基于原型的逆向工程cad建模技术研究

基于原型的逆向工程cad建模技术研究

逆向工程（re）是指将现有产品模型转换为3d模型的相关数字技术和几何模型重建技术的总称。作为一种逆向思维的工作方式,逆向工程技术与传统的正向设计方法不同,它是根据已存在的产品或零件原型来构造工程设计模型,在此基础上对已有产品进行吸收、消化和改进,是对已有设计的再设计。所以逆向工程最主要的任务是将原始物理模型转化为数字化模型,为利用先进的CAD/CAE/CAM技术进行后续的工程设计、加工、分析提供必要的信息。基于实物原型进行逆向设计需要经过数据获取、建模方案制定、数据预处理、特征参数提取、CAD建模等步骤,即设计人员在充分理解逆向设计CAD建模目的和零件表面组成的基础上,根据提取特征设计参数、按照正向设计的方法完成产品数字化模型重建。本文根据逆向工程的原理和方法,结合某车型制动踏板支架零件的逆向设计建模过程,研究了逆向工程CAD建模技术的方法和步骤,采用基于曲面特征的建模策略,分析了逆向工程建模过程中特征曲线提取的方法和技巧。1测试表面激光测量的工作原理及注意事项数据采集是逆向工程CAD建模的首要环节,根据测量方式不同,数据获取可分为接触式测量和非接触式测量两大类。本零件采用非接触方式进行数据采集,采用意大利COORD3公司的龙门式三坐标测量机,配以以色列NEXTEC公司生产的WIZProbe激光测头对零件进行扫描,如图1所示。由于激光测量是基于光学反射原理测量,对被测物体表面的粗糙度、漫反射率和倾角都比较敏感,因此,在测量零件时最好在零件表面涂上测量用的专用涂层,以提高测量的效率及精度。数据采集过程需要注意的问题是,采用激光束与测量面成-15°～30°的夹角测量。按照习惯性思维,都会认为沿测量面法向进行测量时会使测量更简单,使激光点聚焦及反射采样更加准确。但是,在测量表面含有油渍或特别光亮时,实际情况却不是这样的。通过零件测量中的多次试验得出:当使测头的光束与测量面成-15°～30°的夹角时,扫描效果最好,具体原因可结合激光测量原理来解释。2点云数据处理和建模计划2.1基于点云的噪声处理测量数据预处理是逆向工程CAD建模的关键环节,它的结构直接影响后期重建模型的质量。数据预处理一般包括噪声处理与数据精简,如果测量过程中有多次装夹测量,则还需要将多次装夹的测量数据拼合到统一坐标系中,这个过程称为多视拼合。由于激光扫描过程中外界环境的影响,不可避免的导致扫描过程中误差点的产生,这将会对拟合曲面质量和点面误差分析造成影响。因此点云数据的噪声处理非常重要,利用Imageware软件的点云抽取工具可以去除严重偏离零件原始特征的点。对于高密度点云,由于存在大量冗余数据,有时需要按照一定要求减少点数量。该支架扫描获得的点云共有998045个点,数量如此庞大的点将占用很大的计算机硬件资源,给曲面重建带来诸多不便,考虑到模型的精度要求,可以对点云数量进行压缩。通常点云压缩的距离误差根据建模精度的要求有所变化,一般可选择为0.15～0.5mm,这里距离误差取0.3mm,执行点云压缩命令,点数量被压缩为194867,减少了80%,而且数据分布也比较均匀。2.2基于曲面特征的建模策略建模方案规划是在对逆向工程建模目的、建模方法及重建模型评价指标进行分析的基础上,确定产品数字化模型重建的总体思想和路线。基于实物原型或测量数据进行零件结构的分析是制定正确的逆向工程CAD建模方案的基础,而正确的建模策略又是实现模型重建与产品创新的保证。目前,逆向工程建模策略主要有2条路线,分别称之为基于曲面特征的建模策略和基于截面线特征的建模策略。前者基于点云渲染显示和曲率分析进行合理的点云设计分块,然后抽取曲面特征,从而生成曲面模型;后者主要应用于无法自动抽取出特征参数的复杂曲面零件的逆向设计。由于基于曲面特征的建模测量能保持稳定的精度,且易于操作,较好的体现了特征建模的思想,是建模时的首选方法。根据上面的分析,该制动踏板支架零件采用基于曲面特征的建模策略进行建模方案规划。具体方法是先对点云数据进行曲率分析,利用Imageware的CloudCurvature命令对经过预处理的点云进行曲率分析,选择的相邻点距为0.3mm,分析结果如图2所示。