三維工裝逆向構(gòu)建數(shù)字模型技術(shù)研究

程世明，李仁花，陳志敏，劉洋洋，雷玉如

（航空工業(yè)洪都，江西南昌，330024）

0 引言

目前，國內(nèi)外對(duì)模擬量逆向重建CAD模型的研究開發(fā)開展了大量的工作。從模擬量逆向重構(gòu)三維模型的過程來看，包括數(shù)據(jù)測量采集和幾何模型重構(gòu)兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1）數(shù)據(jù)測量采集：工件表面數(shù)據(jù)采集的方法有多種，可分為接觸式和非接觸式兩大類[1]。然而逆向工程中常用的數(shù)據(jù)采集方法包括三坐標(biāo)測量儀、光學(xué)方法、CT方法等。光學(xué)方法應(yīng)用廣泛，以激光為光源的三角形法已經(jīng)走向?qū)嵱秒A段，但其不能對(duì)具有內(nèi)腔的物體或一些價(jià)格昂貴、不可拆卸的封閉裝配體進(jìn)行測量[2]。CT方法雖能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測量，但測量精度還比較低，而且設(shè)備又極其昂貴。測量設(shè)備采集得到的數(shù)據(jù)通常還難以直接用以重構(gòu)幾何模型，需要人工干預(yù)即經(jīng)過多視拼接 (Registration)、補(bǔ)全、噪聲濾除、篩減、光順等數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，才能用于重構(gòu)幾何模型。

2）幾何模型重構(gòu)：CAD系統(tǒng)中的幾何模型由最早的線框模型，發(fā)展到曲面模型，再到現(xiàn)在的實(shí)體模型和特征模型[3]。三角網(wǎng)格可以看作是一種特殊的線框模型，通常情況下曲面重構(gòu)和實(shí)體模型重構(gòu)在三角網(wǎng)格基礎(chǔ)上進(jìn)行；實(shí)體模型重構(gòu)還要利用曲面重構(gòu)方法，重構(gòu)實(shí)體模型后才能進(jìn)一步提取特征構(gòu)建特征模型[4]。著名的商業(yè)逆向工程軟件有：美國RainDrop 公司的 Geomagic；EDS 公司的 Surfacer；英國DELCAM公司的CopyCAD；韓國INUS公司開發(fā)的RapidForm；國內(nèi)浙江大學(xué)的RE-SOFT等。其功能包括：多視圖拼接、光順、去噪、空洞修補(bǔ)等，在測量點(diǎn)集基礎(chǔ)上構(gòu)建網(wǎng)格模型、擬合光順曲面等[5]。雖然商用軟件的功能很強(qiáng)大，但其還不能完全識(shí)別設(shè)計(jì)者的意圖，這就需要人工進(jìn)行操作，比如對(duì)曲線的擬合處理時(shí)需要根據(jù)其曲率分布的不同而采取不同的方法，并且需要開發(fā)相應(yīng)的算法對(duì)曲線進(jìn)行優(yōu)化使其滿足逼近精度要求[6]；在曲面重構(gòu)時(shí)其要求測量數(shù)據(jù)比較平滑，這一要求在實(shí)際測量過程中很難保證，所以需要人工開發(fā)相應(yīng)的算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

從上述研究和應(yīng)用來看，在數(shù)控測量儀器設(shè)備上國內(nèi)外均已開展了大量的應(yīng)用工作，并已取得實(shí)效。本文通過對(duì)三維工裝實(shí)物的測量、掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理和建立三維數(shù)模的研究，將工裝實(shí)物由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字模型[7]。

1 三維工裝模擬量逆向構(gòu)建數(shù)字量流程

工裝從三維實(shí)物測量到數(shù)模歸檔的整個(gè)流程主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型構(gòu)造、偏差分析、模具數(shù)控加工、修理模具、掃描修理后模具、掃描數(shù)據(jù)與數(shù)模比對(duì)及數(shù)模歸檔等九個(gè)方面，如圖1所示。本文主要研究內(nèi)容是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型構(gòu)造及偏差分析四部分。

