基于逆向工程的典型零件快速成型及誤差分析

陳　田，　全志龍，　王　旭，　王　耀，　賈宏燕，　葉家檳

(上海電機學院 機械學院, 上海 201306)

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基于逆向工程的典型零件快速成型及誤差分析

陳田，全志龍，王旭，王耀，賈宏燕，葉家檳

(上海電機學院 機械學院, 上海 201306)

摘要：逆向工程(RE)和快速成型技術一體化目前已發展成為CAD/CAM系統中相對獨立的研究領域。作為融合先進技術大大縮短產品設計開發周期的重要支撐技術，近年來受到制造業前所未有的關注。本文以核電關鍵零件鉤爪為例，論述了典型零件的點云獲取，基于Geomagic Studio的模型重構，以及通過3D打印機進行原型制作的過程。并就模型重構過程中的點云處理，多邊形處理和曲面處理等關鍵問題進行了探討，并對數據進行誤差分析，提出減小誤差的方法。 通過納米壓痕法研究了高熵合金AlCrCuFeNi2兩個區域的壓痕彈塑性行為，分析了載荷下最大壓痕深度、彈性回彈量、接觸剛度、彈性能和彈性回彈能力等。研究結果表明，區域Ⅰ的彈性模量和回彈量小于區域Ⅱ的彈性模量和回彈量；區域Ⅰ與區域Ⅱ的彈性回彈率基本相同，并隨著載荷的增加逐漸下降；區域Ⅰ的彈性能大于區域Ⅱ的彈性能，并隨著載荷的增加而增加；區域Ⅰ彈性回復能力大于區域Ⅱ的彈性回復能力，并且隨著載荷的增加逐漸下降；接觸剛度S與接觸深度hc基本成線性關系，區域Ⅰ的關系可表達為SⅠ=0.5168hc+16.5；區域Ⅱ的關系為SⅡ=0.9998hc+22.6。

關鍵詞：逆向工程(RE); 點云處理; 模型重構; 快速原型制造; 誤差分析 高熵合金； 納米壓痕； 壓入響應

逆向工程(Reverse Engineering, RE)也稱為反求技術，可以實現影像反求、軟件反求和實物反求。在制造業應用最多的是實物反求，就是對已有的產品零件或原型實物進行模型重建。在產品設計開發過程中，如果僅有設計產品的實物模型，而沒有它的幾何參數等數據，就必須先對產品進行測量，得到產品的數學模型及其相關數據，進而形成CAD模型。再在此基礎上對已有產品進行剖析、理解和改進。RE作為一種新興的創新技術已經在諸多的工業設計領域得到了較為廣泛的應用，并取得了重大進步和高效益[1-4]。快速成型技術又稱快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing, RPM)技術，誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術，被認為是近20年來制造領域的一個重大成果。它集機械工程、CAD、RE技術、分層制造技術、數控技術、材料科學、激光技術于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件[5,6]。

鉤爪是核電設備中的關鍵零件，因其制造、加工、精度都比較嚴格，要對其進行研究是要有三維模型；因此，選擇采用RE的方法，通過RE重構其三維模型，并通過快速成型技術制作出鉤爪的模型，再對其進行研究。

1點云數據獲取

點云數據的獲取是鉤爪模型重構的第一步，也是比較重要的一步。點云數據的質量直接影響到了鉤爪模型的重構及模型的精度誤差，對后續研究起著至關重要的作用。一般點云數據獲取的方法有兩種： 接觸式測量方法和非接觸式測量方法。其中，非接觸式測量由于測量效率高和適應性廣而得到了較為廣泛的研究和應用。本次實驗采用的是柯尼卡非接觸式三維掃描儀，整個測量過程通過多視拼合，使樣件點云數據盡量完整。然后，將各個視角的點云數據集合在一個公共坐標系下，從而得到樣件的完整模型[7-9]。點云數據如圖1所示。

圖1　掃描點云數據圖Fig.1　Chart of scan point cloud data

2點云數據處理

數據處理是RE中一個最重要的環節。一般分為對點云數據的點處理、多邊形處理和曲面處理3個階段。本文通過Geomagic Studio對點云數據進行處理。該軟件具有強大的點云數據處理及曲面構建能力。通過Geomagic Studio重構出鉤爪的三維模型。

