,掃描效果最好,具體原因可結(jié)合激光測量原理來解釋。2點云數(shù)據(jù)處理和建模計劃2.1基于點云的噪聲處理測量數(shù)據(jù)預(yù)處理是逆向工程CAD建模的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它的結(jié)構(gòu)直接影響后期重建模型的質(zhì)量。數(shù)據(jù)預(yù)處理一般包括噪聲處理與數(shù)據(jù)精簡,如果測量過程中有多次裝夾測量,則還需要將多次裝夾的測量數(shù)據(jù)拼合到統(tǒng)一坐標(biāo)系中,這個過程稱為多視拼合。由于激光掃描過程中外界環(huán)境的影響,不可避免的導(dǎo)致掃描過程中誤差點的產(chǎn)生,這將會對擬合曲面質(zhì)量和點面誤差分析造成影響。因此點云數(shù)據(jù)的噪聲處理非常重要,利用Imageware軟件的點云抽取工具可以去除嚴(yán)重偏離零件原始特征的點。對于高密度點云,由于存在大量冗余數(shù)據(jù),有時需要按照一定要求減少點數(shù)量。該支架掃描獲得的點云共有998045個點,數(shù)量如此龐大的點將占用很大的計算機(jī)硬件資源,給曲面重建帶來諸多不便,考慮到模型的精度要求,可以對點云數(shù)量進(jìn)行壓縮。通常點云壓縮的距離誤差根據(jù)建模精度的要求有所變化,一般可選擇為0.15～0.5mm,這里距離誤差取0.3mm,執(zhí)行點云壓縮命令,點數(shù)量被壓縮為194867,減少了80%,而且數(shù)據(jù)分布也比較均勻。2.2基于曲面特征的建模策略建模方案規(guī)劃是在對逆向工程建模目的、建模方法及重建模型評價指標(biāo)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,確定產(chǎn)品數(shù)字化模型重建的總體思想和路線?；趯嵨镌突驕y量數(shù)據(jù)進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)的分析是制定正確的逆向工程CAD建模方案的基礎(chǔ),而正確的建模策略又是實現(xiàn)模型重建與產(chǎn)品創(chuàng)新的保證。目前,逆向工程建模策略主要有2條路線,分別稱之為基于曲面特征的建模策略和基于截面線特征的建模策略。前者基于點云渲染顯示和曲率分析進(jìn)行合理的點云設(shè)計分塊,然后抽取曲面特征,從而生成曲面模型;后者主要應(yīng)用于無法自動抽取出特征參數(shù)的復(fù)雜曲面零件的逆向設(shè)計。由于基于曲面特征的建模測量能保持穩(wěn)定的精度,且易于操作,較好的體現(xiàn)了特征建模的思想,是建模時的首選方法。根據(jù)上面的分析,該制動踏板支架零件采用基于曲面特征的建模策略進(jìn)行建模方案規(guī)劃。具體方法是先對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲率分析,利用Imageware的CloudCurvature命令對經(jīng)過預(yù)處理的點云進(jìn)行曲率分析,選擇的相鄰點距為0.3mm,分析結(jié)果如圖2所示。通過曲率分析,可以了解到該零件曲面總體比較光順,在加強(qiáng)筋、部分倒角及某些面的邊界處存在較大的曲率,在模型面上的孔邊緣某些地方存在較大的曲率突變,顯示出該地方不平整。考慮到該零件為試沖壓件,存在較大的誤差及不光整性,因此在模型制作過程中需要對這部分進(jìn)行修復(fù)。其次,按照CAD/CAM系統(tǒng)中TOP-DOWN的正向設(shè)計思想,對零件實物進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,以曲率分析圖中曲率相同且連續(xù)的部分為邊界,逐步將點云分解成單個曲面特征,作為曲面建模的依據(jù)。根據(jù)支架零件點云的曲率分析結(jié)果,除過渡面倒角外,將點云分為5個大塊:底面、前頂面、后頂面、左側(cè)面和右側(cè)面,如圖3所示。