許耀東，吳悅樂

上海工程技術(shù)大學(xué)制造工程系；上海市高級技工學(xué)校制造工程系

1 引言

光學(xué)測量屬于非接觸式測量，主要用于測量不易夾緊的微型零件、薄片零件或易變形的軟質(zhì)零件。光學(xué)測量按原理可分為投影法測量、影像法測量和機器視覺測量。投影法測量是采用光學(xué)投影原理對零件進行投影放大測量，可直接通過投屏進行觀察測量；影像法測量是采用CCD相機對零件進行圖像采集，通過計算機軟件進行幾何尺寸測量；機器視覺測量是直接利用視覺傳感器對零件進行采集，獲得數(shù)字化的圖像，并利用邊緣自動識別，獲得幾何圖元的測量[1]。影像法測量和機器視覺測量都可對測量零件數(shù)據(jù)進行CAD文件輸出，可實現(xiàn)零件由實物到CAD圖紙及模型的反求設(shè)計。

反求設(shè)計是利用數(shù)字化的手段對物體進行測量，并利用測量數(shù)據(jù)還原物體CAD模型的過程[2]。反求設(shè)計包括幾何特征反求、功能反求、材料反求和結(jié)構(gòu)反求等。目前采用的測量手段有數(shù)字化量具量儀、光學(xué)測量、三坐標(biāo)測量和三維掃描測量等。本文利用光學(xué)測量方法對微小精密零件進行測量，獲得CAD圖紙，并在此基礎(chǔ)上進行三維建模，實現(xiàn)微小精密零件的反求設(shè)計，為精密零件的仿形和改型設(shè)計提供可行方法。

2 光學(xué)測量及CAD文件輸出

實驗微小精密零件如圖1所示，采用S3020T全自動影像測量儀對該零件進行光學(xué)測量。實驗步驟如下：

圖1 實驗中測量的精密零件

(1)元素直接測量

對精密零件的外觀輪廓(如直線、圓弧和圓)通過選取對應(yīng)的工具，利用邊緣自動識別，可直接測出線段、圓弧和圓等元素[3]。

(2)構(gòu)造元素測量

對于精密零件圓弧槽中線到孔中心的距離尺寸測量，需要構(gòu)造圓槽邊緣的中心線，并測量中心線到孔中心的距離。如圖2所示，圓槽中心線到孔中心距離為7.994mm。

(3)建立直角坐標(biāo)系

為了便于標(biāo)注尺寸和后續(xù)尺寸的評價需建立直角坐標(biāo)系，選取孔中心作為坐標(biāo)原點，選擇圓弧槽上邊緣線的交點和孔中心的連線，即零件的中間對稱軸線作為Y坐標(biāo)軸，X軸自動確定。

(4)CAD輸出

將測量好的圖形文件以.dxf格式導(dǎo)出，為后續(xù)在CAD軟件中進行逆向設(shè)計做好準(zhǔn)備。

圖2 被測零件尺寸

3 二維CAD反求設(shè)計

二維CAD反求設(shè)計是應(yīng)用CAD軟件對測量導(dǎo)出的.dxf文件進行再編輯，最終形成完整的CAD圖形[4]。實驗中選用CAXA軟件完成逆向設(shè)計，具體操作如下：

(1)延伸

如圖3所示，導(dǎo)入的.dxf文件顯示直線和圓弧均為分段，并未連接到一起，采用延伸工具可將直線延伸至另一直線。

圖3 顯示線條分段的.dxf圖形

(2)剪切

對于延伸后的相交直線，通過剪切工具刪除多余的線段，獲得封閉的曲線。

(3)鏡像

利用圖形對稱的特點，將中間直線作為對稱軸，選擇鏡像工具將右邊編輯好的圖形鏡像到左邊，實現(xiàn)精密零件結(jié)構(gòu)的反求。

(4)檢查

檢查編輯好的圖形是否存在多余的線段或斷點不連續(xù)的曲線，檢查完畢后，輸出最終線條連續(xù)的CAD圖形，另存為.dwg格式，見圖4。

圖4 顯示線條連續(xù)的CAD圖形

4 三維模型反求設(shè)計

選擇三維設(shè)計軟件導(dǎo)入二維CAD文件數(shù)據(jù)，以CAD文件作為草圖文件，利用實體正向建模的方法，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、布爾運算和剪切等工具進行三維建模，實現(xiàn)反求設(shè)計[5]。

本實驗采用Pro/E軟件對編輯好的.dwg文件進行導(dǎo)入，通過實體建模的方法[6]實現(xiàn)零件三維模型的反求設(shè)計，具體步驟如下：

(1)導(dǎo)入草圖數(shù)據(jù)

利用PROE軟件新建實體文件，進入草繪界面選擇草繪，選擇數(shù)據(jù)來自文件和系統(tǒng)，導(dǎo)入.dwg文件，選擇旋轉(zhuǎn)角度，縮放設(shè)置為1，即可進入草圖編輯功能。

(2)提取邊線草繪拉伸

進入草圖界面，點擊通過邊創(chuàng)建圖元的圖標(biāo)，即可抽取CAD上的線段和圓弧形成封閉的曲線，點擊完成草圖即可進行拉伸操作。

(3)曲面掃掠實體剪切

對于圓弧槽的反求，需要用到曲面掃掠的命令。求出圓槽的截面圓的尺寸。根據(jù)二維圖像測得圓弧槽的槽寬L=6.646mm，設(shè)定圓弧槽中心到精密零件平面的距離h=2mm，反求圓弧槽的半徑R(見圖5)，計算公式為

將L=6.646mm，h=2mm代入上式，可得R=3.878mm，圓弧槽的直徑D=2R=7.756mm。

圖5 圓弧槽半徑測量

工具欄如圖6所示，點擊掃掠命令，選取參照線，選取草圖繪制的截面圓，選擇去除材料，最終得到如圖7所示帶圓槽的零件模型。

圖6 掃掠工具欄

圖7 應(yīng)用掃掠處理獲得的模型

5 結(jié)語

(1)通過光學(xué)非接觸測量微小、易損傷和不易裝夾的精密零件，可減少儀器接觸零件引起的機械變形誤差和熱膨脹誤差，實現(xiàn)無傷檢測。

(2)通過光學(xué)測量CAD輸出功能可以建立二維CAD草圖，結(jié)合三維軟件構(gòu)建實體模型，完成逆向設(shè)計，為后續(xù)零件的仿制和改型設(shè)計做好準(zhǔn)備。