圖1三維實(shí)物測量到數(shù)模歸檔流程

2 三維工裝模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換方法

三維模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換是將工裝、工件等三維實(shí)物數(shù)字化測量得到的三維“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，通過將該“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到疏密相間、特征較為齊全能反映實(shí)物關(guān)鍵特征的點(diǎn)云集合[8]；根據(jù)曲面的復(fù)雜程度采用不同的方法構(gòu)造曲面，得到能夠支持三維模型重建的特征要素。

2.1 數(shù)據(jù)采集

對(duì)三維模擬量實(shí)物進(jìn)行掃描，通過三維掃描或測量設(shè)備測得實(shí)物表面的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)集合，即點(diǎn)云。點(diǎn)與點(diǎn)的間距比較大的叫稀疏點(diǎn)云；而點(diǎn)與點(diǎn)數(shù)量比較大且比較密集的叫密集點(diǎn)云[9]。將掃描的數(shù)據(jù)保存為stl格式，名稱為“圖號(hào)+CS”。

1）通過接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)或非接觸光學(xué)掃描儀（自定位手持式掃描儀），沿著三維實(shí)物表面掃描，采集模型表面點(diǎn)的坐標(biāo)值，轉(zhuǎn)化為數(shù)字格式。

2）對(duì)于尺寸較大的工件，采用多角度掃描后拼接，然后在掃描系統(tǒng)軟件內(nèi)進(jìn)行拼接、整合。

3）對(duì)于內(nèi)部特征較多或局部特征復(fù)雜的實(shí)物，可以在掃描這些特征時(shí)使用顯影劑，進(jìn)行均勻噴涂后再掃描，獲取較為準(zhǔn)確的零件外形特征掃描點(diǎn)云。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)成形零件進(jìn)行三維掃描得到由點(diǎn)云數(shù)據(jù)組成的模型，由于掃描過程中不可避免的會(huì)掃描到非零件部分，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理，去除噪點(diǎn)，進(jìn)行過濾篩選和數(shù)據(jù)修補(bǔ)，在提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí)保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1）噪點(diǎn)去除：在掃描數(shù)據(jù)的主體特征外圍，有明顯的無用點(diǎn)，如孤點(diǎn)和離群點(diǎn)，將其手動(dòng)去除；同時(shí)在零件的大開口特征中，也有一些無用點(diǎn)，一并將其去掉，最終得到較為“干凈”的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD或逆向分析軟件，如CATIA DSE模塊或Geomagic studio軟件，以人機(jī)交互的方式予以去除，如圖2所示。

圖2導(dǎo)入掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)和刪除多余點(diǎn)云

2）點(diǎn)云篩選：曲面掃描生成的點(diǎn)云一般質(zhì)量較高，點(diǎn)云密集、數(shù)量多，通過精簡一部分來提高軟件的運(yùn)算效率，如圖3、4所示。不同類型的“點(diǎn)云”可采用不同的精簡方式：①散亂點(diǎn)云可通過隨機(jī)采樣的方法來精簡；②網(wǎng)格化點(diǎn)云采用等分布密度法進(jìn)行點(diǎn)云精簡。③依據(jù)類型分為平均、高斯和中值，可選擇和設(shè)置不同的參數(shù)如過濾尺寸、過濾區(qū)域等來操作。

通過分析飛機(jī)復(fù)雜曲面的形狀、部件的裝配關(guān)系、實(shí)物上的缺陷等進(jìn)行區(qū)域劃分，對(duì)三維點(diǎn)云的篩選原則如下：①通過對(duì)曲率變化大的曲面保留大量有效的點(diǎn)云來約束形狀；②對(duì)有切實(shí)裝配關(guān)系的地方在去除緊固件的干擾后，著力保證裝配貼合面的原始外形的高精度；③對(duì)缺陷保留關(guān)鍵特征，其余刪除以備后期正向設(shè)計(jì)補(bǔ)全，最終完成密度合理、要素齊全、傳遞失真較小的點(diǎn)云集。

