基于特征分解的復(fù)雜零件測(cè)量規(guī)劃與建模技術(shù)*

王　喬，成思源,b，卜　研,b，楊雪榮

(廣東工業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院，b.廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州　510006)

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基于特征分解的復(fù)雜零件測(cè)量規(guī)劃與建模技術(shù)*

王喬a，成思源a,b，卜研a,b，楊雪榮a

(廣東工業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院，b.廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510006)

摘要：針對(duì)復(fù)雜零件測(cè)量上的難題，提出一種基于特征分解的零件測(cè)量規(guī)劃及混合建模技術(shù)。將復(fù)雜零件詳細(xì)地分解為不可再劃分的元特征，并對(duì)相關(guān)聯(lián)的元特征進(jìn)行組合，匹配最優(yōu)的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)量規(guī)劃，進(jìn)而對(duì)提取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)拼接，數(shù)據(jù)處理及模型重構(gòu)。最后對(duì)一個(gè)風(fēng)機(jī)蝸殼實(shí)物零件實(shí)施了測(cè)量,數(shù)據(jù)處理并重構(gòu)其CAD模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，這種基于特征分解的復(fù)雜零件測(cè)量規(guī)劃與建模技術(shù)能有效提高復(fù)雜零件的逆向測(cè)量效率與質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：逆向工程；規(guī)劃技術(shù)；元特征；模型重構(gòu)

0引言

在現(xiàn)代工程領(lǐng)域中，會(huì)存在像大型泵體、輪船發(fā)動(dòng)機(jī)、船用曲軸和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。現(xiàn)階段采用最多的方式是利用逆向工程技術(shù)[1]進(jìn)行此類復(fù)雜零件的開(kāi)發(fā)，而怎樣在逆向技術(shù)的基礎(chǔ)上規(guī)劃出合理的反求方案，對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行更高效、更準(zhǔn)確測(cè)量與建模是目前重要的研究目標(biāo)[2]。

目前，復(fù)雜零件的測(cè)量研究集中在將多個(gè)測(cè)量設(shè)備組合使用,以此來(lái)獲取數(shù)據(jù)。LIANG CHIA CHEN[3]等應(yīng)用CMM配置一個(gè)觸發(fā)式測(cè)頭和一個(gè)計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了視覺(jué)輔助的反求工程方法，重構(gòu)了二次曲面；Tzung-Sz Shen[4]等人利用一個(gè)由CCD相機(jī)、數(shù)據(jù)化處理投影儀(DLp)、CMM測(cè)量系統(tǒng)和具有圖像處理功能的計(jì)算機(jī)組成的高精度數(shù)字化系統(tǒng)，將特征和幾何信息分類提取，根據(jù)完全特征信息，不完全特征信息和無(wú)效特征信息這三類提取數(shù)據(jù)信息；Brad ley和Chan[5]把激光測(cè)量頭和接觸式測(cè)量頭集成到測(cè)量機(jī)的Z軸壁上，利用兩個(gè)測(cè)量頭在控制系統(tǒng)上的獨(dú)立性、互補(bǔ)性進(jìn)行測(cè)量，用激光測(cè)量頭測(cè)量整體自由曲面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，接觸式側(cè)頭用于測(cè)量邊界輪廓以及點(diǎn)云的分割邊界。另外，通過(guò)設(shè)計(jì)意圖來(lái)指導(dǎo)測(cè)量路徑的規(guī)劃也是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

以上研究都是針對(duì)設(shè)備集成測(cè)量，但在采用多種設(shè)備對(duì)復(fù)雜零件的測(cè)量規(guī)劃上的研究不夠深入。本文采用一種基于特征分解的復(fù)雜零件構(gòu)建測(cè)量規(guī)劃技術(shù)，將零件上的形狀區(qū)域劃分為最小的元特征，然后使相關(guān)聯(lián)的元特征結(jié)合起來(lái)，根據(jù)測(cè)量經(jīng)驗(yàn)匹配相應(yīng)最優(yōu)的測(cè)量設(shè)備，并通過(guò)此方法測(cè)量獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以此來(lái)構(gòu)建完整的CAD模型。并通過(guò)復(fù)雜實(shí)物零件驗(yàn)證了該方法的有效性。

