尤 寶，梁曉輝

（洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司，洛陽(yáng) 471000）

0 引言

隨著現(xiàn)代測(cè)量設(shè)備、計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)設(shè)計(jì)概念理解的深入，逆向工程技術(shù)作為快速設(shè)計(jì)與制造的主要支撐技術(shù)之一正在成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)[1]。逆向工程作為現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造的重要技術(shù)手段，能夠有效縮短從設(shè)計(jì)到制造的周期，是幫助設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)并行工程等現(xiàn)代新概念的一種強(qiáng)有力工具。目前逆向工程在航空、汽車(chē)、模具、玩具等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛作用，其主要應(yīng)用在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品仿制、質(zhì)量檢驗(yàn)以及快速原型零件制造等領(lǐng)域[1]。

逆向工程是指對(duì)已有產(chǎn)品原型，消化吸收和挖掘蘊(yùn)含其中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和管理等各方面的一系列分析方法、手段和技術(shù)的綜合[2]泵是應(yīng)用非常廣泛的通用機(jī)械，凡有液體流動(dòng)之處，幾乎都有泵在工作。泵體作為離心泵壓水室的一部分，與葉輪一起構(gòu)成了離心泵的過(guò)流部件，能夠?qū)崿F(xiàn)將泵體中水的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能。從水力方面看，螺旋形壓水室中的流動(dòng)比較理想，適應(yīng)性強(qiáng)，高效率范圍寬[3]，因此螺旋形蝸殼泵體在離心泵中被廣泛設(shè)計(jì)與應(yīng)用，但由于螺旋形蝸殼泵體受形狀限制，流道不能機(jī)械加工，尺寸形狀與表面光潔度直接靠鑄造來(lái)保證。泵體鑄造使用鑄造模具進(jìn)行泵體型芯與型腔成型，通過(guò)鋼液在型腔內(nèi)凝固冷卻后形成鑄造泵體。一般泵體鑄造模具分外模（圖1左）與芯盒，泵體外模主要在砂箱中形成泵體的外鑄造表面，芯盒主要通過(guò)砂型做出流道砂芯，然后通過(guò)定位組合模塊放置在砂箱內(nèi)形成泵體流道內(nèi)表面，如圖2所示。

圖1 泵體外模模具實(shí)物

圖2 泵體外模型腔與泵體芯盒砂芯

本文借助于單級(jí)離心泵鑄造模具開(kāi)展逆向工程研究，采用工業(yè)三維激光掃描儀作為葉片模具數(shù)據(jù)提取設(shè)備，通過(guò)對(duì)分體單個(gè)模具點(diǎn)云的數(shù)據(jù)提取，獲得完整的葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，然后經(jīng)過(guò)二次處理軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)衰減與優(yōu)化處理，通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，為逆向后處理軟件Imageware surface10.5提供足夠而完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)逆向軟件的基準(zhǔn)對(duì)齊與點(diǎn)云截面提取、點(diǎn)云噪聲點(diǎn)去除和擬合點(diǎn)云截面曲線，最后將擬合好曲線導(dǎo)入三維軟件PROE中進(jìn)行泵體葉片三維模型創(chuàng)建，結(jié)合泵體其他模具測(cè)量數(shù)據(jù)，最終完成整個(gè)泵體逆向三維創(chuàng)建，采用本方法，為泵體模具的逆向產(chǎn)品三維構(gòu)建提供了一種新的思路。

1 泵體水力設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

為方便泵體模具逆向工程后期數(shù)據(jù)的處理，首先需要對(duì)泵體水力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行初步了解，泵體水力設(shè)計(jì)實(shí)際常用速度系數(shù)法，為方便泵體水力計(jì)算與繪圖，一般將螺旋形渦室取8個(gè)彼此成45°角端面，即用8個(gè)軸面切割渦室，求得各斷面的形狀和面積。設(shè)計(jì)時(shí)首先計(jì)算第Ⅷ斷面，其他斷面以第Ⅷ斷面為基礎(chǔ)進(jìn)行確定，采用速度系數(shù)法可首先求的第Ⅷ斷面面積。通過(guò)速度系數(shù)法繪制的單級(jí)泵體水力圖如圖3所示，其中水力各斷面采用羅馬字母表示。泵體水力主要設(shè)計(jì)參數(shù)有：泵基圓直徑，泵隔舌半徑，以及互相呈45°夾角的I～VIII斷面尺寸，泵體IX、X斷面尺寸以及泵出口直徑等參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)即可表達(dá)泵體水力，同時(shí)也可采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行泵體水力三維模型創(chuàng)建，方便泵體建模、泵體水力分析以及強(qiáng)度分析等計(jì)算分析。

