逆向工程在风扇叶片翘曲变形测量中的应用

作者：左大平 李进

欢迎访问e展厅 展厅 6 三坐标测量机展厅 三坐标测量机, 关节臂测量机, 逆向工程/测量机软件, ... 引言 汽车发动机风扇在注塑成型过程中，因叶片部分发生较大翘曲变形而导致大量的废品出现。为了分析叶片翘曲变形原因，并进一步提高制品的成型精度，需要对叶片的翘曲变形大小进行准确地测量。但是风扇叶片形状复杂，CAD造型时是由一条封闭的3次B样条曲线沿两条3次B样条曲线扫描而成，测量起来具有很高的难度。采用传统的测量工具和测量方法对叶片的翘曲变形进行测量已经无能为力。 本文成功地应用了逆向工程技术对风扇叶片进行数字化处理，得到叶片变形后的点云数据，进而生成制品变形后的数字化模型，通过与原始的CAD模型进行比较并得到叶片任意位置的变形数据，从而避免了传统测量方法测量精度低、耗时等问题。 1 逆向工程技术 1.1 逆向工程的工作流程 逆向工程，也称反求工程或反向工程，是将实物或样件转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重构技术和产品制造技术的总称，是将已有的产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有的产品进行解剖、深化和再创造的过程[1]。 逆向工程技术起源于上世纪60年代，从通俗意义上讲，它是对现有的对象进行复制，获得所需要的数据模型。 逆向工程的工作流程如图1所示。 1.2 逆向工程所涉及的相关技术 从图1可以看出，逆向工程并不是一门孤立的技术，而是与测量技术、CAD/CAM技术等密切相关。从数据采集到CAD模型的建立是逆向工程的核心部分，逆向工程的关键技术也都体现在这一过程中。 逆向工程所涉及的主要技术如下[2] 1) 数据采集技术。目前，常用的数据采集的方法主要有两大类：接触式和非接触式。根据测头的不同，接触式又可分为触发式和连续式；而非接触式根据原理的不同，又可分为光学式和非光学式。其中光学式包括三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法等；而非光学式包括CT测量法、MRI测量法、超声波法和层析法等。 2) 数据处理技术。利用激光扫描测量的点云通常数据量很大，为了提高逆向工程的效率，在精度度允许的情况下，可以对点云数据进行删减。另一方面，测量的点云数据也可能不完整，需要通过已测得的点云数据来重构整个零件表面，这样就涉及到曲面的延伸、修补等技术。这些技术统称为数据处理技术，概括起来主要有多片点云数据的拼合、重采样、点云法矢调整、三角剖分和点云集的划分等技术。 3) 曲面重构技术。点云数据经过分割处理后，每一片被分割的点云需要用恰当类型的曲面来表示。目前，这一工作大多是通过人工交互的方法进行的。这种方法对逆向工程软件和设计人员的经验的依赖性较大，容易发生偏差，而且工作效率也不高。因此，开发能自动准确地判断出点云的曲面类型，是目前逆向工程发展的方向之一。 4) 实体造型技术。实体造型技术是逆向工程技术中的难点。由于目前许多逆向工程软件的优势主要集中于对数据的处理与曲面重构，所以在对复杂曲面进行重构时，大多依靠技术人员的经验和技巧在CAD软件中进行。 1.3逆向工程的应用范围 逆向工程的主要应用范围包括 1) 老产品设计。在没有图纸或CAD数据时对已有产品进行原样复制，用传统方法对实物进行测绘后再绘制工程图具有较大的难度，而采用逆向工程技术处理这一问题则十分方便； 2) 对已有产品的改进。当装配中个别零件出现间隙过大或表面不平而要进行调整时，首先需要获取与之配合零件的几何数据，并在CAD系统中进行分析与改进。如汽车尾灯与车身配合的改善； 3) 新产品的设计。为了降低新立品的开发成本，有时需要参考市场上同类的产品。利用逆向工程技术获取其他产品的CAD数据，以便进行一步改进并设计出新的产品； 4) 产品验证。产品制造完成后，用逆向工程技术重构出该产品的CAD模型，与原始的CAD模型进行比较，分析误差； 5) 快速制造。将逆向工程测量的数据直接生成STL格式文件或NC代码，用快速原型技术制作样件，加工出零件，因而可以大大缩短产品的制造周期。 2 汽车风扇叶片曲面数据测量 2.1 ATOS激光扫描测量系统 ATOS激光扫描测量系统是德国GOM公司研发的产品。自1989年问世以来，经过10多年的发展，已经成为世界上最为成功的扫描测量系统，广泛应用于汽车、航空航天、工艺品复制及科学研究等领域。 ATOS激光扫描测量系统由ATOS光学测量系统和Tritop照相测量定位系统组成。ATOS光学测量系统采用矩形光栅投影，每次测量数据的周期为11s。不同型号的ATOS测量系统每次采集的数据点的数目不同。其最新型号的ATOSