□ 龔海軍 □ 周 濤 □ 李 歡 □ 黃仁清 □ 張夢祥 □ 謝文章

1.重慶交通大學 機電與車輛工程學院 重慶 400074 2.重慶機電增材制造有限公司 重慶 400074

1 研究背景

在汽車零部件產品設計前期,工程師對產品的造型設計主要采用概念設計、計算機輔助設計與制造系統(tǒng)、制造系統(tǒng)、新產品的正向設計方法。但是,對于復雜的產品,正向設計方法表現(xiàn)出不足,包括設計過程難度大、周期長、成本高,不利于產品的研制開發(fā)[1]。工程師無法完全預估產品在設計過程中會出現(xiàn)的狀況,若每次都因為一些局部問題而導致整個產品設計方案推倒重來,則無論是對時間還是對成本而言,都是不可接受的[2]。逆向設計通常根據正向設計概念所產生的產品原始模型或已有產品來進行改良,通過對產生問題的模型進行直接修改、試驗和分析,得到相對理想的結果,然后再基于修正后的模型或樣件,通過掃描和造型等一系列方法得到最終的三維模型[3-4]。

逆向點云數(shù)據采集方法可以分為接觸式和非接觸式兩種[5]。其中,接觸式具有采集精度高等優(yōu)點,但不易采集復雜零件和大密度數(shù)據;非接觸式采集數(shù)據密度大,測量周期短,測量過程簡單[6]。筆者以某汽車發(fā)動機凸輪軸蓋零件為對象,基于法如激光三維掃描儀,通過激光掃描和點云處理重建產品的數(shù)字化模型,為產品生命周期管理過程中產品的改進、壓鑄模具的再設計等工程提供數(shù)據。

2 掃描原理

選用法如絕對值關節(jié)臂式激光三維掃描儀進行數(shù)據采集,其臂長為2.5 m,采用藍色激光技術。該掃描儀測量臂具有高達75 μm的精度,可生成高分辨率點云數(shù)據,不需要涂層或靶標即可無縫掃描,操作簡單,具體參數(shù)見表1。

表1 法如絕對值關節(jié)臂式激光三維掃描儀參數(shù)

法如絕對值關節(jié)臂式激光三維掃描儀是一種便攜的接觸式測量儀器,采用在測頭上附加小型結構激光掃描頭的方法來實現(xiàn)對工件的三維快速掃描,系統(tǒng)精度達2M級。這一掃描儀集接觸式與非接觸式方法優(yōu)點于一體,對空間不同位置待測點的接觸類似人手臂的運動[7-8]。與三坐標測量機相比,法如絕對值關節(jié)臂式激光三維掃描儀的測頭設置更靈活。與其它光學測量系統(tǒng)相比,不要求測點的通視條件,對通視條件較差的測點依然有效。測量臂激光掃描基于光學三角形測量原理[9],將規(guī)則的激光投射到被測量物體表面,形成反射光信號,被空間另一側的圖像傳感器吸收,根據信號的偏移,通過被測物體的平面、角度、距離等關系,按照三角幾何原理反映出被測物體空間坐標。光學三角形測量原理如圖1所示[10]。

若被測表面位置在激光光軸方向移動的距離為y,光斑像在探測器光敏面上的位置相應移動的距離為x,則利用相似三角形各邊的比例關系,可得y和x滿足關系式(1):

(1)

式中:a0為參考點處激光光斑到成像透鏡物方主平面的距離;b0為光斑像到成像透鏡像方主平面的距離;α為成像透鏡光軸與被測表面法線之間的夾角;β為成像透鏡光軸與探測器光敏面的夾角。

由于各關節(jié)間測量臂長度是固定的,因此測量臂間的轉動角可以通過光柵編碼度盤實時得到[11]。法如絕對值關節(jié)臂式激光三維掃描儀共有七個關節(jié),每個關節(jié)內置位置傳感器,測量轉換方程式為[12-13]:

(2)

▲圖1 光學三角法測量原理

式中:(xp,yp,zp)為掃描儀測頭在測量空間測量點p的坐標值;h,r,li,di、αi依次為圓柱坐標系下的坐標高度、半徑、測量臂長度、位置偏置量、位置扭角;θi為關節(jié)處圓編碼器測得的角度。

3 零件點云數(shù)據采集

鋁合金發(fā)動機凸輪軸蓋零件輪廓尺寸為360 mm×160 mm×26 mm,發(fā)動機高度方向有凸起,最高凸起尺寸為44 mm。零件壁厚基本均勻,最大壁厚為5 mm。零件如圖2所示。

▲圖2 鋁合金發(fā)動機凸輪軸蓋零件

法如絕對值關節(jié)臂式激光三維掃描儀是七軸測量系統(tǒng),可以無縫集成激光掃描頭,適應絕大多數(shù)表面材質。因此,凸輪軸蓋不需要進行任何預先處理,而可以直接進行數(shù)據采集?？砂凑障日w、后局部的原則采集凸輪軸蓋正表面、反表面、側面和孔等的數(shù)據。

掃描所得點云數(shù)據的精確性和完整性決定了三維模型的精度。掃描前,將零件表面的雜質、油污等清潔干凈,放置于工作臺上,并將法如絕對值關節(jié)臂式激光三維掃描儀穩(wěn)定放置于平整質硬的地面上。數(shù)據采集時,設備底座與被掃描物體保持相對靜止。激光掃描過程中,應盡量使掃描儀始終垂直于掃描表面,并保持適當?shù)膾呙杷俣?。掃描頭應保持勻速運動,避免重復掃描同一個區(qū)域。細小的孔和縫掃描時應轉換角度,盡量采集完整,如確實掃描不到,應保證采集到關鍵特征,方便逆向建模時進行特征擬合。激光掃描完畢后,再進行三坐標測量,最終掃描所得點云數(shù)據文件存儲為.asc格式文件,數(shù)據點共有2 862 744個,文件大小為166 MByte。激光掃描測量如圖3所示,三坐標測量如圖4所示,激光掃描點云數(shù)據如圖5所示。

▲圖3 激光掃描測量▲圖4 三坐標測量▲圖5 激光掃描點云數(shù)據

4 點云數(shù)據預處理

激光掃描獲得的數(shù)據為散亂的點云數(shù)據,存在大量冗余數(shù)據和噪聲點、異點。為提高逆向建模精度,減小數(shù)據處理量,需要分別對點云數(shù)據進行去噪和精簡預處理[5]。筆者對點云數(shù)據進行弦偏差采樣和去噪,使數(shù)據點減少22%。

5 逆向建模步驟

在Geomagic軟件中對零件進行逆向建模,整體思路為將點云數(shù)據按零件特征進行分割,然后再按點、線、面的順序逐步擬合和編輯[14],具體步驟如下:

(1) 導入點云數(shù)據,經雜點消除、采樣、平滑后,對導入的數(shù)據進行區(qū)塊劃分,軟件可自動識別出掃描物體的平面、圓角、自由曲面等幾何特征;

(2) 追加參照平面,通過由區(qū)塊劃分自動提取出的特征手動對齊坐標,方便后續(xù)逆向建模;

(3) 進行面片草圖設置,提取輪廓線,優(yōu)化調整直線段和弧線;

(4) 通過輪廓線拉伸實體;

(5) 通過提取輪廓線、偏移、拉伸實體、布爾運算、切割、合并等操作,完成零件逆向;

(6) 進行誤差分析,修正局部尺寸,輸出最終的.stp格式文件。

6 模型重構

6.1 凸輪軸蓋輪廓線擬合

曲線是構建曲面的基礎,在逆向工程中,通常利用插值或逼近的方式擬合成樣條曲線,再利用掃描、拉伸、放樣等手段生成曲面。由插值方式建立的曲線,必然會通過所有測量的數(shù)據點,因此曲線與數(shù)據點的誤差為零。但是,在數(shù)據量過大和存在噪聲點的情況下,曲線控制點可能過多,插值結果會出現(xiàn)不平滑現(xiàn)象。逼近方式可以允許一個指定誤差,并可以設定控制點數(shù)量,基于最小二乘法求出曲線與數(shù)據點之間的距離,進行控制點調整,以滿足誤差要求。由于零件采用激光掃描,點云數(shù)據量大,因此對于機加工裝配面的輪廓曲線采用插值擬合,而對于鑄造曲面的輪廓曲線則采用逼近的方式擬合曲線。對關鍵曲線形狀、尺寸、位置進行邊界定義和約束,其它曲線進行相應編輯,點云數(shù)據區(qū)域化效果如圖6所示,點云數(shù)據截面輪廓如圖7所示。

▲圖6 點云數(shù)據區(qū)域化效果

6.2 三維模型重構

獲取零件輪廓曲線后,檢驗曲線連續(xù)性和約束條件,并進行相應修改,確保準確還原凸輪軸蓋形狀。在輪廓曲線的基礎上進行拉伸,然后再進行修剪、縫合、倒角等,得到凸輪軸蓋三維模型。

▲圖7 點云數(shù)據截面輪廓

凸輪軸蓋草圖拉伸效果如圖8所示,凸輪軸蓋建模效果如圖9所示。

▲圖8 凸輪軸蓋草圖拉伸效果▲圖9 凸輪軸蓋建模效果

7 逆向模型精度檢測與分析

將由激光掃描所得點云數(shù)據逆向重構的模型與預處理后的點云數(shù)據進行對比檢驗[15]。由三維分析文件可知,逆向模型與點云數(shù)據最大誤差為±3.7 mm,整體誤差如圖10所示。由圖10可見,零件中部平面加工及弧形區(qū)域整體誤差較小,原因是幾何特征簡單,擬合曲線、平面與點云數(shù)據能很好貼合;其它區(qū)域局部逆向模型與點云數(shù)據存在相對大的誤差,特別是軸孔的圓環(huán)平面與下邊沿,在拉伸過程中尺寸過大。

▲圖10 初次逆向模型與點云數(shù)據誤差

根據初次逆向模型誤差產生的原因進行相應修改,整體誤差如圖11所示。

▲圖11 改進后逆向模型與點云誤差

由圖11可見,經過改進后,逆向模型與點云數(shù)據更加貼合,模型只在局部區(qū)域形成誤差。特別需要指出的是,圖11中模型兩長邊誤差位置和大小具有對稱性,這表明誤差主要由定位引起,并非實際逆向模型不精確所致。

由逆向模型與點云數(shù)據的對比分析顯示,兩者平均誤差最小為-0.066 mm,高于測量臂75 μm的精度,而由逆向模型與點云數(shù)據定位引起的局部最大誤差為3.774 mm,主要存在于個別非加工的鑄造表面,由此可以認為逆向模型與點云數(shù)據誤差極小,完全符合要求。

值得注意的是,逆向建模質量的高低并非完全取決于逆向模型與點云數(shù)據的貼合程度。因為激光掃描數(shù)據及壓鑄產品本身會存在測量、制造、加工誤差,而且逆向模型更關鍵的作用是還原零件原型的設計尺寸和設計思想。

筆者進行了逆向模型的精確度分析,用于反映重構模型與所測樣件之間的偏差。將激光三維掃描點云數(shù)據逆向模型設置為檢測對象,三坐標測量逆向模型設置為參考對象,通過最佳擬合方式對齊后進行三維比較。三維比較結果顯示,檢測結果的最大偏差為±0.867 mm,平均偏差為0,標準偏差為0.004 mm。重構模型偏差較大的部分基本集中在部件邊角處等鑄造表面,大部分裝配孔及裝配面的曲面精度很高。激光三維掃描與三坐標測量逆向模型三維比較如圖12所示。

▲圖12 激光三維掃描與三坐標測量逆向模型三維比較

一般而言,激光掃描點云數(shù)據逆向模型與三坐標測量逆向模型的關鍵尺寸都是在測量結果基礎上圓整的。因為設計時主要幾何參數(shù)多數(shù)是整數(shù),所以這種圓整處理力求還原原始設計尺寸和思想,同時也縮小兩種逆向建模結果的誤差。局部非重要鑄造表面的最大偏差達到±0.867 mm,原因一方面是兩種測量方法都存在測量誤差,另一方面是非重要區(qū)域建模時幾何尺寸取舍不一。經過充分驗證和迭代測試,確認重構模型精確度符合壓鑄類零件的工程精度要求。

8 結束語

通過法如絕對值關節(jié)臂式激光三維掃描儀對發(fā)動機凸輪軸蓋采集點云數(shù)據,然后根據點云數(shù)據特征進行分割、提取輪廓線、拉伸實體、合并等操作,得到零件最終的三維模型。通過與三坐標測量模型進行對比分析,確認最大偏差為±0.867 mm,滿足壓鑄件精度要求。結果表明,基于激光掃描的數(shù)據采集與模型重構方法為金屬零件重構提供了一種準確、快速的反求方法,為驗證原型產品設計意圖及對產品改進、再設計提供了方便,并縮短了產品的開發(fā)周期。