2 泵體模具數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

泵體進(jìn)行逆向工程，首先就要進(jìn)行點(diǎn)云的數(shù)據(jù)的獲取，目前逆向工程中常用的數(shù)據(jù)測(cè)量方式有接觸式測(cè)量、非接觸式測(cè)量以及工業(yè)CT掃描測(cè)量，根據(jù)不同被測(cè)物體形狀與結(jié)構(gòu)選擇合適的測(cè)量方式。根據(jù)泵體模具測(cè)量曲面為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，在滿足精度要求前提下，為提高測(cè)量效率與減低測(cè)量成本，方便后期工業(yè)化、規(guī)?；瘻y(cè)繪，首選非接觸式測(cè)量方式。

圖3 泵體水力模型設(shè)計(jì)圖

非接觸式測(cè)量是近些年快速發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)量技術(shù)，它主要利用光學(xué)的原理對(duì)掃描對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集獲取[4]。本文采用掃描設(shè)備型號(hào)為天遠(yuǎn)OKIO-S-400光學(xué)三維掃描儀，如圖4左所示，采用天遠(yuǎn)DigiMetric Pro攝影測(cè)量系統(tǒng)，如圖4右所示。

通過(guò)三維光學(xué)掃描儀測(cè)量數(shù)據(jù)為asc格式,本例中單個(gè)模具測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)約400萬(wàn)，數(shù)據(jù)大小約500M，由于數(shù)據(jù)量多內(nèi)存占用較大，不便于后期圖形數(shù)據(jù)的處理，對(duì)電腦配置要求高，為此需要對(duì)測(cè)量原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理過(guò)程采用Geomagic Studio軟件，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、點(diǎn)云著色、點(diǎn)云邊緣測(cè)量噪聲點(diǎn)處理、點(diǎn)云統(tǒng)一采樣以及采樣過(guò)程中使用衰減，將點(diǎn)云數(shù)量衰減到200萬(wàn)左右，最后對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算封裝（三角化），逐一導(dǎo)出泵體芯盒與外模的四片點(diǎn)云數(shù)據(jù)，保存格式為STL，如圖5所示。

圖4 泵體芯盒模具三維掃描

3 泵體水力點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

泵體水力點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵在于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)創(chuàng)建與整合、基于泵體水力設(shè)計(jì)與三維設(shè)計(jì)流程進(jìn)行截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的曲線重構(gòu)，將完成后的曲線導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行曲面的構(gòu)建與實(shí)體化，結(jié)合該泵體其他組合模具尺寸測(cè)量結(jié)果，完成最終泵體的三維創(chuàng)建。

圖5 泵體模具STL點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.1 泵體點(diǎn)云數(shù)據(jù)基準(zhǔn)創(chuàng)建

完整的泵體模具有泵體外模與芯盒模具組成，測(cè)量點(diǎn)云分為4部分，如圖5所示，如何將四片完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整合為完整泵體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要對(duì)四片點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行空間基準(zhǔn)創(chuàng)建。根據(jù)泵體模具特點(diǎn)，以泵體模具測(cè)量中平面作為基準(zhǔn)平面，本例中為XY平面，以基圓為中心坐標(biāo)0點(diǎn)，垂直于基準(zhǔn)平面XY軸為Z軸，以泵出口圓柱段中點(diǎn)與中心坐標(biāo)原點(diǎn)連線作為Y軸，與Y軸垂直方向作為X軸，如圖6所示，最終與參考系坐標(biāo)重合。單片點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建完成后，對(duì)稱模具另一片點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)創(chuàng)建過(guò)程中，需要設(shè)置Z軸方向相反，最終將四片點(diǎn)云數(shù)據(jù)在空間坐標(biāo)系中完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊。

