王國鋒，何 冰

(1.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004； 2.高端工程機(jī)械智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221004)

0 引 言

隨著各個(gè)廠家對產(chǎn)品研發(fā)的日益重視，國內(nèi)工程機(jī)械主機(jī)產(chǎn)品的性能已經(jīng)具有了國際水平。但是由于工程機(jī)械關(guān)鍵零部件往往購自國外廠商，導(dǎo)致產(chǎn)品利潤率偏低，這已經(jīng)成為制約工程機(jī)械行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。為了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，許多廠家均加大了核心零部件自主研發(fā)的投入，但是采用傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法必須通過多次的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，研發(fā)周期長、研發(fā)成本高。

發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器作為一種重要組件，在工程機(jī)械產(chǎn)品上應(yīng)用廣泛，其散熱效果對整機(jī)壽命影響很大。葉片作為散熱器上的核心元件，主要由自由曲面組成，其設(shè)計(jì)精度直接決定散熱器的性能。筆者采用非接觸式激光掃描儀對某發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器葉片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后結(jié)合逆向工程軟件進(jìn)行反求設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對原產(chǎn)品的快速開發(fā)和試制，縮短了設(shè)計(jì)周期，同時(shí)確保了設(shè)計(jì)質(zhì)量[1]。

1 逆向工程概述

逆向工程(Reverse Engineering, RE)又稱反求工程，源自精密測量技術(shù)和質(zhì)量檢測技術(shù)，是一種以設(shè)計(jì)方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種專業(yè)人員的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識和創(chuàng)新思維，對已有新產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造。廣義的逆向工程包括幾何形狀逆向、工藝逆向和材料逆向多個(gè)方面，是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程[2]。不過就目前而言，絕大多數(shù)有關(guān)逆向工程技術(shù)的研究和應(yīng)用都集中在幾何形狀的逆向，即重建產(chǎn)品實(shí)物的CAD模型，即幾何形狀逆向，本文所指的逆向工程即屬于這個(gè)范疇。

2 逆向設(shè)計(jì)流程

逆向設(shè)計(jì)的步驟可以概括如下：根據(jù)樣件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先利用非接觸式激光掃描儀采集樣件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后使用Geomagic和Pro/Engineer進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)、實(shí)體化等，得到樣件的CAD模型；最后結(jié)合葉片生產(chǎn)加工工藝，對其進(jìn)行修改、完善，最終得到可以用于生產(chǎn)試制的葉片CAD模型。其大致流程如圖1所示。

3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是逆向設(shè)計(jì)的第一步，是后續(xù)建模的基礎(chǔ)，對最終模型的精度有重要影響，因此應(yīng)快速、完整、精確地采集葉片的三維輪廓數(shù)據(jù)。

圖1 葉片逆向設(shè)計(jì)流程圖

數(shù)據(jù)采集方式通常分為兩種，接觸式測量和非接觸式測量[3]。接觸式測量是傳統(tǒng)的測量方式，測量過程中測頭與模型表面接觸，測量精度高，但是接觸式測量是機(jī)械式測量結(jié)構(gòu)存在的缺陷，難以實(shí)現(xiàn)快速測量。非接觸式測量方法在測量過程中測頭不接觸被測表面，避免對被測表面的損傷及測頭半徑的補(bǔ)償，測量速度快、自動(dòng)化程度高，適用于復(fù)雜曲面模型的三維測量。

本文采用的非接觸式激光三維掃描儀是便攜式掃描儀中速度最快、精度最高的產(chǎn)品之一，可以完全滿足葉片表面數(shù)據(jù)采集的精度要求。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，應(yīng)清理樣件表面的油污、銹蝕等雜質(zhì)，盡可能采集其真實(shí)特征數(shù)據(jù)。由于溫度、濕度及周圍工作環(huán)境的關(guān)系，數(shù)據(jù)采集過程中可能會產(chǎn)生一定的噪聲數(shù)據(jù)，圖2為采集的葉片初始數(shù)據(jù)。

圖2 葉片原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4 數(shù)據(jù)處理

獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，為了便于后續(xù)建模過程的順利開展，需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理主要包括雜點(diǎn)剔除、補(bǔ)齊孔洞、數(shù)據(jù)簡化、點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接等步驟[4]。

處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的第一步是要將異常數(shù)據(jù)剔除。不同類型的雜點(diǎn)可采用不同的精簡方式，對于偏離較大的點(diǎn)及孤立的點(diǎn)可以根據(jù)目測直接手動(dòng)刪除，對于無法目測刪除的可以采用曲線檢查法和弦高差法來進(jìn)行過濾，這兩種方法都要求事先設(shè)定一個(gè)允差，當(dāng)點(diǎn)的弦距到曲線的歐氏距離超過允差時(shí)就可以當(dāng)作噪聲點(diǎn)進(jìn)行過濾。

補(bǔ)齊孔洞是為了填補(bǔ)點(diǎn)云數(shù)據(jù)上的小孔洞。首先依據(jù)測量數(shù)據(jù)采用相應(yīng)的構(gòu)造準(zhǔn)則，并用邊界增量構(gòu)造算法自動(dòng)定位殘缺區(qū)域及其邊界，然后利用插值方法構(gòu)造逼近殘缺邊界的平面特征多邊形網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)殘缺區(qū)域滿足特征形狀及邊界約束的數(shù)據(jù)修復(fù)，使修復(fù)的數(shù)據(jù)能夠反映產(chǎn)品重要設(shè)計(jì)意圖。

