復雜型面氣缸蓋罩的實體模型重建*

王春香，錢 亮，尹金林

(內蒙古科技大學 機械學院，內蒙古 包頭 014010)

0 引言

逆向工程(Reverse Engineering，RE)是將實物轉變為CAD模型相關的數字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱[1]。目前，利用幾何模型重建技術對具有眾多裝配精度要求且型面復雜的罩蓋類零件的模型重建較少，這是由于具有此類特征的零件在采用單一的逆向建模時需要裝配的部位難以達到精度要求，因此可采用正逆向相結合的方法來得到滿足裝配要求的實體化模型。文獻[2]作者結合正向設計和逆向設計的雙重優勢對電動汽車外觀進行曲面重建，得到了滿足精度要求的電動汽車外觀模型。

本文以某型具有眾多裝配精度要求且型面復雜的氣缸蓋罩為研究對象，運用Geomagic等多個逆向軟件協同完成模型重建和精度檢測。在Geomagic Wrap軟件中完成點云模型的預處理，對曲面孔洞運用算法進行修補；對于定位裝配和氣孔處的孔洞，運用Geoamgic Design X正逆向建模功能，截取該孔洞處的輪廓線進行參數化修正，運用正向設計命令完成實體模型的重構，從而獲得滿足精度要求的實物模型。

1 氣缸蓋罩的點云數據采集

零件表面離散點的幾何坐標數據即為點云數據，其采集是逆向工程的基礎和關鍵技術之一，直接影響后續的數據處理和三維模型重構的效率和質量[3]。本文采用?？怂箍倒旧a的型號為8725-7的便攜式激光掃描儀測量獲得的氣缸蓋罩點云數據如圖1所示。在氣缸蓋罩掃描的過程中，由于設備本身、掃描環境、操作技術等多種因素的影響，獲得的氣缸蓋罩點云數據模型中出現了一些大小各異的孔洞，其中有定位裝配孔洞1、數據缺失嚴重的跨面孔洞2和點云數據大量缺失的孔洞3、4等。

1-定位裝配孔洞；2-數據缺失嚴重的跨面孔洞；3，4-數據大量缺失的孔洞

2 模型重建過程

2.1 點云數據的預處理

點云數據的預處理包括點云噪點去除、點云補洞、點云光滑和點云坐標對齊等[4,5]。其中，點云補洞是氣缸蓋罩點云數據預處理的難點。

點云補洞前，利用Geomagic Wrap軟件中“多邊形”功能區中“平滑-刪除釘狀物(減少噪音)”的命令對面片進行光滑處理，主要去除零件表面的數字、字母等標號，去掉面片上無用的凸起表面等。處理原則是表面光滑且過渡良好。

在圖1氣缸蓋罩點云數據中，對于孔洞2，由于缺失的面積過大且跨面，基于“多邊形”命令中的“填充單個孔-平面”自動修補的效果如圖2(a)所示，基于“多邊形”命令中的“填充單個孔-曲率”自動修補的效果如圖2(b)所示，顯然運用簡單的“曲率(或平面)”的自動修補方式均無法達到要求，本文運用MEA-BP神經網絡算法進行修補。運用Imageware軟件截取孔洞周圍的點云數據，在MATLAB中運行修補算法，修補結果如圖2(c)所示，相比運用軟件自動修補，修補效率較高。

對于孔洞3和4，由于缺失的面積過大，為了保證后期的建模質量，利用追加“橋”一點點地連接。對于存在的一些肉眼看不見的小洞，點擊“網格醫生”，出現一些鮮艷顏色的小孔，點擊“完成”即可完成修補。

為了后期模型重建的成功，將點云數據置于合適的坐標系下。根據斗齒的幾何特征構建參考平面，選擇“手動對齊”“x-y-z”方法完成坐標對齊，如圖2(d)所示。此方法可以大大減少工作量，提高工作效率。

圖2 點云數據的預處理

2.2 模型重構

2.2.1 氣缸蓋罩孔參數位置確定

由于氣缸蓋罩的螺栓孔具有配合精度要求，所以這些部位采用正逆向混合參數化建模方法來保證精度。通過觀察，氣缸蓋罩上有14個定位裝配孔洞，故需先通過面片草圖確定孔的半徑和位置，然后對得到的孔洞半徑進行參數化修正。