圖6 泵體模具點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系

由于4片點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程相似，下面就以泵體芯盒單片點(diǎn)云數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行單片點(diǎn)云數(shù)據(jù)基準(zhǔn)創(chuàng)建。單片點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程：點(diǎn)云數(shù)據(jù)中平面提取與處理—點(diǎn)云中平面擬合XY平面—將擬合后的XY平面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為群組與系統(tǒng)XY平面進(jìn)行對(duì)齊—渦室中心圓柱點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取與中心圓擬合—擬合圓與點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為群組整體與系統(tǒng)創(chuàng)建XY平面圓進(jìn)行圓心對(duì)齊—提取泵體出口圓柱段點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合出Y軸—擬合后的Y軸與點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為群組與系統(tǒng)Y軸進(jìn)行對(duì)齊—最后將輔助過(guò)程點(diǎn)云及線條刪除。

1）點(diǎn)云基準(zhǔn)XY平面創(chuàng)建與系統(tǒng)平面對(duì)齊

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取泵體芯盒中平面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖7(b)所示，保留原有點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)提取數(shù)據(jù)誤差較大區(qū)域進(jìn)行誤差點(diǎn)刪除，由于選取的該平面上有凹凸不平點(diǎn)，建議不采用三點(diǎn)創(chuàng)建平面方式，一旦三點(diǎn)中的一點(diǎn)選擇凹凸不平點(diǎn)，所擬合平面放大后的誤差較大。建議此處采用點(diǎn)云擬合平面方法，具體采用Diagnose—誤差分析，彈出誤差分析結(jié)果圖，根據(jù)后期擬合要求設(shè)置誤差范圍±0.5mm，將超差點(diǎn)云數(shù)據(jù)逐一去除，直到所有點(diǎn)云均在誤差范圍內(nèi)，如圖7(c)所示，采用Create-創(chuàng)建基準(zhǔn)平面，擬合后的平面如圖7(d)所示。

圖7 泵體芯盒模具基準(zhǔn)平面創(chuàng)建

圖8 泵體中平面基準(zhǔn)重合后點(diǎn)云

2）泵體點(diǎn)云Y軸創(chuàng)建與坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)齊

針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)Y軸的創(chuàng)建，根據(jù)圖6基準(zhǔn)選擇，需要借助泵體基圓同心圓圓心與泵出口圓柱段來(lái)創(chuàng)建，首先創(chuàng)建泵體出口圓柱段圓柱中心線，首先提取泵體出口處靠近端面約20mm寬點(diǎn)云數(shù)據(jù)。如圖9(a)，保留原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲點(diǎn)去除，完成后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合圓柱，如圖9(b)，對(duì)擬合后的圓柱進(jìn)行誤差分析，如圖9(c)，設(shè)定誤差為±0.5mm，反復(fù)刪除超差誤差點(diǎn)數(shù)據(jù)與圓柱擬合，直到滿足誤差范圍要求為止。連接圓柱兩端圓心點(diǎn)，如圖9(d)，將圓心連線投影到XY平面上，即設(shè)置Z軸坐標(biāo)為0，刪除輔助點(diǎn)云，只保留原始點(diǎn)云與創(chuàng)建軸線。

圖9 泵體中平面基準(zhǔn)重合后點(diǎn)云

取泵體基圓同心圓截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)下端任意高度水平線截取點(diǎn)云，如圖10(a)，截取點(diǎn)云點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用三點(diǎn)擬合圓，并將該擬合圓投影到XY平面內(nèi)，如圖10(b)，完成后將泵出口創(chuàng)建圓柱中心線與擬合圓圓心進(jìn)行連線，如圖10(c)，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)Y軸的創(chuàng)建，將創(chuàng)建的Y軸與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行群組。在系統(tǒng)坐標(biāo)系中創(chuàng)建Y軸方向直線，將創(chuàng)建后的系統(tǒng)Y軸與點(diǎn)云Y軸進(jìn)行重合對(duì)齊。如圖11(a)。需要注意點(diǎn)云擬合連線與系統(tǒng)Y軸創(chuàng)建直線具有方向性。最后在XY系統(tǒng)平面上，以原點(diǎn)為圓心做任意半徑圓，將三點(diǎn)擬合后的基圓同心圓進(jìn)行圓心對(duì)齊，最終將泵體單片芯盒點(diǎn)云數(shù)據(jù)與系統(tǒng)基準(zhǔn)對(duì)齊，如圖11(b)。最后將基準(zhǔn)對(duì)齊后的數(shù)據(jù)保存為STL格式輸出。