2.1　點處理階段

點處理階段主要是對點云數據進行預處理，并將其整理為整齊有序及能提高處理效率的點云數據[10-12]。其主要操作有：

(1) 選擇體外孤點，非連接項，減少噪點及刪除部分點云。為了保證數據的精度，盡量通過選點的方式進行去噪處理。噪點如圖2所示。

圖2　噪點示意圖Fig.2　Sketch of noise

(2) 對點云數據進行曲率、統一、等距或者隨機采樣。由于該鉤爪模型在齒面處有直角邊且曲率變化較大，因而采用曲率采樣對數據進行簡化，從而能夠保證在該部分更好地保留其形貌數據信息。

(3) 合并處理。因為點云是通過多視拼合進行數據采集的，因此，要將所有部分進行合并，如圖3所示。

圖3　點云合并示意圖Fig.3　Sketch of point cloud merging

(4) 對點云三角面片網格化封裝。在Geomagic Studio中對數據簡化處理之后，再對點云數據進行封裝，然后進行多邊形處理。封裝命令及完成的效果圖如圖4所示。由圖4可看出，所構建的三角網格模型比較光順，而且其棱角特征沒有被鈍化。

圖4　封裝完成效果圖Fig.4　Packaged triangular patch

2.2　多邊形處理階段

多邊形處理階段主要是對多邊形網格數據進行表面光順與優化處理，以獲得光順、完整的三角面片網格。

(1) 清除、刪除釘狀物，減少噪點以光順三角網格。由于點云處理階段一些噪點沒有完全清除，封裝時會出現釘狀物，如圖5所示，通過這一步可將其去除。

圖5　釘狀物展示圖Fig.5　Projection display chart

(2) 填充孔。由于三維掃描時一些地方數據采集不完全，或者個別地方位置點分布稀疏，封裝過程中會出現孔，可以通過填充單個孔一一填充。

(3) 簡化多邊形。采用基于三角形計數并曲率優先的模式對多邊形進行簡化。

(4) 松弛多邊形。在多邊形松弛過程中，將平滑級別、強度、曲率優先都設置的比較小，從而對模型進行平滑處理。

(5) 網格醫生檢驗。完成上述操作后，通過網格醫生再對多邊形進行分析檢驗，如圖6所示。通過進一步修改，可得到鉤爪的基本重構模型。

圖6　網格醫生完成圖Fig.6　Grid doctor analysis chart

2.3　曲面處理階段

在曲面處理階段通過構造曲面片，構造格柵，再曲面擬合，進而得到完整的模型。

(1) 構造曲面片。由多邊形處理階段進入曲面處理階段，此時曲面片數為0，故要先構造曲面片。其處理步驟如下： ① 探測曲率生成輪廓線；② 根據輪廓線生成曲面片；③ 通過移動面板調整節點的位置，使得生成的曲面片盡可能均勻分布。

(2) 構造格柵。對格柵進行松弛、編輯、簡化處理。

(3) 擬合非均勻有理B樣條(Non-Unifional Rational B-Splires, NURBS)曲面。構建完成格柵之后就可以進行NURBS曲面擬合了。選擇NURBS菜單中的擬合曲面操作命令，進行曲面擬合。最終完成的曲面如圖7所示。

圖7　完成效果圖Fig.7　Surface result

3快速成型與誤差分析

3.1　快速成型

模型重構完成之后，通過軟件導出立體光刻(Stereo Lithography, STL)文件，并對其進行3D打印。

3.2　誤差分析

由于受測量設備、測量方法、數據處理、被測物體形狀等諸多因素的影響，最后所得到的模型及樣件通常會不可避免的存在誤差。所謂誤差通常是指實際測得值與被測量的真值之間的差。若對某量的測得值為a，該量的真值為x，則誤差為

σ=x-a

(1)

實驗誤差計算通過兩種方式： ① 將原樣件CAD模型和通過逆向建模所得的CAD模型導入Geomagic Studio中同意坐標系下，通過移動兩個模型，使其重合。通過分析菜單下的偏差，計算重建模型和原模型的誤差σ1。② 通過測量3D打印樣件主要參數和被測樣件主要參數進行比較，得出其誤差σ2。本次實驗誤差σ1=0.2,σ2=0.25。由于3D打印過程中材料膨脹、打印精度、切片過程中切片軟件計算誤差等原因，打印出來的樣件誤差大于重建模型誤差[13-15]。

