基于逆向工程的機(jī)身曲面重構(gòu)方法及光順技術(shù)分析

茍國慶 王思蕾 杜穎娜

摘 要：曲面重構(gòu)與光順技術(shù)為逆向工程的重要組成部分，二者有效應(yīng)用可確保設(shè)計(jì)模型以1：1比例生產(chǎn)為實(shí)物產(chǎn)品。本文分析基于逆向工程的機(jī)身曲面重構(gòu)方法及光順技術(shù)，通過對(duì)曲面重構(gòu)方法及光順技術(shù)的合理調(diào)整，充分實(shí)現(xiàn)機(jī)身模型特征，提高機(jī)身生產(chǎn)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：逆向工程;曲面重構(gòu);光順技術(shù)

0 引言

逆向工程指將實(shí)物模型化的過程，其涵蓋數(shù)字化、模型重建、產(chǎn)品制造等多項(xiàng)技術(shù)。逆向工程將已有產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)模型，以準(zhǔn)確了解產(chǎn)品的細(xì)節(jié)特征，然后對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)造。逆向工程的最大優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)在可精準(zhǔn)復(fù)刻實(shí)物模型的特征上，由此產(chǎn)生的設(shè)計(jì)圖紙、數(shù)據(jù)更具可靠性和精確度，有必要對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行總結(jié)。

1 基于逆向工程的模型數(shù)據(jù)采集

機(jī)身曲面模型數(shù)據(jù)采集是開展后續(xù)工作的基礎(chǔ)，目前常用的模型數(shù)字化處理方式主要有接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量，采用測(cè)量機(jī)、數(shù)控機(jī)床測(cè)量裝置、數(shù)字化設(shè)備等完成數(shù)據(jù)采集。以上方法、工藝的發(fā)展已相對(duì)成熟，但存在測(cè)量精度低、測(cè)量周期長的缺陷，一般不用做軟實(shí)物的測(cè)量。現(xiàn)階段，信息技術(shù)、光電技術(shù)迅速發(fā)展，圖像處理工作多在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)完成，以此為基礎(chǔ)的非接觸測(cè)量在逆向工程中的應(yīng)用越來越廣泛，并衍生出光柵法測(cè)量、激光三角測(cè)量等技術(shù)分支。

在使用激光掃描儀開展機(jī)身曲面模型測(cè)量時(shí)，需對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)零，選擇光線強(qiáng)度適宜的環(huán)境開展測(cè)量操作，以減少獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的雜點(diǎn)。提升機(jī)身曲面模型的反射度可使數(shù)據(jù)測(cè)量過程進(jìn)展更為順利，提高點(diǎn)云獲取精度，因此模型裝夾之前，可在其表面均勻涂刷反差劑[1]。將機(jī)身曲面模型固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，適當(dāng)調(diào)整其方位，確保激光掃描儀全面掃描曲面。掃描儀的邊界、步距可通過Y軸和Z軸控制，以使邊界與曲面模型邊界相適應(yīng)，減少點(diǎn)云中干擾項(xiàng)。采用單鏡頭掃描模式，保存掃描數(shù)據(jù)，為方便后期數(shù)據(jù)處理，每次保存前可更改點(diǎn)云名稱。一次掃描完成后，將轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)120°，無需記錄角度，旋轉(zhuǎn)完畢后進(jìn)行調(diào)零，然后重復(fù)一次掃描的操作步驟。掃描過程中會(huì)出現(xiàn)局部掃描不到位的現(xiàn)象，此時(shí)可進(jìn)行局部掃描，補(bǔ)齊點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

測(cè)量過程中，機(jī)身曲面模型被裝夾固定，因此在轉(zhuǎn)臺(tái)角度調(diào)整的過程中，系統(tǒng)可自動(dòng)將全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合到同一坐標(biāo)系內(nèi)。測(cè)量結(jié)束后，在同一坐標(biāo)系內(nèi)呈現(xiàn)三次掃描結(jié)果。

2 基于逆向工程的機(jī)身曲面重構(gòu)

在CATIA軟件環(huán)境下開展機(jī)身曲面重構(gòu)作業(yè)。首先，進(jìn)行模型數(shù)據(jù)預(yù)處理，彌補(bǔ)數(shù)據(jù)點(diǎn)不足，清除無效數(shù)據(jù)及冗余數(shù)據(jù)，以降低測(cè)量誤差。模型掃描系統(tǒng)存在既定的有效作用范圍，該范圍內(nèi)出現(xiàn)的物體數(shù)據(jù)均可被掃描，使獲取的機(jī)身模型數(shù)據(jù)中存在干擾項(xiàng)，此時(shí)可使用Remove工具將多余數(shù)據(jù)點(diǎn)清除，僅保留與機(jī)身構(gòu)件有關(guān)的點(diǎn)云。為使曲面構(gòu)建呈現(xiàn)的最終效果盡可能接近機(jī)身模型，還可對(duì)點(diǎn)云做網(wǎng)格化處理，具體工具為Mesh Creation。平滑處理則使用Mesh Smoothing工具開展，通過調(diào)節(jié)拉桿改變平滑程度。在實(shí)際操作中，平滑度的選擇不宜過高，避免機(jī)身曲面細(xì)節(jié)丟失，保證最終曲面重構(gòu)的完整性。