1集成測(cè)量技術(shù)規(guī)劃

1.1元特征分解及流程

目前，復(fù)雜零件集成測(cè)量的相關(guān)研究都集中在如何組合測(cè)量設(shè)備上，而對(duì)測(cè)量的具體規(guī)劃細(xì)節(jié)和選擇規(guī)劃的方案沒(méi)有一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致在測(cè)量規(guī)劃上對(duì)測(cè)量特征劃分的不夠清晰或者不夠合理。

由于每個(gè)復(fù)雜零件都是由各種元特征按一定的關(guān)系耦合而成[6]，所以分解復(fù)雜模型是規(guī)劃前最重要的工作之一。為了能更清晰的表達(dá)出每一個(gè)元特征，應(yīng)該盡量將復(fù)雜零件劃分為最小測(cè)量單元。根據(jù)層次分析方法劃分，復(fù)雜零件可以分為三種信息：元特征屬性，元特征關(guān)聯(lián)屬性，元特征參數(shù)。其中，元特征屬性是指元特征上的固有幾何特性；元特征關(guān)聯(lián)屬性是指元特征之間可能存在某種關(guān)系，例如對(duì)稱關(guān)系，復(fù)制關(guān)系或者陣列關(guān)系等，可以用某一種測(cè)量設(shè)備直接測(cè)量其中一個(gè)特征即可；元特征參數(shù)是指在采集數(shù)據(jù)規(guī)則特征的幾何參數(shù)數(shù)據(jù)。

復(fù)雜零件分解為以上三種信息后，首先將元特征屬性進(jìn)行組合，對(duì)其進(jìn)行定性定量分析后，選擇最佳測(cè)量設(shè)備，然后根據(jù)用戶經(jīng)驗(yàn)規(guī)劃最優(yōu)的測(cè)量順序，最終經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與混合建模可獲得完整CAD模型，具體規(guī)劃路線如圖1所示。

圖1　規(guī)劃模型圖

1.2測(cè)量的最優(yōu)選擇

元特征屬性是主要的分析對(duì)象，元特征屬性劃分的好壞直接影響到測(cè)量的效率高低與測(cè)量質(zhì)量好壞。元特征按照功能可以劃分為基本功能，輔助功能，其他功能，如圖2。

圖2　元特征屬性

測(cè)量設(shè)備的信息是另一重要因素，測(cè)量設(shè)備選擇的優(yōu)劣決定了獲取數(shù)據(jù)的精確性。選擇測(cè)量設(shè)備的考慮因素有很多，如設(shè)備類型，測(cè)量精度，操作方式以及接觸方式等都是考慮的重點(diǎn)，如圖3。

圖3　測(cè)量設(shè)備信息描述

元特征測(cè)量最優(yōu)方法的選擇主要考慮到以上兩個(gè)因素：元特征信息和設(shè)備信息。首先將元特征精度要求與設(shè)備精度進(jìn)行匹配，畫(huà)出初步匹配圖。然后根據(jù)設(shè)備測(cè)量的合理性進(jìn)一步調(diào)整匹配結(jié)果，獲得最終匹配方式。

2風(fēng)機(jī)蝸殼最優(yōu)測(cè)量規(guī)劃

圖4中風(fēng)機(jī)蝸殼按功能可以分解為基本功能，輔助功能和其他功能，然后將各功能最終分解為元特征，具體的劃分方式如圖5。

圖4　測(cè)量模型

圖5　風(fēng)機(jī)蝸殼元特征分解

風(fēng)機(jī)蝸殼上的元特征太多，組合相關(guān)聯(lián)的元特征可以提高測(cè)量效率，提高模型質(zhì)量。將風(fēng)機(jī)蝸殼上的元特征組合為8類特征：平面，一般孔，高精度孔，規(guī)則特征，外部曲面，內(nèi)腔曲面，排氣口，凸緣。如表1所示。

