逆向工程技術(shù)在水表開發(fā)領(lǐng)域的研究

楊 濱,張偉東,許學(xué)文,蔣彥華,朱 斌

(寧波水表(集團)股份有限公司,浙江 寧波 315032)

0 引言

水表計量精度的失準已經(jīng)逐漸成為供水企業(yè)計量工作的難點。由水表計量精度偏差引發(fā)的水資源浪費不容忽視。水表的精準性直接關(guān)乎水資源的有效利用,也是可持續(xù)發(fā)展的重要要求,與每個用水單位息息相關(guān)。

在國家政策和節(jié)能環(huán)保要求的指引下,越來越多的水務(wù)公司和用戶意識到節(jié)約用水的重要性。受到污水處理費用、水資源價格不斷上漲等因素的影響,水務(wù)公司管理工作面臨著困難和挑戰(zhàn)。

本文采用逆向工程技術(shù)對表殼和葉輪等水表重要零件進行三維模型重建,著重分析逆向工程應(yīng)用于復(fù)雜零件再造的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)的研究對提高水表零件的檢測和制造精度具有重要意義[1],可有效縮短水表零件的設(shè)計周期,為實現(xiàn)水表零件數(shù)字化檢測提供了參考[2]。

1 逆向工程概述及測量選型

逆向工程又稱反求工程、反向工程。 逆向工程是傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(正向工程)的相對概念。 逆向工程是以已有產(chǎn)品和資料為基礎(chǔ),對其進行消化吸收、改革創(chuàng)新、改進優(yōu)化的生產(chǎn)過程[3]。逆向工程可以優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、制作替換部件、設(shè)計新產(chǎn)品。

逆向工程特征提取指通過測量設(shè)備把產(chǎn)品表面形狀轉(zhuǎn)化成離散的幾何坐標數(shù)據(jù),并以點云數(shù)據(jù)來表示實物模型的幾何特征[4]。常用逆向工程測量方法分類如圖1所示。

圖1 常用逆向工程測量方法分類

根據(jù)表殼的結(jié)構(gòu)特點,表殼選取三坐標測量機進行測量。三坐標測量機具有精度高、可測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜和不規(guī)則的工件等優(yōu)點。葉輪選取三維掃描法進行測量。三維掃描法的優(yōu)勢是非接觸式掃描、速度快、數(shù)據(jù)全自動拼接、測量精度高、便攜式設(shè)計、操作簡單、輸出數(shù)據(jù)接口廣泛。

2 三坐標測量機的技術(shù)原理及應(yīng)用分析

2.1 技術(shù)原理

三坐標測量機是在三維可測的空間范圍內(nèi),根據(jù)測頭系統(tǒng)返回的點數(shù)據(jù),通過三坐標的軟件系統(tǒng)計算各類幾何形狀、尺寸等測量能力的儀器。三坐標測量機集光學(xué)、機械、電子、計算機和數(shù)控技術(shù)于一體,是自動化、高精度、多功能的接觸式測量儀器[5]。

三坐標測量機具有自動化和數(shù)字化程度高的特點,不僅可以大幅提升測量工作速度,而且能顯著提高測量精度,是目前設(shè)計、檢驗等領(lǐng)域中較為主流的一款測量設(shè)備[5]。

2.2 應(yīng)用方法

水表表殼因曲面和水流流道形狀相對復(fù)雜,如采用非接觸式測量方法則無法準確測量出所需數(shù)據(jù)。因此,本文采用接觸式測量方法。以下具體介紹接觸式測量方法對表殼型面特征提取、數(shù)據(jù)處理的過程。

表殼測量要根據(jù)探針選用、測量基準選擇、測量點數(shù)及測量位置規(guī)劃等各種因素統(tǒng)一考慮,以保證測量結(jié)果的準確性和測量效率[6]。

大部分表殼材質(zhì)為黃銅。黃銅是由銅、鋅組成的合金。選取的探針要求與表殼材質(zhì)不發(fā)生干涉,使提取的特征為所要測量的實際數(shù)據(jù)。測量時,探針接觸應(yīng)盡可能沿法線方向、所接觸的點應(yīng)盡可能為最大分布、選取的點應(yīng)盡可能多,從而使提取的特征更具代表性[6]。三坐標測量機工作流程如圖2所示。

圖2 三坐標測量機工作流程圖

三坐標測量機獲得表殼點陣數(shù)據(jù)的步驟為:首先,借助逆向工程軟件(如Imageware surfacer等)讀取點陣數(shù)據(jù);接著,創(chuàng)建曲線、建立曲面等,完成數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)換成通用格式;然后,導(dǎo)入三維設(shè)計軟件(如Solidworks等),對數(shù)據(jù)進行光順、延伸、剪切等處理,完成實體的再設(shè)計過程;最后,得到表殼的管理軟件計算機輔助設(shè)計(computer aided design,CAD)模型[7]。

表殼擬合曲線如圖3所示。

圖3 表殼擬合曲線

表殼CAD模型如圖4所示。

圖4 表殼CAD模型

2.3 偏差分析

在特征提取、曲線擬合以及數(shù)據(jù)處理過程中,不可避免地會出現(xiàn)精度偏差和模型失真,所以有必要對重建的模型進行精度分析。本文運用三維軟件中的特征比較功能,實現(xiàn)理論數(shù)據(jù)與逆向工程測量數(shù)據(jù)的比較;通過直觀的色彩偏差圖,實現(xiàn)模型的偏差分析。

