尤 寶,梁曉輝
(洛陽雙瑞特種裝備有限公司,洛陽 471000)
隨著現(xiàn)代測量設(shè)備、計算機輔助幾何設(shè)計技術(shù)的發(fā)展以及人們對設(shè)計概念理解的深入,逆向工程技術(shù)作為快速設(shè)計與制造的主要支撐技術(shù)之一正在成為研究與應(yīng)用的熱點[1]。逆向工程作為現(xiàn)代設(shè)計與制造的重要技術(shù)手段,能夠有效縮短從設(shè)計到制造的周期,是幫助設(shè)計者實現(xiàn)并行工程等現(xiàn)代新概念的一種強有力工具。目前逆向工程在航空、汽車、模具、玩具等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛作用,其主要應(yīng)用在新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品改型設(shè)計、產(chǎn)品仿制、質(zhì)量檢驗以及快速原型零件制造等領(lǐng)域[1]。
逆向工程是指對已有產(chǎn)品原型,消化吸收和挖掘蘊含其中的產(chǎn)品設(shè)計、制造和管理等各方面的一系列分析方法、手段和技術(shù)的綜合[2]泵是應(yīng)用非常廣泛的通用機械,凡有液體流動之處,幾乎都有泵在工作。泵體作為離心泵壓水室的一部分,與葉輪一起構(gòu)成了離心泵的過流部件,能夠?qū)崿F(xiàn)將泵體中水的動能轉(zhuǎn)換為勢能。從水力方面看,螺旋形壓水室中的流動比較理想,適應(yīng)性強,高效率范圍寬[3],因此螺旋形蝸殼泵體在離心泵中被廣泛設(shè)計與應(yīng)用,但由于螺旋形蝸殼泵體受形狀限制,流道不能機械加工,尺寸形狀與表面光潔度直接靠鑄造來保證。泵體鑄造使用鑄造模具進行泵體型芯與型腔成型,通過鋼液在型腔內(nèi)凝固冷卻后形成鑄造泵體。一般泵體鑄造模具分外模(圖1左)與芯盒,泵體外模主要在砂箱中形成泵體的外鑄造表面,芯盒主要通過砂型做出流道砂芯,然后通過定位組合模塊放置在砂箱內(nèi)形成泵體流道內(nèi)表面,如圖2所示。
圖1 泵體外模模具實物
圖2 泵體外模型腔與泵體芯盒砂芯
本文借助于單級離心泵鑄造模具開展逆向工程研究,采用工業(yè)三維激光掃描儀作為葉片模具數(shù)據(jù)提取設(shè)備,通過對分體單個模具點云的數(shù)據(jù)提取,獲得完整的葉片點云數(shù)據(jù)信息,然后經(jīng)過二次處理軟件實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)衰減與優(yōu)化處理,通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,為逆向后處理軟件Imageware surface10.5提供足夠而完整的點云數(shù)據(jù),經(jīng)過逆向軟件的基準對齊與點云截面提取、點云噪聲點去除和擬合點云截面曲線,最后將擬合好曲線導(dǎo)入三維軟件PROE中進行泵體葉片三維模型創(chuàng)建,結(jié)合泵體其他模具測量數(shù)據(jù),最終完成整個泵體逆向三維創(chuàng)建,采用本方法,為泵體模具的逆向產(chǎn)品三維構(gòu)建提供了一種新的思路。
為方便泵體模具逆向工程后期數(shù)據(jù)的處理,首先需要對泵體水力設(shè)計方法進行初步了解,泵體水力設(shè)計實際常用速度系數(shù)法,為方便泵體水力計算與繪圖,一般將螺旋形渦室取8個彼此成45°角端面,即用8個軸面切割渦室,求得各斷面的形狀和面積。設(shè)計時首先計算第Ⅷ斷面,其他斷面以第Ⅷ斷面為基礎(chǔ)進行確定,采用速度系數(shù)法可首先求的第Ⅷ斷面面積。通過速度系數(shù)法繪制的單級泵體水力圖如圖3所示,其中水力各斷面采用羅馬字母表示。泵體水力主要設(shè)計參數(shù)有:泵基圓直徑,泵隔舌半徑,以及互相呈45°夾角的I~VIII斷面尺寸,泵體IX、X斷面尺寸以及泵出口直徑等參數(shù),通過這些參數(shù)即可表達泵體水力,同時也可采用三維設(shè)計軟件進行泵體水力三維模型創(chuàng)建,方便泵體建模、泵體水力分析以及強度分析等計算分析。
