一種彈性元件的逆向設計

□ 郭建芬 □ 龐明磊 □ 徐井利 □ 秦貞明 □ 李樹虎

山東非金屬材料研究所 濟南 250031

1 設計背景

逆向設計是從實物樣件獲取產品數學模型,進而開發出同類產品的先進設計技術。通過逆向設計,設計師對產品實物或樣件表面進行數字化處理,重新構造實物的三維模型,經過計算機輔助設計、工程、制造系統,實現產品剖析、深化和再創造。

逆向工程技術也稱為反求技術,為快速設計、制造產品提供了很好的技術支持。逆向設計一般要經過實物模型分析、數據采集、數據處理、曲面重構、曲面分析等步驟。根據成形制件需求的不同,進行具體分析處理。在沒有產品設計圖紙或相關資料的前提下,運用逆向設計,能在較短時間內對原型產品進行設計、修改與創新,開發制造出理想的同類產品。

2 實物模型分析

在逆向設計時,如何根據構建的模型來獲取所需的物體表面數據,對整個模型的重建起到至關重要的作用。應對實物模型進行全面分析,主要從三方面進行考慮。

(1) 成形曲面。對于規則曲面或較簡單曲面構成的模型,可以使用接觸式測量方法,取點精度較高,曲面成形方便快捷。如果模型由復雜曲面或異形曲面構成,后續的成形方法較復雜,成形曲面所需的參考數據較多,那么可以采用非接觸式數據掃描,以滿足后續復雜曲面的建模需求。

(2) 測量方法。接觸式測量對模型裝夾與測量取點有較高的要求,如果有些模型較難實現接觸式測量所需的裝夾固定,或實現裝夾固定后妨礙重要特征的獲取,那么只能采用非接觸式測量。非接觸式測量不需要對模型進行裝夾固定,但要保證可以對模型全部所需表面數據的順利獲取。

(3) 特殊屬性。模型具有某些特殊屬性或有特殊要求時,需要具體考慮。如模型材質為易變形材質,則只能進行非接觸式測量。

綜合以上三方面,接觸式測量取點對后續曲面成形針對性強,測量精度與曲面成形精度高,成形快捷,是首選,但應用范圍有限。非接觸式測量取點應用范圍廣,但后續數據處理與模型重構較復雜。

一種帶有旋轉曲面屬性的彈性元件三維模型如圖1所示。分析這一元件,元件外表面為旋轉曲面,只要獲取一條母線與旋轉軸,旋轉成形即可獲得所需曲面。由于這一元件為彈性元件,易變形,因此不宜采取接觸式測量。根據現有條件,擬采用三坐標測量機激光掃描技術實現元件表面數據點的獲取。利用三坐標測量機的激光掃描測頭,通過定義所需角度進行掃描,直至獲取理想的完整外表面數據。點云數據通過預處理,生成所需外表面的設計數據。根據元件曲面成形特征,設計出整個元件的數據。

▲圖1 彈性元件三維模型

3 數據采集與處理

數據采集是保證模型重構質量的關鍵因素,也稱為表面數字化實現,是獲得模型表面數據的必經過程。

這一彈性元件采用三坐標測量機激光掃描來測量。將元件放置于臺面上,定義所需掃描測頭的旋轉角度并標定,然后對元件進行掃描。激光掃描獲取的點云數據一般以.asc格式輸出,可以輸出至逆向設計軟件或計算機輔助設計軟件進行處理。這一彈性元件激光掃描完成后,生成十幾個.asc格式文件。

數據掃描完成后,需要進行預處理。Imageware、Geomagic Studio等是專業逆向設計軟件,可進行點云數據預處理。預處理包括噪聲點去除、模塊拼合、數據優化等。將激光掃描獲取的點云數據全部輸入軟件。由于所有點云數據都在三坐標測量機同一坐標系下進行,并且在掃描過程中元件的位置保持不變,因此所有.asc格式文件拼合起來正好是元件的全局數據。

將全部點云數據拼合后,檢查所需表面數據點云。若不完整或點云數據不理想,則需要定義測頭角度補測。原始點云數據是后續逆向處理的根本依據。

拼合后的原始點云會存在大量數據冗余點,應將噪聲點、孤點等清除。海量數據點對于曲面重建和質量檢測而言是多余的,還會給數據存儲和后續處理帶來很大不便。因此,在滿足精度的前提下,需要對點云數據進行過濾處理或采樣,以適當減少點云數量。預處理后的點云數據圖如圖2所示,圖中包括表面數據點與參考基準點等。