3）數(shù)據(jù)修補(bǔ)：對(duì)于因測量設(shè)備或不可抗因素，如在光學(xué)測量中被測實(shí)物被安裝夾緊工裝所遮擋、實(shí)物零件特征復(fù)雜或自帶缺陷等，造成掃描數(shù)據(jù)的失真或不能客觀反應(yīng)被測實(shí)物的特征，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為存在空洞或局部特征表達(dá)不夠完整，可比照零件圖紙和其他具有配合關(guān)系的數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)，能夠更為高精度的實(shí)現(xiàn)后續(xù)的型面構(gòu)建操作，如圖5所示。

圖3初始163萬個(gè)點(diǎn)云圖

圖4篩選后9萬個(gè)點(diǎn)云圖

圖5對(duì)點(diǎn)云源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)差值前后的對(duì)比

2.3 模型構(gòu)造

以關(guān)鍵特征為基礎(chǔ)，提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何約束，完成曲面分割、構(gòu)造和拼接，再輔以實(shí)體特征布爾融合等操作，完成從模擬量向數(shù)字量曲面或?qū)嶓w特征的轉(zhuǎn)換。

1）通過按照實(shí)物關(guān)鍵特征對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分割后構(gòu)造曲面，根據(jù)曲面的復(fù)雜程度有兩種方法：簡單外形面構(gòu)造和復(fù)雜外形面構(gòu)造。

2）通過延伸插值修補(bǔ)生成多個(gè)子曲面，然后將子曲面光順擬合形成大曲面。

3）對(duì)子曲面的分片連續(xù)，通過特征劃分為若干個(gè)四邊界區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域生成面片，在輔以適當(dāng)?shù)倪^渡元素，如引導(dǎo)曲線或過渡曲面，然后施行拼接操作。

4）與原實(shí)物點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，在保證公差的情況下盡可能光順，以構(gòu)造滿足工程要求的高品質(zhì)外形曲面模型。對(duì)于舊零件模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的曲面重建，包含了其制造誤差、缺陷或者掃描誤差等，精準(zhǔn)度不僅在于與原實(shí)物零件的一致性，也要保證裝配質(zhì)量。

特別是對(duì)于與外形相關(guān)的結(jié)構(gòu)件 （與蒙皮直接裝配），如果只追求完全與實(shí)物工件一致，將其制造誤差、缺陷或者掃描誤差等帶到建模中，可以適當(dāng)擴(kuò)大偏差分析時(shí)的協(xié)調(diào)對(duì)象，引入飛機(jī)理論外形數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)比對(duì)，減小實(shí)際應(yīng)用時(shí)的誤差。

5）重建的零件模型轉(zhuǎn)化為通用數(shù)字格式，以滿足工藝制定、數(shù)控加工、模擬仿真、強(qiáng)度疲勞校核等應(yīng)用的需求。

2.3.1簡單外形面的構(gòu)建過程

當(dāng)工件外形面之間的界面明顯，多數(shù)以規(guī)則平面或曲面為主時(shí)，采取逐步構(gòu)建單個(gè)面的方法，獲取整個(gè)外形面，然后將其修剪成封閉曲面。

1）工件的頂面、底面、側(cè)面是明顯的平面，切換到QSR模塊，采用Basic Surface Recognition命令中的Plane選項(xiàng)構(gòu)建平面，如圖6所示。

圖6構(gòu)建平面

2）對(duì)于工件類似球面的部分，采用Basic Surface Recognition命令中的Sphere選項(xiàng)構(gòu)建球面，如圖7所示。