泵體進行逆向工程,首先就要進行點云的數(shù)據(jù)的獲取,目前逆向工程中常用的數(shù)據(jù)測量方式有接觸式測量、非接觸式測量以及工業(yè)CT掃描測量,根據(jù)不同被測物體形狀與結(jié)構(gòu)選擇合適的測量方式。根據(jù)泵體模具測量曲面為開放式結(jié)構(gòu),在滿足精度要求前提下,為提高測量效率與減低測量成本,方便后期工業(yè)化、規(guī)模化測繪,首選非接觸式測量方式。
圖3 泵體水力模型設(shè)計圖
非接觸式測量是近些年快速發(fā)展起來的一種測量技術(shù),它主要利用光學(xué)的原理對掃描對象進行數(shù)據(jù)的采集獲取[4]。本文采用掃描設(shè)備型號為天遠OKIO-S-400光學(xué)三維掃描儀,如圖4左所示,采用天遠DigiMetric Pro攝影測量系統(tǒng),如圖4右所示。
通過三維光學(xué)掃描儀測量數(shù)據(jù)為asc格式,本例中單個模具測量數(shù)據(jù)點約400萬,數(shù)據(jù)大小約500M,由于數(shù)據(jù)量多內(nèi)存占用較大,不便于后期圖形數(shù)據(jù)的處理,對電腦配置要求高,為此需要對測量原始點云數(shù)據(jù)進行處理,處理過程采用Geomagic Studio軟件,通過對點云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、點云著色、點云邊緣測量噪聲點處理、點云統(tǒng)一采樣以及采樣過程中使用衰減,將點云數(shù)量衰減到200萬左右,最后對點云進行數(shù)據(jù)計算封裝(三角化),逐一導(dǎo)出泵體芯盒與外模的四片點云數(shù)據(jù),保存格式為STL,如圖5所示。
圖4 泵體芯盒模具三維掃描
泵體水力點云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵在于點云數(shù)據(jù)的基準創(chuàng)建與整合、基于泵體水力設(shè)計與三維設(shè)計流程進行截面點云數(shù)據(jù)提取,對點云數(shù)據(jù)的曲線重構(gòu),將完成后的曲線導(dǎo)入三維設(shè)計軟件進行曲面的構(gòu)建與實體化,結(jié)合該泵體其他組合模具尺寸測量結(jié)果,完成最終泵體的三維創(chuàng)建。
圖5 泵體模具STL點云數(shù)據(jù)
完整的泵體模具有泵體外模與芯盒模具組成,測量點云分為4部分,如圖5所示,如何將四片完整點云數(shù)據(jù)進行整合為完整泵體點云數(shù)據(jù),需要對四片點云數(shù)據(jù)進行空間基準創(chuàng)建。根據(jù)泵體模具特點,以泵體模具測量中平面作為基準平面,本例中為XY平面,以基圓為中心坐標0點,垂直于基準平面XY軸為Z軸,以泵出口圓柱段中點與中心坐標原點連線作為Y軸,與Y軸垂直方向作為X軸,如圖6所示,最終與參考系坐標重合。單片點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建完成后,對稱模具另一片點云數(shù)據(jù)的基準創(chuàng)建過程中,需要設(shè)置Z軸方向相反,最終將四片點云數(shù)據(jù)在空間坐標系中完成點云數(shù)據(jù)對齊。
圖6 泵體模具點云數(shù)據(jù)坐標系
由于4片點云數(shù)據(jù)處理流程相似,下面就以泵體芯盒單片點云數(shù)據(jù)為例,進行單片點云數(shù)據(jù)基準創(chuàng)建。單片點云數(shù)據(jù)處理流程:點云數(shù)據(jù)中平面提取與處理—點云中平面擬合XY平面—將擬合后的XY平面與點云數(shù)據(jù)作為群組與系統(tǒng)XY平面進行對齊—渦室中心圓柱點云數(shù)據(jù)提取與中心圓擬合—擬合圓與點云數(shù)據(jù)作為群組整體與系統(tǒng)創(chuàng)建XY平面圓進行圓心對齊—提取泵體出口圓柱段點云數(shù)據(jù)擬合出Y軸—擬合后的Y軸與點云數(shù)據(jù)作為群組與系統(tǒng)Y軸進行對齊—最后將輔助過程點云及線條刪除。
1)點云基準XY平面創(chuàng)建與系統(tǒng)平面對齊