為了使曲面成形精度更有保障,需要對點云數據三角網格化。點云數據三角網格化后的曲面看上去有許多缺陷,由此,需要對曲面進行處理,形成較平整的網格曲面。點云數據三角網格化曲面如圖3所示。三角網格化曲面并不是真正意義的設計曲面,還存在曲面不完整區域,因此需要在計算機輔助設計軟件中重新構造設計曲面。

▲圖3 點云數據三角網格化曲面

通過三角網格化曲面,能更好地觀察曲面成形質量與曲面形狀。對曲面質量不佳的部分,可重新定義所需測頭角度,并進行數據掃描。如果距離元件底面某一高度范圍內曲面始終掃描不上,那么存在測量死區。測量死區與測頭方位、運動路徑限制有關,可以在計算機輔助設計成形時解決。

4 曲面成形與分析

數據預處理完成后,需要在專業的計算機輔助設計軟件中進行高質量的曲面成形與設計。曲面重構是逆向設計的關鍵內容。專業的計算機輔助設計軟件有Unigraphics、Creo、CATIA等。其中,CATIA軟件為逆向設計提供了數字曲面編輯器、自由曲面設計、創成式曲面設計、快速曲面重構四個專用模塊,具有多種構建曲面方式及強大的曲面造型功能。利用CATIA軟件逆向設計模塊,可以對點云數據進行預處理。

彈性元件的外表面數據可通過一條設計母線繞中心軸線旋轉成形,形成旋轉曲面。該旋轉曲面成形的關鍵是依據掃描數據找出中心軸線與所需的旋轉母線。彈性元件外表面成形時,中心軸線位置與旋轉母線形狀至關重要。成形后,若點云與成形曲面偏離較大,則可調整中心軸線位置或旋轉母線的成形,直至點云與曲面的距離達到設計要求。由此可見,在逆向設計過程時,曲線構造曲面的過程是一個不斷往復修改與調整的過程。

利用點云曲面構造成形曲面,需要創建與提取特征線。彈性元件表面成形為旋轉曲面,與底面平行的各截面曲線應為圓,中心軸線應通過各個圓的圓心。由此,利用CATIA軟件的平行截面線功能作平行于底面的若干平面與網格曲面相交,得到各相交曲線,再用圓來擬合各相交曲線,并找到各截面圓的圓心,利用截面圓心擬合出直線,作為旋轉中心軸線。截面圓與旋轉中心軸如圖4所示。

▲圖4 截面圓與旋轉中心軸

過中心軸線作平面,利用平行截面線功能得到平面與三角曲面的截面曲線。在草圖中,依據該截面曲線作出所需的旋轉母線,用于旋轉成形曲面。經分析,旋轉母線主要由直線與過渡圓角等組成,因此利用直線與圓弧來擬合出旋轉母線,保證母線成形的高質量,如圖5所示。只有對點云擬合程度高,形成高品質的光順曲線,才能得到成形所需的高質量曲面。母線頂部直線段、底部直線段等需與旋轉中心線垂直,保證旋轉曲面的成形質量。

▲圖5 草圖中旋轉母線擬合

旋轉母線繞中心軸旋轉成形外形曲面后,可以對該外形曲面進行分析。外形曲面為旋轉曲面,旋轉母線的高質量與草圖約束等決定了外形曲面的光順性與高質量。

分析點云與曲面的距離,若超出設計公差,則可調整成形曲線與中心線,最終使點云與曲面的距離在設計公差內,且以點云均勻分布在曲面兩側為佳。

彈性元件外表面數據設計成功后,可以設計彈性元件截面形狀,如圖6所示,從而最終設計出整個彈性元件的生產數據。

▲圖6 彈性元件截面形狀

5 結束語

逆向設計根據現有實物模型的測量數據演繹出零件的設計概念和計算機輔助設計模型,在已有產品基礎上仿造新產品,為產品設計和舊產品的改進提供了方便途徑。逆向設計可以在草圖與截面設計階段進行所需的創新設計,對于需分塊成形的曲面,先分析設計好每塊曲面,然后完成過渡曲面的設計。筆者介紹了一種彈性元件的逆向設計,可以為帶有旋轉曲面屬性產品的逆向設計提供參考。