圖7構(gòu)建球面

3）切換到GSD模塊，采用外插延伸命令把得到的平面延伸放大，如圖8所示。

4）采用聯(lián)合修剪命令將外插延伸面，球面修剪得到零件的粗略表面，再進(jìn)行接合，如圖9所示。

5）用Planar Sections命令，構(gòu)建工件內(nèi)部凹槽scan線，如圖10所示。

6）用Curve from Scan命令，得到零件內(nèi)部凹槽的輪廓線，如圖11所示。

圖8外插延伸平面

圖9工件粗略外表面

圖10構(gòu)建scan線

圖11凹槽輪廓線

7）使用拉伸命令，得到零件內(nèi)部凹槽的輪廓面，如圖12所示。

8）重復(fù)使用（5）（6）（7）步驟，得到零件其它面，再使用修剪命令，得到零件外形輪廓面后，用封閉曲面命令，把零件面轉(zhuǎn)成實(shí)體，如圖13所示。

圖12凹槽輪廓面

圖13封閉曲面

9）最后使用孔，倒角命令作最后處理，如圖14所示。

圖14逆向模型

2.3.2復(fù)雜外形面的構(gòu)建過程

對(duì)于外形復(fù)雜、曲面為主的零件，多以特征線創(chuàng)建為出發(fā)點(diǎn)，逐步構(gòu)建曲面的方式進(jìn)行逆向構(gòu)建。

1）點(diǎn)云劃分：對(duì)于飛機(jī)外形復(fù)雜曲面，分析點(diǎn)云的整體和局部特征，如圖15所示，對(duì)局部特征較為復(fù)雜的部位獨(dú)立劃分。通過分片切割將外形數(shù)據(jù)點(diǎn)云中的具有相鄰空間位置關(guān)系、相近幾何特征的點(diǎn)云進(jìn)行劃分，以進(jìn)行后續(xù)的模型構(gòu)造。

圖15點(diǎn)云中的特征示例

2）擬合曲線

①在CATIA中使用Planar Sections命令，使用一組平面與點(diǎn)云相交，沿著截面曲線獲取點(diǎn)云切片，如圖16所示。

圖16獲得平面點(diǎn)云

② 在CATIA中使用Curve form Scan命令，使用一個(gè)平面與點(diǎn)云相交生成的多個(gè)點(diǎn)，擬合成為一條完整的B樣條曲線，在擬合過程中通過選擇Smoothing模式、0.1mm的公差，提高擬合精度，如圖17所示。

圖17 擬合曲線【重新取圖】

③對(duì)曲線進(jìn)行逐條光順優(yōu)化，在滿足公差范圍的情況下，調(diào)整各連接點(diǎn)的曲率變化，直至生成連續(xù)、光滑的骨干樣條曲線，且優(yōu)化前后偏差控制在0.01mm之內(nèi)，如圖18所示。

曲線光順操作可分三步進(jìn)行：

(a)找壞點(diǎn)：將找到的對(duì)曲線曲率和精度影響巨大的點(diǎn)挑出，可以修改其坐標(biāo)值繼續(xù)使用或直接刪除。

(b)粗光順：通過CATIA軟件中曲率分析工具的輔助，調(diào)整構(gòu)成曲線的各點(diǎn)，確保曲線各段單凸或單凹，方向統(tǒng)一。

(c)精光順：通過CATIA軟件中曲率分析工具的輔助，如有必要可將部分粗光順生成的曲線截?cái)啵瑢?duì)局部進(jìn)行曲率優(yōu)化，將多段擬合曲線連接生成完整的曲線，達(dá)到曲率變化均勻、曲線精度符合要求。

3）曲面擬合、光順和拼接

①用擬合曲線進(jìn)行掃掠或搭線架網(wǎng)格生成子曲面。使用Multi-Sections Surface Definition命令進(jìn)行多截面生成操作，通過在命令中使用引導(dǎo)線、對(duì)齊點(diǎn)特征等命令提高生成的曲面的精度，如圖19所示。