表1　風(fēng)機(jī)蝸殼元特征組合

根據(jù)風(fēng)機(jī)蝸殼各元特征精度要求，選取四種測(cè)量方式，其中包括CMM，關(guān)節(jié)臂接觸式探頭，關(guān)節(jié)臂光學(xué)掃描頭，常規(guī)測(cè)量(包括游標(biāo)卡尺與千分尺)4個(gè)類型測(cè)量測(cè)量?jī)x器或測(cè)量工具，如下表2。

表2　測(cè)量可供的4種方法

由以上信息，通過(guò)用戶經(jīng)驗(yàn)可獲得最優(yōu)的測(cè)量規(guī)劃，其中由于風(fēng)機(jī)蝸殼為鈑金件，內(nèi)腔曲面無(wú)需測(cè)量殼體內(nèi)部，通過(guò)外部數(shù)據(jù)即可建模生成，具體如圖6所示。

圖6　最優(yōu)測(cè)量規(guī)劃

3風(fēng)機(jī)蝸殼測(cè)量與建模

Geomagic Design Direct是一款正逆向混合設(shè)計(jì)軟件[8]，能將逆向建模與正向建模緊密結(jié)合，無(wú)需轉(zhuǎn)換正逆向建模數(shù)據(jù)，操作方便。Geomagic Design Direct的建模在多邊形網(wǎng)格的截面線特征與規(guī)則特征的提取編輯上功能更豐富，實(shí)體特征與二維截面的正向設(shè)計(jì)建模功能也比較成熟，可以直接對(duì)原始掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何形狀重構(gòu)得到產(chǎn)品的實(shí)體CAD模型，并通過(guò)正向建模工具對(duì)實(shí)體特征及其相互之間的約束關(guān)系進(jìn)行編輯修改以實(shí)現(xiàn)再設(shè)計(jì)。Geomagic Design Direct中混合建模流程如圖7。

圖7　混合流程圖

基于Geomagic Design Direct的逆向建模流程一般可以分為四個(gè)步驟：數(shù)據(jù)獲取與處理、多邊形階段處理、曲面重構(gòu)與對(duì)齊[9]。

3.1數(shù)據(jù)獲取與處理

模型的數(shù)字化是逆向工程中關(guān)鍵過(guò)程之一。經(jīng)過(guò)分析風(fēng)機(jī)蝸殼表面造型特征與表面精度要求，將風(fēng)機(jī)蝸殼按照以下測(cè)量規(guī)劃進(jìn)行分類測(cè)量，如圖8所示。

圖8　測(cè)量規(guī)劃圖

圖9　對(duì)齊工作臺(tái)

在對(duì)殼體整體測(cè)量前，首先設(shè)計(jì)一個(gè)由四個(gè)圓球組成標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)，如圖9所示。將測(cè)量對(duì)象放置于此工作臺(tái)上,方型風(fēng)口與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)平面進(jìn)行粘合固定，測(cè)量中分別用相應(yīng)的測(cè)量設(shè)備對(duì)已選定的三個(gè)圓球進(jìn)行測(cè)量，并建立相應(yīng)的坐標(biāo)系，在后續(xù)的操作中都以此坐標(biāo)系作為對(duì)齊基準(zhǔn)[10]。測(cè)量時(shí)對(duì)于要求較高的固定孔，使用CMM采集具體參數(shù)，精度要求不是很高但數(shù)目較多的孔，例如側(cè)邊面上的圓孔，采用關(guān)節(jié)臂接觸式測(cè)量，以提高測(cè)量效率。圖10為三坐標(biāo)測(cè)量風(fēng)機(jī)蝸殼外形曲面數(shù)據(jù)。圖11為關(guān)節(jié)臂掃描儀掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖10　CMM測(cè)量點(diǎn)云

圖11　關(guān)節(jié)臂掃描點(diǎn)云

關(guān)節(jié)臂掃描測(cè)量數(shù)據(jù)中，因受到測(cè)量環(huán)境、工件的表面質(zhì)量等影響，測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)噪音點(diǎn)，要對(duì)關(guān)節(jié)臂掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括對(duì)齊對(duì)象，空洞修復(fù)，數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化。