數(shù)據(jù)簡化的目的是對點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡，提高系統(tǒng)計(jì)算效率。數(shù)據(jù)精簡過程應(yīng)在有效的簡化數(shù)據(jù)的同時(shí)保持原有數(shù)據(jù)特征。不同類型的點(diǎn)云可采取不同的精簡方式，如散亂點(diǎn)可選擇隨機(jī)采樣、均勻網(wǎng)格、三角網(wǎng)格方法；掃描線和多邊形點(diǎn)云可采用等間距縮減、倍率縮減、等量縮減等方法；網(wǎng)格化點(diǎn)云可采用等分布密度法和最小包圍區(qū)域法等。

由于受測量設(shè)備和樣件形狀的限制，測量過程有時(shí)要多次才能完成，這樣點(diǎn)云數(shù)據(jù)就存在數(shù)據(jù)拼接的問題。對同一樣件的多視點(diǎn)云可以采用兩種方法進(jìn)行處理：一是基于點(diǎn)的點(diǎn)云拼合，即直接對點(diǎn)云進(jìn)行拼接，其優(yōu)點(diǎn)是可以獲得拓?fù)渖弦恢碌臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但無法實(shí)現(xiàn)基于面的拼合。二是基于特征的點(diǎn)云拼合，這種方法速度快，準(zhǔn)確性高，但可能出現(xiàn)局部特征重復(fù)的情況。圖3為經(jīng)過處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

由于很多零件的幾何特征都是具有對稱性的，為了保證模型的準(zhǔn)確性，并便于裝配，應(yīng)建立零件坐標(biāo)系。建立坐標(biāo)系的過程可以在Geomagic Studio中完成，首先基于點(diǎn)云構(gòu)造特征，然后按照一定的方法將全局坐標(biāo)系與零件坐標(biāo)系進(jìn)行對齊，即完成坐標(biāo)系建立，如圖4所示。

圖3 經(jīng)過預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù) 圖4 葉片坐標(biāo)系

5 曲面重構(gòu)

曲面重構(gòu)就是對曲面的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而定義出幾何形狀，這一過程是逆向工程的核心技術(shù)。曲面擬合算法可分為插值法和逼近法兩大類。插值曲面的精度較高,能夠反映所有原始特征信息，但是曲面光順程度一般不夠好；逼近曲面精度較低，但是光順度較好，而且會過濾無用的數(shù)據(jù)。

目前常用的兩種曲面構(gòu)建方法為：①直接對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，生成NURBS曲面；②先將測量點(diǎn)擬合成曲線，再通過曲面造型的方式將曲線構(gòu)建成曲面。在實(shí)際應(yīng)用中，往往要根據(jù)具體情況，兩種方法結(jié)合使用。

該葉片由底座和葉片主體兩部分組成。底座形狀特征較規(guī)則，通常由機(jī)加工工序完成，適合采用第二種建模方法，即通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合曲線，采用正向設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行建模。而葉片形狀十分復(fù)雜，曲率變化較大，全部由自由曲面構(gòu)成，必須采用第一種方法，即在Geomagic Studio中對點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分區(qū)域，擬合參數(shù)曲面，將曲面文件保存為CAD軟件可以讀取的文件格式，如IGS、STP，然后導(dǎo)入Pro/Engineer中進(jìn)行下一步處理。

一般情況下，很難用一張曲面來擬合整個(gè)零件表面，而是分塊構(gòu)造曲面之后，對曲面采用拼接、求交、裁剪等處理。本文將所有曲面縫合為一個(gè)封閉的曲面，進(jìn)行實(shí)體化，得到實(shí)體模型。最后根據(jù)葉片的加工制造工藝，對模型進(jìn)行修改和完善，得到最終可用于生產(chǎn)的葉片CAD模型。最終模型如圖4所示。

6 誤差對比分析

建模完成后，為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途?，需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD模型進(jìn)行誤差對比。將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD模型一起導(dǎo)入軟件Geomagic Qualify，采用最佳擬合方式對齊，然后進(jìn)行分析計(jì)算[5]。

最佳擬合對齊是針對不同坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和CAD模型，基于最小二乘法進(jìn)行估算兩者之間的最小平均距離，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)定位到CAD數(shù)模。

經(jīng)過軟件對比分析，該葉片CAD模型與原始點(diǎn)云的平均偏差為0.117～0.090 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.154 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。對比分析結(jié)果如圖6所示。

圖5 葉片最終CAD模型 圖6 誤差對比分析結(jié)果

7 結(jié) 語

以某發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器葉片為例，首先利用非接觸式激光三維掃描儀采集葉片表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用軟件Geomagic Studio對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，采用Geomagic與Pro/Engineer相結(jié)合的建模方法，得到葉片的最終CAD模型。為驗(yàn)證建模的正確性，在Geomagic Qualify中進(jìn)行建模誤差對比分析，結(jié)果表明誤差值完全滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了基于Geomagic的葉片逆向設(shè)計(jì)方法的正確性。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，提高了工作效率，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，降低了產(chǎn)品研發(fā)成本。