逆向工程技術在水表開發領域的研究

楊 濱,張偉東,許學文,蔣彥華,朱 斌

(寧波水表(集團)股份有限公司,浙江 寧波 315032)

0 引言

水表計量精度的失準已經逐漸成為供水企業計量工作的難點。由水表計量精度偏差引發的水資源浪費不容忽視。水表的精準性直接關乎水資源的有效利用,也是可持續發展的重要要求,與每個用水單位息息相關。

在國家政策和節能環保要求的指引下,越來越多的水務公司和用戶意識到節約用水的重要性。受到污水處理費用、水資源價格不斷上漲等因素的影響,水務公司管理工作面臨著困難和挑戰。

本文采用逆向工程技術對表殼和葉輪等水表重要零件進行三維模型重建,著重分析逆向工程應用于復雜零件再造的關鍵技術。該技術的研究對提高水表零件的檢測和制造精度具有重要意義[1],可有效縮短水表零件的設計周期,為實現水表零件數字化檢測提供了參考[2]。

1 逆向工程概述及測量選型

逆向工程又稱反求工程、反向工程。 逆向工程是傳統產品設計(正向工程)的相對概念。 逆向工程是以已有產品和資料為基礎,對其進行消化吸收、改革創新、改進優化的生產過程[3]。逆向工程可以優化產品設計、制作替換部件、設計新產品。

逆向工程特征提取指通過測量設備把產品表面形狀轉化成離散的幾何坐標數據,并以點云數據來表示實物模型的幾何特征[4]。常用逆向工程測量方法分類如圖1所示。

圖1 常用逆向工程測量方法分類

根據表殼的結構特點,表殼選取三坐標測量機進行測量。三坐標測量機具有精度高、可測量結構復雜和不規則的工件等優點。葉輪選取三維掃描法進行測量。三維掃描法的優勢是非接觸式掃描、速度快、數據全自動拼接、測量精度高、便攜式設計、操作簡單、輸出數據接口廣泛。

2 三坐標測量機的技術原理及應用分析

2.1 技術原理

三坐標測量機是在三維可測的空間范圍內,根據測頭系統返回的點數據,通過三坐標的軟件系統計算各類幾何形狀、尺寸等測量能力的儀器。三坐標測量機集光學、機械、電子、計算機和數控技術于一體,是自動化、高精度、多功能的接觸式測量儀器[5]。

三坐標測量機具有自動化和數字化程度高的特點,不僅可以大幅提升測量工作速度,而且能顯著提高測量精度,是目前設計、檢驗等領域中較為主流的一款測量設備[5]。

2.2 應用方法

水表表殼因曲面和水流流道形狀相對復雜,如采用非接觸式測量方法則無法準確測量出所需數據。因此,本文采用接觸式測量方法。以下具體介紹接觸式測量方法對表殼型面特征提取、數據處理的過程。

表殼測量要根據探針選用、測量基準選擇、測量點數及測量位置規劃等各種因素統一考慮,以保證測量結果的準確性和測量效率[6]。

大部分表殼材質為黃銅。黃銅是由銅、鋅組成的合金。選取的探針要求與表殼材質不發生干涉,使提取的特征為所要測量的實際數據。測量時,探針接觸應盡可能沿法線方向、所接觸的點應盡可能為最大分布、選取的點應盡可能多,從而使提取的特征更具代表性[6]。三坐標測量機工作流程如圖2所示。

圖2 三坐標測量機工作流程圖

三坐標測量機獲得表殼點陣數據的步驟為:首先,借助逆向工程軟件(如Imageware surfacer等)讀取點陣數據;接著,創建曲線、建立曲面等,完成數據處理并轉換成通用格式;然后,導入三維設計軟件(如Solidworks等),對數據進行光順、延伸、剪切等處理,完成實體的再設計過程;最后,得到表殼的管理軟件計算機輔助設計(computer aided design,CAD)模型[7]。

表殼擬合曲線如圖3所示。

圖3 表殼擬合曲線

表殼CAD模型如圖4所示。

圖4 表殼CAD模型

2.3 偏差分析

在特征提取、曲線擬合以及數據處理過程中,不可避免地會出現精度偏差和模型失真,所以有必要對重建的模型進行精度分析。本文運用三維軟件中的特征比較功能,實現理論數據與逆向工程測量數據的比較;通過直觀的色彩偏差圖,實現模型的偏差分析。