圖10 泵體中平面基準(zhǔn)重合后點(diǎn)云

按照此方法，將其余三片點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照以上系統(tǒng)基準(zhǔn)創(chuàng)建方法完成基準(zhǔn)對(duì)齊，注意相互對(duì)稱貼合的點(diǎn)云數(shù)據(jù)Z坐標(biāo)方向相反。

3.2 泵體點(diǎn)云兩瓣貼合誤差分析檢測(cè)

圖11 泵體點(diǎn)云Y軸對(duì)齊與圓心對(duì)齊

泵體芯盒與外模各兩組點(diǎn)云基準(zhǔn)創(chuàng)建完成后，需要對(duì)芯盒點(diǎn)云與外模點(diǎn)云貼合后各自進(jìn)行誤差分析對(duì)比。以芯盒點(diǎn)云貼合后誤差分析為例，將兩組泵體芯盒點(diǎn)云數(shù)據(jù)同時(shí)導(dǎo)入軟件，如圖12(a)所示，以系統(tǒng)XY平面為基準(zhǔn)，沿Z軸對(duì)稱取XY平面上下對(duì)稱平行兩基準(zhǔn)面進(jìn)行點(diǎn)云提取，基準(zhǔn)面到XY平面間距取10mm，如圖12(b)所示，最后沿Z軸方向投影兩截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中對(duì)一個(gè)截面點(diǎn)云進(jìn)行著色，在投影面上，如圖12(c)，對(duì)相近兩點(diǎn)云進(jìn)行誤差測(cè)量，本例中測(cè)得最大誤差0.31mm，小于0.5mm，滿足逆向處理要求，同理做兩外模點(diǎn)云貼合后的誤差，如果誤差大于0.5mm，需要對(duì)較大誤差點(diǎn)云重新進(jìn)行系統(tǒng)基準(zhǔn)創(chuàng)建，查找造成誤差原因，反復(fù)對(duì)比，直到貼合后的測(cè)量誤差滿足最終逆向要求誤差。

圖12 泵體芯盒點(diǎn)云貼合后誤差分析

3.3 泵體關(guān)鍵截面點(diǎn)云參數(shù)提取

根據(jù)泵體水力設(shè)計(jì)方法，泵體水力設(shè)計(jì)主要涉及隔舌部位、泵體的水力模型的八個(gè)斷面尺寸、水力模型基圓以及泵體的出口段的三個(gè)斷面尺寸，下面就以泵體貼合后的芯盒模具點(diǎn)云為例進(jìn)行以上關(guān)鍵部位尺寸的逆向求解。

1）泵體隔舌尺寸測(cè)量

提取泵體隔舌部位上下芯盒點(diǎn)云數(shù)據(jù)，單獨(dú)將該部位點(diǎn)云顯示進(jìn)行分析，如圖13(a)所示，選取隔舌圓角點(diǎn)云比較完整區(qū)域，以XY平面對(duì)稱取兩平面進(jìn)行點(diǎn)云提取，如圖13(b)所示，對(duì)提取的兩隔舌部位點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三點(diǎn)擬合圓，如圖13(c)所示，測(cè)量?jī)筛羯嗖课粩M合圓半徑分別為2.97mm與3.17mm，由于過(guò)程存在誤差，設(shè)計(jì)值一般為整數(shù)，次處割舌半徑取整數(shù)值3mm。

圖13 泵體隔舌點(diǎn)云提取與隔舌圓擬合

2）泵體基圓尺寸測(cè)量

隔舌半徑確定后，根據(jù)泵體水力設(shè)計(jì)圖3所示，泵體基圓與隔舌圓在兩圓心連線上相切，取泵體芯盒點(diǎn)中的一組點(diǎn)云，擬合出隔舌圓并投影到XY平面上，與圖10方法一致，取基圓同心圓點(diǎn)云截面，通過(guò)三點(diǎn)擬合圓，將該圓投影到XY平面上，連接兩圓圓心，如圖14所示，測(cè)量?jī)蓤A圓心距，減去隔舌圓半徑就是基圓半徑，本例中兩圓心距78.5mm，隔舌圓半徑R為3，則基圓半徑為75.5mm。

