逆向設(shè)計技術(shù)在整流罩建模中的應(yīng)用

唐順等

摘 要：以某整流罩為研究對象，在缺乏圖紙和理論數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用基于激光跟蹤儀的非接觸式測量設(shè)備獲取該罩體的外形點云數(shù)據(jù)。通過對測量數(shù)據(jù)的分析和研究，使用3D設(shè)計軟件-CATIA及逆向設(shè)計技術(shù)完成整個整流罩的外形曲面的重構(gòu)工作，并生成可用于該罩體模具設(shè)計的三維數(shù)模。

關(guān)鍵詞：逆向合計；點云；曲面重構(gòu)

引言

某整流罩的逆向設(shè)計是一項系統(tǒng)工程，需要涉及制造業(yè)的諸多領(lǐng)域。文章中介紹的整流罩逆向設(shè)計方法及過程僅僅指構(gòu)建該整流罩外形曲面三維數(shù)學模型的過程。根據(jù)整流罩的表面材質(zhì)、使用環(huán)境及內(nèi)部蜂窩結(jié)構(gòu)確定采用非接觸式測量方式完成外形數(shù)據(jù)的獲取，文章采用基于激光跟蹤儀和Polyworks三維測量軟件的T-scan對該整流罩外形進行掃描，獲取點云數(shù)據(jù)。

1 某整流罩逆向設(shè)計實例

1.1 渦輪整流罩外形分析

根據(jù)罩體的安裝部位，根據(jù)獲取的安裝部位的離散的點云面片構(gòu)建安裝部位外形曲線，應(yīng)用CATIA中的創(chuàng)成式曲面模塊拉伸出安裝部位的外形曲面；再將該安裝部位的外形曲面進行偏移，得到偏移曲面；偏移曲面是對其點云數(shù)據(jù)進行分塊的基礎(chǔ)切割曲面。

逆向設(shè)計技術(shù)是快速實現(xiàn)整流罩外形曲面數(shù)字化的主要途徑。某整流罩在工作中損傷，根據(jù)某試驗要求，迫切需要應(yīng)用逆向設(shè)計對其外形進行建模，通過模型生產(chǎn)模具對其進行生產(chǎn)制造。經(jīng)過分析，該整流罩屬于整體件，下部通過連接法蘭與某曲面相連。在逆向設(shè)計過程中需要對其整體進行掃描，通過軟件將采集的數(shù)據(jù)進行分塊處理，分別進行逆向設(shè)計。數(shù)據(jù)分塊是根據(jù)整流罩的表面特征，將其點云分為不同的數(shù)據(jù)塊分別進行逆向曲面設(shè)計，提高逆向設(shè)計效率，消除無關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)對待處理區(qū)域的影響。

1.2 整流罩表面點云數(shù)據(jù)的采集

本次點云數(shù)據(jù)的獲取采用的設(shè)備屬于非接觸式測量方式，也不需要在整流罩的表面噴涂顯影劑或粘貼標示點，其數(shù)據(jù)采集精度可以達到20μm。由于整流罩的尺寸不大，可將三維測繪掃描儀放置某一固定的站位，翻轉(zhuǎn)整流罩2次就能完成整個整流罩的表面數(shù)字化掃描工作。在軟件中通過2次掃描的公共區(qū)域?qū)Ⅻc云對齊至統(tǒng)一坐標系下。獲取的點云是以單點的三維坐標形式存儲，要對其進行逆向設(shè)計，需要將其進行三角面片封裝，封裝成*.stl格式。STL封裝是將采集的離散的點云作為三角形的頂點連接形成分片線形曲面，能夠表示測點的臨接關(guān)系和模型的正確全局拓撲[2]。經(jīng)過軟件中的統(tǒng)計命令可知采集的點數(shù)為498287個，封裝后三角形數(shù)為977416個，整流罩的面積為1.859m2。

1.3 整流罩曲線與曲面的構(gòu)建

整流罩逆向設(shè)計的目標是根據(jù)離散的數(shù)據(jù)點構(gòu)造出光滑、連續(xù)的CAD模型，因此模型重建技術(shù)是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。曲面重構(gòu)過程實際上就是根據(jù)實物模型的點云，重建其幾何和拓撲信息，再現(xiàn)曲面產(chǎn)品特征的過程。

采集的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)填充、數(shù)據(jù)過濾剔除噪點后的點云數(shù)據(jù)位逆向設(shè)計的基準數(shù)據(jù)。分析整流罩后，需要通過與XY平面平行的一系列截面與點云數(shù)據(jù)進行相交計算，獲取截面曲線，通過放樣計算、外插延伸、橋接及修飾得到罩體的外形曲面。在逆向設(shè)計過程中，要實時運用檢測命令檢測點云數(shù)據(jù)與構(gòu)造曲面間的偏差值。如果不符合要求，就需要調(diào)整NURBS曲面的控制點，直到滿足要求，這是一個反復(fù)迭代的過程，也需要大量的逆向設(shè)計經(jīng)驗，所需要的逆向設(shè)計技巧很多，需要在實踐中根據(jù)不同的實際情況采用相應(yīng)的曲面構(gòu)建方法以達到滿意的效果。

1.4 整流罩的三維實體模型設(shè)計

將用逆向設(shè)計方法重構(gòu)的罩體外形曲面切換至CATIA的零件設(shè)計模塊，應(yīng)用曲面加厚命令完成罩體的實體設(shè)計過程，應(yīng)用重構(gòu)的安裝部位的外形曲面對其進行分割，應(yīng)用修飾命令中的倒角工程就可以完成該罩體的三維模型，滿足罩體逆向設(shè)計要求。

2 結(jié)束語

在缺乏相關(guān)設(shè)計資料數(shù)據(jù)的前提下，根據(jù)某整流罩的重新設(shè)計需求，應(yīng)用基于激光跟蹤儀的三維數(shù)字化測繪設(shè)備獲取該罩體的表面數(shù)據(jù)，使其表面數(shù)字化，結(jié)合逆向設(shè)計的一般程序及整流罩自身特點，分塊完成該整流罩的外形及安裝部位的外形曲面，并應(yīng)用零件設(shè)計模塊中的相關(guān)命令將曲面填充成可用于加工制造的三維實體模型，得到了十分有效的設(shè)計結(jié)果，對該整流罩的可維修性和再制造性奠定了基礎(chǔ)。隨著材料技術(shù)、數(shù)字化測量技術(shù)、逆向設(shè)計技術(shù)及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，具有復(fù)雜外形曲面的整流罩的再制造領(lǐng)域?qū)瓉硗黄菩缘陌l(fā)展，將對經(jīng)濟的快速發(fā)展和國防現(xiàn)代化建設(shè)具有重要的意義。

參考文獻

[1]金濤，陳建良，童水光.逆向工程技術(shù)研究進展[J].中國機械工程，2002（16）：1430-1436.

[2]譚昌柏，汪俊.逆向工程基本原理與方法[M].南京航空航天大學，2007：46-57.

[3]范歡歡，劉韶光，王宏旭.基于逆向設(shè)計的飛機腹部整流罩設(shè)計[J].機械研究與應(yīng)用，2013（6）：114-115.

作者簡介：唐順（1988-），男，漢族，助理工程師，學士，主要研究方向：飛行試驗設(shè)計、計劃管理。

劉韶光（1984-），男，漢族，工程師，碩士，主要研究方向：試驗機逆向設(shè)計、數(shù)字化裝配技術(shù)、科研計劃管理。