根據(jù)點云數(shù)據(jù)提取泵體芯盒中平面點云數(shù)據(jù),如圖7(b)所示,保留原有點云數(shù)據(jù),對提取數(shù)據(jù)誤差較大區(qū)域進行誤差點刪除,由于選取的該平面上有凹凸不平點,建議不采用三點創(chuàng)建平面方式,一旦三點中的一點選擇凹凸不平點,所擬合平面放大后的誤差較大。建議此處采用點云擬合平面方法,具體采用Diagnose—誤差分析,彈出誤差分析結(jié)果圖,根據(jù)后期擬合要求設(shè)置誤差范圍±0.5mm,將超差點云數(shù)據(jù)逐一去除,直到所有點云均在誤差范圍內(nèi),如圖7(c)所示,采用Create-創(chuàng)建基準平面,擬合后的平面如圖7(d)所示。
圖7 泵體芯盒模具基準平面創(chuàng)建
圖8 泵體中平面基準重合后點云
2)泵體點云Y軸創(chuàng)建與坐標原點對齊
針對點云數(shù)據(jù)Y軸的創(chuàng)建,根據(jù)圖6基準選擇,需要借助泵體基圓同心圓圓心與泵出口圓柱段來創(chuàng)建,首先創(chuàng)建泵體出口圓柱段圓柱中心線,首先提取泵體出口處靠近端面約20mm寬點云數(shù)據(jù)。如圖9(a),保留原始點云數(shù)據(jù),提取后的點云數(shù)據(jù)進行噪聲點去除,完成后對點云數(shù)據(jù)擬合圓柱,如圖9(b),對擬合后的圓柱進行誤差分析,如圖9(c),設(shè)定誤差為±0.5mm,反復(fù)刪除超差誤差點數(shù)據(jù)與圓柱擬合,直到滿足誤差范圍要求為止。連接圓柱兩端圓心點,如圖9(d),將圓心連線投影到XY平面上,即設(shè)置Z軸坐標為0,刪除輔助點云,只保留原始點云與創(chuàng)建軸線。
圖9 泵體中平面基準重合后點云
取泵體基圓同心圓截面點云數(shù)據(jù)下端任意高度水平線截取點云,如圖10(a),截取點云點云數(shù)據(jù)采用三點擬合圓,并將該擬合圓投影到XY平面內(nèi),如圖10(b),完成后將泵出口創(chuàng)建圓柱中心線與擬合圓圓心進行連線,如圖10(c),完成點云數(shù)據(jù)Y軸的創(chuàng)建,將創(chuàng)建的Y軸與原始點云數(shù)據(jù)進行群組。在系統(tǒng)坐標系中創(chuàng)建Y軸方向直線,將創(chuàng)建后的系統(tǒng)Y軸與點云Y軸進行重合對齊。如圖11(a)。需要注意點云擬合連線與系統(tǒng)Y軸創(chuàng)建直線具有方向性。最后在XY系統(tǒng)平面上,以原點為圓心做任意半徑圓,將三點擬合后的基圓同心圓進行圓心對齊,最終將泵體單片芯盒點云數(shù)據(jù)與系統(tǒng)基準對齊,如圖11(b)。最后將基準對齊后的數(shù)據(jù)保存為STL格式輸出。
圖10 泵體中平面基準重合后點云
按照此方法,將其余三片點云數(shù)據(jù)按照以上系統(tǒng)基準創(chuàng)建方法完成基準對齊,注意相互對稱貼合的點云數(shù)據(jù)Z坐標方向相反。
圖11 泵體點云Y軸對齊與圓心對齊
泵體芯盒與外模各兩組點云基準創(chuàng)建完成后,需要對芯盒點云與外模點云貼合后各自進行誤差分析對比。以芯盒點云貼合后誤差分析為例,將兩組泵體芯盒點云數(shù)據(jù)同時導(dǎo)入軟件,如圖12(a)所示,以系統(tǒng)XY平面為基準,沿Z軸對稱取XY平面上下對稱平行兩基準面進行點云提取,基準面到XY平面間距取10mm,如圖12(b)所示,最后沿Z軸方向投影兩截面點云數(shù)據(jù),其中對一個截面點云進行著色,在投影面上,如圖12(c),對相近兩點云進行誤差測量,本例中測得最大誤差0.31mm,小于0.5mm,滿足逆向處理要求,同理做兩外模點云貼合后的誤差,如果誤差大于0.5mm,需要對較大誤差點云重新進行系統(tǒng)基準創(chuàng)建,查找造成誤差原因,反復(fù)對比,直到貼合后的測量誤差滿足最終逆向要求誤差。
圖12 泵體芯盒點云貼合后誤差分析
根據(jù)泵體水力設(shè)計方法,泵體水力設(shè)計主要涉及隔舌部位、泵體的水力模型的八個斷面尺寸、水力模型基圓以及泵體的出口段的三個斷面尺寸,下面就以泵體貼合后的芯盒模具點云為例進行以上關(guān)鍵部位尺寸的逆向求解。
1)泵體隔舌尺寸測量