3 三維掃描法的技術(shù)原理及應(yīng)用

3.1 技術(shù)原理

三維光學(xué)掃描技術(shù)是集光、機、電及分析和數(shù)據(jù)處理于一體的多功能集成耦合技術(shù),主要用于對物體空間外形、結(jié)構(gòu)尺寸和色彩進行掃描測量,以獲取被測物體的實體幾何數(shù)據(jù)參數(shù)[8]。其實際意義在于將實物的立體幾何信息轉(zhuǎn)換成計算機能直接處理的數(shù)字信號,為被測物體特征提取、數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計及制造提供了方便、快捷的解決方案。

三維光學(xué)掃描儀為非接觸測量,以其掃描范圍大、速度快、精度高、掃描的點云雜點少、系統(tǒng)內(nèi)置標志點自動拼接、自動刪除重復(fù)數(shù)據(jù)、操作簡單、價格低等優(yōu)點而在產(chǎn)品設(shè)計中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

三維光學(xué)掃描儀的掃描過程基于光學(xué)三角測量原理。其步驟為:首先,投影模塊將一系列編碼光柵投影到物體表面;然后,由采集模塊得到相應(yīng)被調(diào)制的圖象;最后,通過特有的算法獲取點云數(shù)據(jù)的三坐標位置,并在掃描儀軟件中轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式。這種數(shù)字格式常以三維多邊形網(wǎng)格形式呈現(xiàn),是創(chuàng)建CAD模型的尺寸依據(jù)。

三維掃描數(shù)據(jù)優(yōu)化流程如圖5所示。

圖5 三維掃描數(shù)據(jù)優(yōu)化流程圖

圖5中,數(shù)據(jù)預(yù)處理包括拼接、降噪和精簡。

3.2 特征提取

三維光學(xué)掃描儀對葉輪進行掃描前,需要在葉輪表面貼標記點,以便在掃描時進行空間定位[9]。使用三維光學(xué)掃描儀需選定一個穩(wěn)定的工作環(huán)境。掃描過程中不可出現(xiàn)震動。環(huán)境光線不要太強,最好選擇在暗室操作,以避免額外光線對掃描儀的干擾。被掃描物體和鏡頭距離要適中。結(jié)構(gòu)重疊部分應(yīng)盡可能減少掃描次數(shù)。數(shù)據(jù)多次拼接會使累計誤差增大。做到以上幾點,就能有效提高測量精度。

3.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)葉輪特點,掃描儀從不同角度對物體外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行掃描。重復(fù)掃描操作,即可提取完整的特征。本文利用迭代就近點(iterative closest point,ICP)算法對點云進行拼接[10]。該算法主要用于三維空間中的點云配準,適用于平面、曲線和曲面等各種場景。當點云配準的精度未滿足設(shè)計要求時, ICP 算法可在不斷的迭代中降低誤差,以實現(xiàn)理想的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。開始的粗略匹配為之后的精準匹配提供了較好的定位點。ICP算法的作用為進一步縮小誤差,使數(shù)據(jù)處理結(jié)果無限接近實物的外形輪廓。

預(yù)處理后的葉輪點云如圖6所示。

圖6 預(yù)處理后的葉輪點云

3.4 模型重建

CAD模型重建是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)。CAD模型重建主要通過逆向工程軟件對預(yù)處理后的點云數(shù)據(jù)進行擬合,并對所建立的模型進行編輯操作,如拼接、過渡和剪切等,從而實現(xiàn)重建模型。

葉輪CAD模型如圖7所示。

圖7 葉輪CAD模型

曲面用以非均勻有理B樣條(non-uniform rational B-splines,NURBS)為基礎(chǔ)的建模方式。相比傳統(tǒng)的網(wǎng)格建模,NURBS能更好地控制物體表面的曲率,使實物的造型更加生動、逼真,是現(xiàn)代曲面造型中應(yīng)用廣泛的技術(shù)[11]。

4 結(jié)論

逆向工程根據(jù)現(xiàn)有的實體,采用有效的工具和方法測量其外形坐標點數(shù)據(jù),再根據(jù)所得數(shù)據(jù)構(gòu)建出實物的幾何模型。實物原型的再現(xiàn)僅僅是逆向工程的初步階段,在此基礎(chǔ)上進行基于原型的再設(shè)計、再分析、再提高,從而實現(xiàn)重大改型的創(chuàng)新設(shè)計,才是逆向工程的真正價值和意義所在。

本文首先采用三坐標測量機和三維掃描法分別對水表表殼、葉輪進行特征提取;接著利用軟件對所得數(shù)據(jù)進行處理,得到可視化的誤差分析;然后重建模型對模型的合理性進行評估;最后得到零件的特征參數(shù),導(dǎo)出所需的CAD圖紙。本文使用逆向工程技術(shù)成功開發(fā)出具有市場競爭力的水表,為后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)提供指導(dǎo)和借鑒。