在氣缸蓋罩面片的基礎上，選擇合適的基準平面。在“面片草圖”命令中選取“平面投影”法，截交定位裝配孔洞1，得到定位裝配孔的輪廓線，通過“智能尺寸”對其中的3個孔進行測量，其半徑依次為3.407 8 mm、3.514 7 mm和3.416 1 mm。因定位裝配孔所用的螺栓為標準件，故將其半徑選定為3.5 mm，如圖3所示。在“面片草圖”命令中選取“平面投影”法對其他11個定位裝配孔進行投影，所得到的各投影的圓心即為其他11個定位裝配孔的軸心。

圖3 草圖參數化修正

2.2.2 氣缸蓋罩CAD模型的構建過程

仔細觀察面片數據圖2(d)發現，該模型復雜曲面較多且為薄殼類零件，其次，發現底部為放置密封膠條的部位。為了提高建模效率及其精度，本文將采用抽殼的方法進行主體建模。建模的具體步驟如下：

(1) 對放置密封膠條的部位建模，同時也可得出氣缸罩蓋大致輪廓，模型底部草圖如圖4所示。

圖4 模型底部草圖 圖5 模型大致實體輪廓

(2) 利用面片草圖命令將氣缸蓋罩外形輪廓精準地畫出來并拉伸出大致的實體輪廓，如圖5所示。

(3) 對于模型凸起的外部特征，利用實體本身的平面作為面片草圖的基準平面來進行草圖的繪制，再對這些草圖進行實體的拉伸合并運算，然后對已經完成外形建模的實體進行抽殼，完成抽殼的實體如圖6所示。

(4) 結合2.2.1對氣缸蓋罩中14個定位裝配孔參數的確定，采用曲面偏移、面片草圖、拉伸等命令，并采用布爾運算(切割)命令將定位裝配孔打出，完成后的實體模型如圖7所示。

圖6 抽殼后的實體模型 圖7 完成定位裝配孔后的實體模型

(5) 采用常用的面片草圖、拉伸、切割、合并、圓角等命令逆向出氣缸蓋罩的內部排氣孔、外部排氣孔和板筋部位，得到最終的實體模型如圖8所示。

圖8 重建后的氣缸蓋罩實體模型

3 氣缸蓋罩實體的精度分析

從掃描到氣缸蓋罩的逆向建模過程中，每一步處理都存在誤差，其來源有掃描儀精度產生的掃描誤差、掃描時環境的影響產生的誤差、模型數據的處理產生的誤差和模型擬合重構過程中的誤差等等。所以，對最終的氣缸蓋罩重建模型的精度分析是不可缺少的。查找QC/T29017-1991《汽車模制塑料零件未注公差尺寸的極限偏差》[6]可知：取其中收縮特性值為3-4，模制塑料零件未注公差尺寸中裝配面尺寸取A級偏差值為±2.60 mm，非裝配面尺寸取B級偏差值為±2.70 mm，即可滿足要求。

將氣缸蓋罩點云數據模型和上述重建后的氣缸蓋罩實體模型導入Geomagic Control X 軟件，以其強大的三維檢測功能對重建后的氣缸蓋罩實體模型進行偏差對比[7]，生成檢測報告，如圖9所示。在定位裝配孔和原數據大量缺失的部位，利用軟件中“比較點”命令來獲取此處的偏差值，來判斷此處位置是否滿足精度要求。

圖9 氣缸蓋罩模型的3D比較、采樣點精度報告

從缸蓋罩模型的3D比較、采樣點精度報告可知，整個氣缸蓋罩的最大偏差為2.687 4 mm，最小偏差為-2.688 6 mm，定位裝配孔部位的最大偏差為-0.263 2 mm，最小偏差為-1.046 6 mm；缺失大量點云數據的孔洞2、3和4的最大偏差為0.898 9 mm，最小偏差為0.196 mm，均滿足精度要求。

4 結論

本文詳細介紹了采用Geomagic等軟件結合正逆向混合建模思想對具有裝配精度要求的復雜型面氣缸蓋罩進行實體模型重建的過程。通過對重建實體模型與原始點云模型的偏差分析，驗證了該模型重建方法能夠獲得滿足精度要求的氣缸蓋罩實體模型，為以后類似特征的實體建模提供了一種方法。