通过曲率分析,可以了解到该零件曲面总体比较光顺,在加强筋、部分倒角及某些面的边界处存在较大的曲率,在模型面上的孔边缘某些地方存在较大的曲率突变,显示出该地方不平整。考虑到该零件为试冲压件,存在较大的误差及不光整性,因此在模型制作过程中需要对这部分进行修复。其次,按照CAD/CAM系统中TOP-DOWN的正向设计思想,对零件实物进行结构分析,以曲率分析图中曲率相同且连续的部分为边界,逐步将点云分解成单个曲面特征,作为曲面建模的依据。根据支架零件点云的曲率分析结果,除过渡面倒角外,将点云分为5个大块:底面、前顶面、后顶面、左侧面和右侧面,如图3所示。其中底面是单独一个曲面,不能再继续分解,所以将底面称为末端节点T1,简称节点T1,采用边界曲面直接拟合方式构建;前顶面(分支M1)比较复杂,可以继续分解为1横2纵3个加强筋(T2)和上下2个曲面(T3),其中T2采用扫掠方式建构,T3采用曲面拟合方式直接生成;后顶面(分支M2)也比较复杂,可以继续分解为加强筋(T4)、圆形凹槽(T5)及顶面整个大曲面(T6),其中T4用扫掠方式建构,T5采用选择曲面建构,T6采用直接拟合生成;左右侧面为零件冲压方向的两个拉伸曲面,采用扫掠方式直接建构,分别取为T7和T8,由此得到零件的造型树。逆向设计建模的实施过程与产品分析的分解过程刚好相反,即从最下面的叶节点开始建模,最后得到造型树顶端的零件模型,如图3中的虚线箭头所示。3基于测量数据的产品数字化建模方法为了满足零件的机械性能、力学性能、流体动力学性能及美观性要求,在逆向工程CAD建模过程中应尽量还原原始设计参数,这就需要基于测量数据提取产品特征设计参数,并进行特征重构和特征运算,从而完成产品数字化模型重建。下面结合支架零件点云分块的结果对扫掠面、旋转面等几种面的重构方法及技巧进行详细阐述。3.1加强筋界面拟合生成扫抢曲面如果在曲面上沿一个方向进行曲面法向剖切,切出的截面均相同,则这样的曲面可以采用扫掠的方法建构,下面以顶面加强筋T4为例讲述扫掠面的重建。旋转点云,使中间最长的加强筋部分至水平方向,然后用交互式点云切片工具,沿水平线方向切片,并用公差拟合工具取公差0.1mm将其拟合成自由曲线,如图4所示。沿垂直导线的方向对加强筋点云切片,生成加强筋截面点云,然后用0.1mm的公差拟合生成截面曲线,如图5所示。利用上面提取生成的导线和界面曲线,生成扫掠曲面。图6显示了生成的曲面及误差检测,误差值为+0.49～-2.65mm,由于点云中包含过渡曲面部分,因此点面误差检测中负方向偏离10倍于模型误差要求属于正常现象,曲面精度满足要求。3.2旋转面为截面线如果一个曲面在360°方向上形状对称,则该曲面可以考虑用旋转的方法进行重构,以下以顶面圆形凹槽T5为例讲述旋转曲面的重构。将点云顶面显示,从圆形凹槽中间点到外圈做一视角直线,用“视角直线”切片,并用公差拟合方式将切片点云拟合成曲线,此曲线即为旋转面的截面线雏形。然后正面显示点云,将截面线雏形延伸生成截面线,如图7所示。如图8所示,将正面显示的点云圆弧形部分做水平切片,并将切片的圆圈点云拟合成外轮廓圆,再捕捉圆的圆心构建点;将圆心和在圆凹槽最低点处的截面线端点用直线连接起来,得到旋转面的旋转轴线。以截面线绕旋转轴做360°旋转,生成旋转曲面并分析如图9所示,从误差分析图可以看出,该曲面的点面误差控制得极好,大部分达到0mm,误差较大的边缘部分后面将与周围的其它曲面进行圆弧过渡,所以不受影响。根据点云分块的结果,依次重构每个主要曲面特征,然后提取过渡圆角的半径参数,通过圆角过渡、曲面桥接等方法,将各主要曲面光顺连接,得到如图10所示的曲面模型。3.3零件的光顺性分析将零件的最终模型与点云设计进行误差及曲面光顺性分析,最终检测图显示如图11、图12所示。由图11的颜色分布可看出,模型的点面误差大部分控制在±0.25mm以内,部分在±0.5mm左右,只有左右侧面前沿圆角处有两处超过1mm的范围及顶面末端有一处达到最大范围。根据对实体零件进行比对,发现误差超出范围的地方均有冲压形成的褶皱变形,而顶面末端处则有裁剪板料形成的毛刺;而由图12的光顺性分析图可看出,图中黑白纹线均排列整齐,彼此间无相交,且相邻纹路宽度均一致,显示曲面的光顺性很好。由此可确