提取泵體隔舌部位上下芯盒點云數(shù)據(jù),單獨將該部位點云顯示進行分析,如圖13(a)所示,選取隔舌圓角點云比較完整區(qū)域,以XY平面對稱取兩平面進行點云提取,如圖13(b)所示,對提取的兩隔舌部位點云數(shù)據(jù)進行三點擬合圓,如圖13(c)所示,測量兩隔舌部位擬合圓半徑分別為2.97mm與3.17mm,由于過程存在誤差,設(shè)計值一般為整數(shù),次處割舌半徑取整數(shù)值3mm。
圖13 泵體隔舌點云提取與隔舌圓擬合
2)泵體基圓尺寸測量
隔舌半徑確定后,根據(jù)泵體水力設(shè)計圖3所示,泵體基圓與隔舌圓在兩圓心連線上相切,取泵體芯盒點中的一組點云,擬合出隔舌圓并投影到XY平面上,與圖10方法一致,取基圓同心圓點云截面,通過三點擬合圓,將該圓投影到XY平面上,連接兩圓圓心,如圖14所示,測量兩圓圓心距,減去隔舌圓半徑就是基圓半徑,本例中兩圓心距78.5mm,隔舌圓半徑R為3,則基圓半徑為75.5mm。
圖14 泵體隔舌圓與擬合圓圓心連線
3)泵體各斷面點云數(shù)據(jù)提取與數(shù)據(jù)處理
對于泵體水力設(shè)計8個斷面的提取,如圖3所示,泵體水力第Ⅰ斷面為過Y軸垂直XY平面的平面,在軟件中選擇Extraction,選擇起始點X與Z值為0,Y值為任意值,設(shè)置斷面數(shù)為8,為便于后期三維建模,同時將過泵體隔舌圓心的斷面(一般稱為0斷面)也作出,最終斷面點云如圖15所示。
圖15 泵體水力沿基圓9截面點云數(shù)據(jù)
對于泵體水力出口處Ⅸ、Ⅹ斷面提取,采用將泵體出口處點云數(shù)據(jù)靠近XY平面單獨提取一個斷面,如圖16(b)所示,完成后根據(jù)彎曲點云斷面走向趨勢,對該段點云進行曲線擬合,需要注意的是泵體水力出口位置存在一段直線段,需要在曲線擬合過程需要不斷測量擬合曲線端點與周圍點云誤差,保證直線段與擬合曲線兩端點光滑過渡,如圖16(c)所示。完成后做垂直于擬合曲線垂直法線截面,為便于后期三維建模,截面數(shù)可取4~6個截面,如圖16(d)所示。
圖16 泵體水力出口截面創(chuàng)建
4)泵體各斷面點云數(shù)據(jù)曲線擬合
針對泵體水力提取的各斷面,根據(jù)圖3泵體水力設(shè)計斷面,首先對雜散點進行去除,尤其是兩片點云數(shù)據(jù)貼合面位置處,需要逐一去除,完成后采用軟件點云擬合曲線,完成各截面點云數(shù)據(jù)曲線擬合,需要指出的是,在泵體出口直線段點云擬合圓時,需要單獨進行三點擬合圓,完成后的擬合曲線保存為Vda格式,進行后期三維軟件處理。
圖17 泵體水力各截面擬合曲線
將導(dǎo)出的Vda格式的樣條曲線文件導(dǎo)入到Pro/E軟件中,如圖17所示,結(jié)合泵體隔舌圓半徑、基圓半徑及各個斷面曲線,采用變截面掃描泵體水力三維創(chuàng)建方法,完成的泵體水力模型如圖18所示。需要指出的是,在泵體水力三維模型創(chuàng)建過程中,在隔舌圓部位需要單獨采用曲面構(gòu)建。對于泵體三維建模,需要借助于泵體外模點云數(shù)據(jù)四片點云合并后,如圖19(a)所示,進行各斷面的的提取,如圖19(b)所示,完成對各斷面的壁厚測量,提取泵體出口法蘭尺寸,對入口法蘭及泵體其他模具進行卡尺測量后,結(jié)合測量數(shù)據(jù)進行泵體三維模型逆向創(chuàng)建,最終泵體水力三維模型與泵體三維模型如圖20所示。
圖18 泵體水力各截面擬合曲線
圖19 泵體水力截面擬合曲線
圖20 泵體水力三維模型與泵體三維模型
本文通過對泵體模具結(jié)構(gòu)特點進行分析,結(jié)合泵體水力設(shè)計知識,探討并通過實例驗證了采用光學(xué)三維掃描儀手段,獲取泵體外模與芯盒點云數(shù)據(jù),給出了從點云數(shù)據(jù)采集、以surface10.5為主要點云數(shù)據(jù)處理平臺,進行了泵體模具測量點云逆向工程技術(shù)途徑研究,最后在Pro/E三維設(shè)計軟件中完成了泵體水力與泵體三維模型創(chuàng)建,為泵體逆向工程提供了一種新的思路。該方法在實際生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用,有效提升了設(shè)計人員的經(jīng)驗與效率,其應(yīng)用效果得到了設(shè)計人員的充分肯定。