3 三維掃描法的技術原理及應用

3.1 技術原理

三維光學掃描技術是集光、機、電及分析和數據處理于一體的多功能集成耦合技術,主要用于對物體空間外形、結構尺寸和色彩進行掃描測量,以獲取被測物體的實體幾何數據參數[8]。其實際意義在于將實物的立體幾何信息轉換成計算機能直接處理的數字信號,為被測物體特征提取、數據處理和產品的數字化設計及制造提供了方便、快捷的解決方案。

三維光學掃描儀為非接觸測量,以其掃描范圍大、速度快、精度高、掃描的點云雜點少、系統內置標志點自動拼接、自動刪除重復數據、操作簡單、價格低等優點而在產品設計中得到越來越廣泛的應用。

三維光學掃描儀的掃描過程基于光學三角測量原理。其步驟為:首先,投影模塊將一系列編碼光柵投影到物體表面;然后,由采集模塊得到相應被調制的圖象;最后,通過特有的算法獲取點云數據的三坐標位置,并在掃描儀軟件中轉換成數字格式。這種數字格式常以三維多邊形網格形式呈現,是創建CAD模型的尺寸依據。

三維掃描數據優化流程如圖5所示。

圖5 三維掃描數據優化流程圖

圖5中,數據預處理包括拼接、降噪和精簡。

3.2 特征提取

三維光學掃描儀對葉輪進行掃描前,需要在葉輪表面貼標記點,以便在掃描時進行空間定位[9]。使用三維光學掃描儀需選定一個穩定的工作環境。掃描過程中不可出現震動。環境光線不要太強,最好選擇在暗室操作,以避免額外光線對掃描儀的干擾。被掃描物體和鏡頭距離要適中。結構重疊部分應盡可能減少掃描次數。數據多次拼接會使累計誤差增大。做到以上幾點,就能有效提高測量精度。

3.3 數據處理

根據葉輪特點,掃描儀從不同角度對物體外形及內部結構進行掃描。重復掃描操作,即可提取完整的特征。本文利用迭代就近點(iterative closest point,ICP)算法對點云進行拼接[10]。該算法主要用于三維空間中的點云配準,適用于平面、曲線和曲面等各種場景。當點云配準的精度未滿足設計要求時, ICP 算法可在不斷的迭代中降低誤差,以實現理想的數據處理結果。開始的粗略匹配為之后的精準匹配提供了較好的定位點。ICP算法的作用為進一步縮小誤差,使數據處理結果無限接近實物的外形輪廓。

預處理后的葉輪點云如圖6所示。

圖6 預處理后的葉輪點云

3.4 模型重建

CAD模型重建是逆向工程的關鍵技術。CAD模型重建主要通過逆向工程軟件對預處理后的點云數據進行擬合,并對所建立的模型進行編輯操作,如拼接、過渡和剪切等,從而實現重建模型。

葉輪CAD模型如圖7所示。

圖7 葉輪CAD模型

曲面用以非均勻有理B樣條(non-uniform rational B-splines,NURBS)為基礎的建模方式。相比傳統的網格建模,NURBS能更好地控制物體表面的曲率,使實物的造型更加生動、逼真,是現代曲面造型中應用廣泛的技術[11]。

4 結論

逆向工程根據現有的實體,采用有效的工具和方法測量其外形坐標點數據,再根據所得數據構建出實物的幾何模型。實物原型的再現僅僅是逆向工程的初步階段,在此基礎上進行基于原型的再設計、再分析、再提高,從而實現重大改型的創新設計,才是逆向工程的真正價值和意義所在。

本文首先采用三坐標測量機和三維掃描法分別對水表表殼、葉輪進行特征提取;接著利用軟件對所得數據進行處理,得到可視化的誤差分析;然后重建模型對模型的合理性進行評估;最后得到零件的特征參數,導出所需的CAD圖紙。本文使用逆向工程技術成功開發出具有市場競爭力的水表,為后續的產品開發提供指導和借鑒。