其次，目標(biāo)機(jī)身構(gòu)件需利用曲面模型表示，因此需將點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)模塊，以得到不同的曲面模型。各個(gè)曲面片之間光滑銜接、過渡，才能順利完成重構(gòu)過程，同時(shí)減少工程計(jì)算量，提高設(shè)計(jì)精度。在曲面片劃分過程中，要求數(shù)據(jù)塊凹凸性相一致，強(qiáng)化機(jī)身曲面重構(gòu)時(shí)態(tài)，合理利用曲率法及散亂數(shù)據(jù)可提高劃分質(zhì)量。在軟件平臺(tái)內(nèi)，通過平面與機(jī)身構(gòu)件相交，可得到交線，或調(diào)整交線曲率，確保曲面劃分的精確度，另外交線數(shù)量的合理控制也可發(fā)揮精度提升作用。注意在交線調(diào)節(jié)過程中，應(yīng)重點(diǎn)圍繞曲面擬合展開，確保機(jī)身擬合曲面能夠與真實(shí)的機(jī)身部件完美貼合。

最后，機(jī)身曲面重構(gòu)方式分代數(shù)法和參數(shù)法兩種。機(jī)身曲面擬合完畢后，將各曲面結(jié)合并做加厚處理即可得到實(shí)際的曲面結(jié)構(gòu)。但是形成的曲面結(jié)構(gòu)往往帶有一定質(zhì)量缺陷，主要來自于逆向設(shè)計(jì)模型與理想模型、數(shù)據(jù)采集與既有模型間的誤差，需要進(jìn)行人工調(diào)整，以避免對(duì)機(jī)身曲面構(gòu)建帶來過多干擾。

3 基于逆向工程的機(jī)身光順技術(shù)

完成以上操作步驟后，不一定能得到高質(zhì)量的機(jī)身曲面重構(gòu)，主要是由于曲面模型需要同時(shí)達(dá)到性能及精度的要求。機(jī)身曲面模型多由多張曲面構(gòu)成，曲面模型的性能和精度也就對(duì)應(yīng)多張曲面的性能、精度以及連接質(zhì)量。單個(gè)曲面的性能指標(biāo)有光順度、氣動(dòng)性、可加工性等，若為自由曲面，還需對(duì)其光滑性做嚴(yán)格控制，避免出現(xiàn)褶皺、平點(diǎn)或曲率不明等問題[2]。單個(gè)曲面之間的連續(xù)性控制要點(diǎn)則在位置、曲率及切線上。

引發(fā)機(jī)身曲面模型性能不足的原因主要有以下兩點(diǎn)，在利用光順技術(shù)時(shí)需予以重點(diǎn)關(guān)注：第一，點(diǎn)云數(shù)據(jù)本身非常復(fù)雜，若直接開展擬合操作，會(huì)導(dǎo)致算法處理難度及處理時(shí)間顯著上升。另外，不同機(jī)身曲面特征間的連接處存在較大誤差，節(jié)點(diǎn)分布密度大，進(jìn)而導(dǎo)致操作難度提高。第二，為充分保留機(jī)身曲面模型的局部性能，需對(duì)點(diǎn)云節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬合，使用Merge工具及圓角做過渡處理。過渡曲面受原曲面邊界性質(zhì)的影響較大，其精度無法通過點(diǎn)云擬合來保證，進(jìn)而導(dǎo)致擬合結(jié)果的形態(tài)無法被有效控制，引發(fā)畸變。

基于光順技術(shù)，擬合曲面的邊界不受限，在擬合完畢后，需根據(jù)實(shí)際機(jī)身曲面模型完成曲面剪裁。此外，邊界不受限還會(huì)導(dǎo)致空間點(diǎn)參數(shù)域坐標(biāo)值的變化非常靈活，提高點(diǎn)云性能的可控程度，確保最終的機(jī)身曲面性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但由于剪裁曲面的量化值只受曲線的約束，相應(yīng)的平移、圓角等操作均會(huì)被過多限制，且曲面便邊界之間存在較高的差異性，因此曲面間縫隙的影響無法被忽視，導(dǎo)致機(jī)身曲面很難快速成型。因此在進(jìn)行光順處理時(shí)，相關(guān)人員需確保曲面間的連續(xù)性，嚴(yán)格控制調(diào)整過程，以免對(duì)機(jī)身曲面的性質(zhì)、精確度等造成干擾。

4 結(jié)論

利用激光掃描儀全面采集機(jī)身曲面模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及網(wǎng)格化，為后期曲面重構(gòu)及光順提供有利條件。通過逆向工程，實(shí)現(xiàn)機(jī)身曲面模型的快速、精確搭建，從而為機(jī)身優(yōu)化提供最佳的設(shè)計(jì)方案，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]莫小鳳.基于逆向工程曲面構(gòu)建與曲面光順技術(shù)研究[J].大科技，2018（29）：377-378.

[2]李蘭蘭.HD-SHM2005系統(tǒng)中數(shù)學(xué)技術(shù)在光順船體型線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].無線互聯(lián)科技，2018，15（11）：134-136.

作者簡介：茍國慶（1989-），男，甘肅白銀人，學(xué)士，工程師，主要研究方向：工藝數(shù)據(jù)建模和修形。