3.2模型重構(gòu)與對(duì)齊

根據(jù)不同方式測(cè)量的數(shù)據(jù)可以分為兩類：點(diǎn)云數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)。由于使用多種測(cè)量設(shè)備集成測(cè)量，獲得數(shù)據(jù)被分為幾個(gè)部分組成，數(shù)據(jù)對(duì)齊是關(guān)鍵步驟[11],對(duì)齊流程如圖12所示。

圖12　數(shù)據(jù)對(duì)齊流程

Geomagic Design Direct軟件中，對(duì)于非參數(shù)化數(shù)據(jù)首先將點(diǎn)云網(wǎng)格面處理后提取的特征(包括二維截面、輪廓線)經(jīng)過(guò)再編輯，所得到的封閉曲線通過(guò)“編輯”模塊 “拉動(dòng)”中拉伸、旋轉(zhuǎn)、拔膜和掃掠等正向建模操作。

圖13　初步處理模型

CMM測(cè)量與關(guān)節(jié)臂掃描儀測(cè)量的數(shù)據(jù)分別建模完成后，將兩個(gè)模型以坐標(biāo)系對(duì)齊，然后使用布爾原理進(jìn)行裁剪。最后，將高精度孔測(cè)量數(shù)據(jù)與裁剪后的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系對(duì)齊，進(jìn)而高精度孔參數(shù)在裁剪后的模型中進(jìn)行定位，再布爾減等操作；凸緣部分在單獨(dú)建模后與古風(fēng)機(jī)箱模型經(jīng)過(guò)孔對(duì)齊，最終可獲得如圖14所示的完整CAD模型。

圖14　完整CAD模型

4總結(jié)

本文基于特征分解的復(fù)雜零件測(cè)量規(guī)劃與建模有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1)通過(guò)利用元特征分解將一個(gè)復(fù)雜的零件分解成元特征，將相關(guān)聯(lián)的元特征組合測(cè)量的規(guī)劃方法能有效的提高測(cè)量效率。

(2)采用正逆向建模的方式逆向建模，將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用特征對(duì)齊的方式對(duì)齊，再使用正逆向軟件數(shù)據(jù)處理、提取特征、再編輯等一體化建模方式，減少了數(shù)據(jù)的丟失，保證了數(shù)據(jù)完整性。

(3)提出了利用四個(gè)圓球作為公共特征的對(duì)齊的方法，保證了數(shù)據(jù)在拼接過(guò)程中準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該種方法對(duì)于復(fù)雜零件的逆向測(cè)量與建模能，具有高效率、高質(zhì)量的特點(diǎn)。

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(編輯李秀敏)

The Measurement planning and Modeling Technology of Complex part Based on

Feature Decomposition

WANG Qiaoa, CHENG Si-yuana,b,BU Yana,b,YANG Xue-ronga

(a.School of Electromechanical Engineering；b.Key Laboratory of Innovation Method and Decision Management System of Guangdong province, Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

Abstract：Aiming at the difficulty of complicated parts measurement, a part measurement planning and hybrid modeling technology based on feature decomposition was put forward. The complex parts was decomposed into element features which could no longer be divided, and the associated element features was combined, optimal measuring equipment is matched to obtain measurement planning, then model is reconstruction through data collection ,cloud data splicing , and processing. Finally, The measurements were carried out for a fan volute physical parts, data processing and reconstructing the CAD model. Experiments show that this method of the measurement planning and modeling technology of complex part based on feature decomposition can improve the efficiency and quality of reverse measuring of complex parts.

Key words：reverse engineering; planning technology; element feature; model reconstruction

中圖分類號(hào)：TH164;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王喬(1989—)，男，湖北黃岡人，廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)槟嫦蚬こ蹋?(E-mail)915292378@qq.com。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51105078)；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2012B091100190)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011A060901001，2013B061000006)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013J4300019)資助

收稿日期：2015-03-28

文章編號(hào)：1001-2265(2016)01-0059-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.017