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基于实物逆向工程技术的装备零件设计方法

已有 1191 次阅读  2010-04-05 21:43   标签实物  工程  装备  逆向  技术 
  • 出处:万方数据 日期:2010-01-27
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引言
    引进国外先进武器装备技术需要实现引进装备技术的国产化。广义逆向工程(也称反求工程、反向工程)是消化、吸收先进技术的的组合,实物逆向工程则是在已有实物的基础上进行结构功能分析、设计模型重构、再设计优化与制造。逆向工程在引进装备技术国产化中起重要的作用,故对基于实物逆向工程技术的装备零件设计方法进行研究。
1 实物逆向工程技术
    实物逆向工程技术作为产品设计制造的手段,广泛地应用于产品的复制、仿制、改进及创新设计中。它综合运用数字化技术、模型重构技术和产品制造技术,将实物样件或手工模型转化为计算机辅助设计(CAD)数据,以便利用快速成型(RP)系统、计算机辅助制造(CAM)系统、产品数据管理(PDM)系统等先进技术对其处理和管理,并进一步修改和再设计优化,达到“创新、发展”的目的。产品开发流程如图l。对于外观以自由曲面为主的引进装备零件,设计方法采用实物逆向工程技术,即利用三维数字化技术设备采集零件实物(或模型)表砸三维数据,借助逆向工程软件进行三维数据处理,利用CAD/CAM系统软件重构零件CAD模型。

产品(零件)开发流程
图1 产品(零件)开发流程


1.1 三维数字化技术
    三维数字化(又称产品表面数字化)指通过特定的测量设备和测量方法,将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据,在此基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。不同的测量方式决定了测量的精度、速度和经济性,还造成了测量数据类型及后续处理方式的不同。根据采集探头是否和实物模型表面接触,产品表面三维数据采集设备基本上可分为接触式和非接触式2大类,三维激光扫描仪以三角形测量原理为基础的典型非接触式三维数据测量设备,它利用光源和光敏元件间的位置和角度关系来计算产品表面点的坐标数据。三坐标测量仪是接式测量设备,也常用于零件表面数字化。
1.2 三维数据处理技术
    在CAD模型重构前,必须进行三维数据点云处理,主要包括多视点云拼合、点云数据编辑、数据点云精简及数据点云平滑等。由于每次测量所对应的局部坐标系一般不一致,故必须首先找出处于不同坐标系下点云间的空间变换矩阵,从而将所有的点云都统一到同坐标系中,完成多视点云之间坐标系的拟合,然后还要消除点云重复层面的多余数据,连接点云重复层面之间的缝隙,从而重构出三角形形式的三维模型。经过拼合处理后生成的三维模型大部分已具有完整的物体表面三维数据,但由于物体结构的复杂性以及测量设备的局限性,在实际测量中会出现数据空白,使生成的多面体模型质量不高,必须对模型进行编辑处理。受人为和环境因素的影响,点云数据中混有噪声点和误差点,影响模型重构的精度,必须对点云数据进行光顺处理,即通过滤波剔除噪声点和误差点。激光扫描仪获取的数据非常密集,存在大量冗余,给模型重构及存储、显示与传输等都带来了不便,在保证精度的前提下,有必要对冗余数据点云进行剪裁处理。
1.3 三维模型重构技术
    实物的三维CAD模型重构是整个逆向工程过程中最关键和最复杂的一环,因为后续的产品加工制造、快速原形制造、虚拟制造仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要CAD模型的支持。目前最常用的曲面模型表示方法有2种:1)以B-Spline曲面和NURBS为代表的基于四边形域曲面的几何重构方法;2)以三角Bezier曲面为代表的基于三角域曲面的几何模型方法。由于非散乱点数据的测量点分布有一定规律并且有确定的位置关系,所以这类数据生成的曲面可以实现参数化。以B-Spline曲面和NURBS为代表的基于四边形域曲面的几何重构方法适用于这类点云数据的曲面拟合。由于三角曲面对数据点预处理要求不高,边界适应性好,并且构造灵活,在对散乱数据的曲面重构方面具有相对的优越性。构造散乱点数据插值曲面的基本方法是对散乱点数据进行三角剖分,再对三角划分后的三角网格生成三角曲面。
2 逆向工程应用实例
    采用VIVID910非接触式三维激光扫描仪来获取汽缸设计实例中的三维数据点云,该扫描仪使用栅条光源发射水平栅条光,通过柱状镜头照到物体上,由CCD相机接收物体的反射光,然后根据三角测距原理计算距离信息,使用偏折镜垂直地扫描物体表面,获得物体的三维数据图像。扫描仪执行1次高精度扫描只需要2.5s,即可将物体表面形状转换为超过30万个项点(连续点)的点格数据。图2中的(2)为扫描所得的未经处理的1个数据点云。

产品(零件)实例数据示意
(1)气缸实物图像            (2)原始数据点云图

产品(零件)实例数据示意
(3)处理后三维数据            (4)重构的三维模型
图2 产品(零件)实例数据示意


    对激光扫描仪所获取的庞大的点云数据,利用逆向工程软件Polyworks进行数据处理(如点云拼合、编辑、平滑及剪裁等),以便获得满意的三维数据。Polyworks软件由IMAlign、IMMerge、IMEdit、IMCompress、IMInspection和IMView等功能模块构成,其中,IMAlign模块主要用于多视点云拼接,IMMerge模块负责点云数据拟合并生成1个多面体模型,IMEdit模块主要用于对多面体模型加以改良,IMCompress模块负责对模型进行数据剪裁。图2中的(3)为经过数据处理后的三维数据。
    对于经过处理的三维数据,利用逆向工程软件Polyworks强大的NURBS曲面重构功能,在改良的多面体模型上创建NURBS曲面,重构零件的三维CAD模型。工业上常用的软件ug或Pro-E、I-deas也可以利用经过数据处理后的三维数据,重构零件的三维数字模型,并以STL、STEP、IGES等标准数据格式保存。供后续的CAD/CAM设计和RP/NC加工使用。图2中的(4)为重构的零件CAD模型。
3 结束语
    探讨了应用实物逆向工程技术进行引进装备零件设计的关键技术,结合气缸设计实例,给出了三维数字化、三维数据处理和三维模型重构实现方法。结果表明,基于实物逆向工程技术进行引进装备零件设计,能有效提高引进装备技术国产化率。

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