圖14 泵體隔舌圓與擬合圓圓心連線

3）泵體各斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取與數(shù)據(jù)處理

對(duì)于泵體水力設(shè)計(jì)8個(gè)斷面的提取，如圖3所示，泵體水力第Ⅰ斷面為過(guò)Y軸垂直XY平面的平面，在軟件中選擇Extraction，選擇起始點(diǎn)X與Z值為0，Y值為任意值，設(shè)置斷面數(shù)為8，為便于后期三維建模，同時(shí)將過(guò)泵體隔舌圓心的斷面（一般稱為0斷面）也作出，最終斷面點(diǎn)云如圖15所示。

圖15 泵體水力沿基圓9截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)

對(duì)于泵體水力出口處Ⅸ、Ⅹ斷面提取，采用將泵體出口處點(diǎn)云數(shù)據(jù)靠近XY平面單獨(dú)提取一個(gè)斷面，如圖16(b)所示，完成后根據(jù)彎曲點(diǎn)云斷面走向趨勢(shì)，對(duì)該段點(diǎn)云進(jìn)行曲線擬合，需要注意的是泵體水力出口位置存在一段直線段，需要在曲線擬合過(guò)程需要不斷測(cè)量擬合曲線端點(diǎn)與周?chē)c(diǎn)云誤差，保證直線段與擬合曲線兩端點(diǎn)光滑過(guò)渡，如圖16(c)所示。完成后做垂直于擬合曲線垂直法線截面，為便于后期三維建模，截面數(shù)可取4～6個(gè)截面，如圖16(d)所示。

圖16 泵體水力出口截面創(chuàng)建

4）泵體各斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲線擬合

針對(duì)泵體水力提取的各斷面，根據(jù)圖3泵體水力設(shè)計(jì)斷面，首先對(duì)雜散點(diǎn)進(jìn)行去除，尤其是兩片點(diǎn)云數(shù)據(jù)貼合面位置處，需要逐一去除，完成后采用軟件點(diǎn)云擬合曲線，完成各截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲線擬合，需要指出的是，在泵體出口直線段點(diǎn)云擬合圓時(shí)，需要單獨(dú)進(jìn)行三點(diǎn)擬合圓，完成后的擬合曲線保存為Vda格式，進(jìn)行后期三維軟件處理。

圖17 泵體水力各截面擬合曲線

3.4 泵體水力模型與泵體三維模型創(chuàng)建

將導(dǎo)出的Vda格式的樣條曲線文件導(dǎo)入到Pro/E軟件中，如圖17所示，結(jié)合泵體隔舌圓半徑、基圓半徑及各個(gè)斷面曲線，采用變截面掃描泵體水力三維創(chuàng)建方法，完成的泵體水力模型如圖18所示。需要指出的是，在泵體水力三維模型創(chuàng)建過(guò)程中，在隔舌圓部位需要單獨(dú)采用曲面構(gòu)建。對(duì)于泵體三維建模，需要借助于泵體外模點(diǎn)云數(shù)據(jù)四片點(diǎn)云合并后，如圖19(a)所示，進(jìn)行各斷面的的提取，如圖19(b)所示，完成對(duì)各斷面的壁厚測(cè)量，提取泵體出口法蘭尺寸，對(duì)入口法蘭及泵體其他模具進(jìn)行卡尺測(cè)量后，結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行泵體三維模型逆向創(chuàng)建，最終泵體水力三維模型與泵體三維模型如圖20所示。

圖18 泵體水力各截面擬合曲線

圖19 泵體水力截面擬合曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

圖20 泵體水力三維模型與泵體三維模型

本文通過(guò)對(duì)泵體模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合泵體水力設(shè)計(jì)知識(shí)，探討并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了采用光學(xué)三維掃描儀手段，獲取泵體外模與芯盒點(diǎn)云數(shù)據(jù)，給出了從點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、以surface10.5為主要點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，進(jìn)行了泵體模具測(cè)量點(diǎn)云逆向工程技術(shù)途徑研究，最后在Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件中完成了泵體水力與泵體三維模型創(chuàng)建，為泵體逆向工程提供了一種新的思路。該方法在實(shí)際生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用，有效提升了設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)與效率，其應(yīng)用效果得到了設(shè)計(jì)人員的充分肯定。