3.2.1誤差產生的主要原因① 被測實物自身的因素。在測量實物曲面過程中，被測物本身的材料、顏色、粗糙度、光學性質及其表面形狀，對光的吸收和反射度都存在著有較大的差異，尤其是物體表面的折射率和粗糙度等因素對測量精度產生重大的影響。② 標定的因素。在對實物進行測量之前需要進行標定。由于光學測量系統在制造和裝配時，不可避免會產生一些誤差，故物點到像點的非線性關系的標定技術則是獲取物體三維坐標的關鍵所在。同時，由于在測頭的變形以及標定時，對光學系統進行了很多理想假設，也因此帶來了一些復雜的非線性系統誤差，最終影響到測量數據的精度。③ 參考點的誤差。本實驗通過對物體進行多次測量，然后進行多視拼合，在多視拼合時參考點的選取也會引起誤差。④ 數據處理誤差。在數據處理的過程中，由于零件部分面為凹面，掃描儀無法獲取完整數據，在曲面擬合過程中不可避免地出現誤差。⑤ 系統誤差。系統誤差主要包括設備制造誤差、測量系統原理性誤差、環境誤差等非人為誤差。設備制造誤差主要由于設備本身制造精度、零部件的老化破損等機械結構引起的誤差。測量系統原理性誤差是由掃描設備測量方法決定的。如光學非接觸式測量精度無法達到接觸式三坐標測量儀的精度,這是由設備本身的局限性引起的。而環境誤差主要來自于測量環境的溫度、光線、振動等。若測量環境溫度與儀器校準溫度相差過大，則會產生較大誤差。⑥ 3D打印誤差。對模型進行3D打印時，通過切片軟件對其模型進行處理，在此過程中，也會出現誤差，而且3D打印時由于材料、打印速度、精度、支撐等影響，也會有一些誤差存在。

3.2.2減小誤差的方法① 對于一些反光的樣件，可以在其表面噴涂顯影劑，減小反光。② 在標定點的時候要盡量均勻，而且標定點之間距離要適當。③ 多視拼合時盡量選取頂點或邊角等有明顯特征的參考點，以減小多視拼合的誤差。④ 數據處理過程中，精簡數據，曲線、曲面的擬合要盡量保持測量形狀，避免因數據缺失、數據失真和數據冗余產生誤差。⑤ 定期校準測量儀，測量過程中避免人員走動等。

對于一些精密零件來說，對其逆向重構模型時，要盡量減小誤差，保持原有精度參數。無論在點云數據獲取還是數據處理過程中，要按步驟，按要求處理。

4結語

本文基于RE的典型零件快速成型，通過一個典型零件的快速制造過程，把RE和快速制造相結合，可以比較容易對產品進行模型重構。通過這種手段，我們可以對已有產品進行改進，也可以在此基礎上設計新產品，縮短了開發周期。這種方法也為工業設計，機械設計提供了一種新的思路。

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【下期論文摘要】

高熵合金的接觸彈塑性行為

孫淵

(上海電機學院 機械學院, 上海 200245)

Rapid Prototyping of Typical Parts Based onReverse Engineering and Error Analysis

CHENTian,QUANZhilong，WANGXu，WANGYao，JIAHongyan，YEJiabing

(School of Mechanical, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

Abstract：Integration of reverse engineering and rapid prototyping has become an independent research field in CAD/CAM. It is an advanced supporting technique that can digest, absorb and shorten the product redesign and manufacturing cycle, and has become a hot spot in manufacturing industry. This paper takes a hook claw as an example, and describes a typical part of point cloud acquisition based on the studio Geomagic model reconstruction and the process of prototype production via 3D printer. The key issues such as point cloud processing, polygon processing and surface processing are discussed. An error analysis is presented, and an error reduction method is proposed.

Key words：reverse engineering(RE); point cloud; model reconstruction; rapid prototyping manufacturing; error analysis

文獻標志碼：A

中圖分類號：TP 391.72;TH 16

文章編號2095 - 0020(2015)06 -0311 - 05

作者簡介：陳田(1973 -)，女，教授，博士，主要研究方向為數字化設計、制造及檢測，E-mail： chent@sdju.edu.cn

基金項目：國家科技重大專項項目資助(2011ZX04002-111)；上海市自然科學基金項目資助(15ZR1417200)；上海市教育委員會科研創新重點項目資助(14ZZ169)；上海市大學生創新活動計劃項目資助(G2-13DXSCX-045，A1-5701-14-006-08-17，A1-5701-14-006-08-19)

收稿日期：2015 - 06 - 29