其中底面是單獨一個曲面,不能再繼續(xù)分解,所以將底面稱為末端節(jié)點T1,簡稱節(jié)點T1,采用邊界曲面直接擬合方式構(gòu)建;前頂面(分支M1)比較復(fù)雜,可以繼續(xù)分解為1橫2縱3個加強(qiáng)筋(T2)和上下2個曲面(T3),其中T2采用掃掠方式建構(gòu),T3采用曲面擬合方式直接生成;后頂面(分支M2)也比較復(fù)雜,可以繼續(xù)分解為加強(qiáng)筋(T4)、圓形凹槽(T5)及頂面整個大曲面(T6),其中T4用掃掠方式建構(gòu),T5采用選擇曲面建構(gòu),T6采用直接擬合生成;左右側(cè)面為零件沖壓方向的兩個拉伸曲面,采用掃掠方式直接建構(gòu),分別取為T7和T8,由此得到零件的造型樹。逆向設(shè)計建模的實施過程與產(chǎn)品分析的分解過程剛好相反,即從最下面的葉節(jié)點開始建模,最后得到造型樹頂端的零件模型,如圖3中的虛線箭頭所示。3基于測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品數(shù)字化建模方法為了滿足零件的機(jī)械性能、力學(xué)性能、流體動力學(xué)性能及美觀性要求,在逆向工程CAD建模過程中應(yīng)盡量還原原始設(shè)計參數(shù),這就需要基于測量數(shù)據(jù)提取產(chǎn)品特征設(shè)計參數(shù),并進(jìn)行特征重構(gòu)和特征運(yùn)算,從而完成產(chǎn)品數(shù)字化模型重建。下面結(jié)合支架零件點云分塊的結(jié)果對掃掠面、旋轉(zhuǎn)面等幾種面的重構(gòu)方法及技巧進(jìn)行詳細(xì)闡述。3.1加強(qiáng)筋界面擬合生成掃搶曲面如果在曲面上沿一個方向進(jìn)行曲面法向剖切,切出的截面均相同,則這樣的曲面可以采用掃掠的方法建構(gòu),下面以頂面加強(qiáng)筋T4為例講述掃掠面的重建。旋轉(zhuǎn)點云,使中間最長的加強(qiáng)筋部分至水平方向,然后用交互式點云切片工具,沿水平線方向切片,并用公差擬合工具取公差0.1mm將其擬合成自由曲線,如圖4所示。沿垂直導(dǎo)線的方向?qū)訌?qiáng)筋點云切片,生成加強(qiáng)筋截面點云,然后用0.1mm的公差擬合生成截面曲線,如圖5所示。利用上面提取生成的導(dǎo)線和界面曲線,生成掃掠曲面。圖6顯示了生成的曲面及誤差檢測,誤差值為+0.49～-2.65mm,由于點云中包含過渡曲面部分,因此點面誤差檢測中負(fù)方向偏離10倍于模型誤差要求屬于正?，F(xiàn)象,曲面精度滿足要求。3.2旋轉(zhuǎn)面為截面線如果一個曲面在360°方向上形狀對稱,則該曲面可以考慮用旋轉(zhuǎn)的方法進(jìn)行重構(gòu),以下以頂面圓形凹槽T5為例講述旋轉(zhuǎn)曲面的重構(gòu)。將點云頂面顯示,從圓形凹槽中間點到外圈做一視角直線,用“視角直線”切片,并用公差擬合方式將切片點云擬合成曲線,此曲線即為旋轉(zhuǎn)面的截面線雛形。然后正面顯示點云,將截面線雛形延伸生成截面線,如圖7所示。如圖8所示,將正面顯示的點云圓弧形部分做水平切片,并將切片的圓圈點云擬合成外輪廓圓,再捕捉圓的圓心構(gòu)建點;將圓心和在圓凹槽最低點處的截面線端點用直線連接起來,得到旋轉(zhuǎn)面的旋轉(zhuǎn)軸線。以截面線繞旋轉(zhuǎn)軸做360°旋轉(zhuǎn),生成旋轉(zhuǎn)曲面并分析如圖9所示,從誤差分析圖可以看出,該曲面的點面誤差控制得極好,大部分達(dá)到0mm,誤差較大的邊緣部分后面將與周圍的其它曲面進(jìn)行圓弧過渡,所以不受影響。根據(jù)點云分塊的結(jié)果,依次重構(gòu)每個主要曲面特征,然后提取過渡圓角的半徑參數(shù),通過圓角過渡、曲面橋接等方法,將各主要曲面光順連接,得到如圖10所示的曲面模型。3.3零件的光順性分析將零件的最終模型與點云設(shè)計進(jìn)行誤差及曲面光順性分析,最終檢測圖顯示如圖11、圖12所示。由圖11的顏色分布可看出,模型的點面誤差大部分控制在±0.25mm以內(nèi),部分在±0.5mm左右,只有左右側(cè)面前沿圓角處有兩處超過1mm的范圍及頂面末端有一處達(dá)到最大范圍。根據(jù)對實體零件進(jìn)行比對,發(fā)現(xiàn)誤差超出范圍的地方均有沖壓形成的褶皺變形,而頂面末端處則有裁剪板料形成的毛刺;而由圖12的光順性分析圖可看出,圖中黑白紋線均排列整齊,彼此間無相交,且相鄰紋路寬度均一致,顯示曲面的光順性很好。由此可確