圖18 0.01mm公差下的曲率對(duì)比

圖19多截面生成曲面操作

在CATIA軟件的曲面分析工具下，曲面不能有局部變化明顯的凸凹區(qū)，使曲面達(dá)到光順要求。首先，可光順曲面的U向曲線，光順完畢后，通過新的點(diǎn)生成新V向樣條曲線并光順，直至所有的U、V兩個(gè)方向的曲面網(wǎng)格構(gòu)造曲線都滿足曲線光順要求后，利用新U、V兩個(gè)方向的曲面網(wǎng)格構(gòu)造曲線構(gòu)造出光順的復(fù)雜曲面。通過CATIA的曲面分析工具對(duì)構(gòu)成曲面的網(wǎng)格點(diǎn)的直觀顯示來判斷曲面的光順程度，如圖20所示。

②構(gòu)造出光順的子曲面后，對(duì)各子曲面進(jìn)行拼接形成復(fù)雜曲面。首先要保證相鄰子曲面的邊界連續(xù)，然后還要實(shí)現(xiàn)連續(xù)部分的光順。通過拼接，迭代光順修型后的曲面，如圖21所示。

圖20曲面光順質(zhì)量的網(wǎng)格點(diǎn)分析

圖21拼接迭代修型后曲面的網(wǎng)格點(diǎn)分析

4）曲面評(píng)價(jià)

通過將生成的曲面和原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)比對(duì)，檢查生成曲面的誤差；也可以檢查生成曲面的光順性及連續(xù)性。在必要的時(shí)候可對(duì)曲面分片操作，通過多片光滑過渡拼接折衷的方式，得到高精度且光順的最終擬合曲面。

5）實(shí)體建模

根據(jù)曲面，再輔以實(shí)際測量的尺寸形位數(shù)據(jù)，必要時(shí)加入改進(jìn)設(shè)計(jì)的要求，利用三維建模軟件CATIA完成實(shí)體零件的三維數(shù)字化模型的建立。

2.4 偏差分析

對(duì)于舊零件模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的曲面重建，包含了其制造誤差、缺陷或者掃描誤差等，精準(zhǔn)度不僅要求與原實(shí)物零件的一致性，也要保證裝配質(zhì)量。

1）將逆向構(gòu)建零件的表面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行同坐標(biāo)系下比對(duì)，通過距離分析等工具，讓不同的距離顯示不同的顏色，并通過人機(jī)交互功能，更為直觀的判斷兩者的具體距離偏差。特別是對(duì)其中紅色的部分要著重比對(duì)，如有必要可以將那一部分單獨(dú)裁減后重新擬合曲面，直到結(jié)果能夠滿足零件精度要求，如圖22所示。

2）在保證曲面質(zhì)量的前提下，充分考慮制造工藝和零件之間的配合面問題，確保間隙在合理公差允許的范圍內(nèi)，并且均勻一致。

圖22點(diǎn)云與完成結(jié)果進(jìn)行對(duì)比

3 結(jié)語

面向老機(jī)型中模具模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，通過激光掃描設(shè)備掃描模型得到模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用逆向重構(gòu)技術(shù)，重新建立三維模型。結(jié)果表明：重構(gòu)模型能夠接近現(xiàn)有模擬量數(shù)據(jù)定義，并滿足制造精度要求，從而建立原飛機(jī)零件、工裝的數(shù)字化模型。本文還提出了一套以輪廓線組重構(gòu)三維曲面的技術(shù)，研究了在測量數(shù)據(jù)構(gòu)成的三角網(wǎng)格基礎(chǔ)上對(duì)三維模型重構(gòu)的方法，實(shí)現(xiàn)了不同曲線的快速空間變換、保證了不同曲面擬合為一個(gè)曲面的精準(zhǔn)性。同時(shí)，還提升了逆向工程設(shè)計(jì)技術(shù)水平。該技術(shù)研究方法為培養(yǎng)既掌握最新的工藝數(shù)模建模技術(shù)、又掌握科研方法的技術(shù)骨干人員，共同形成企業(yè)技術(shù)能力提供了幫助。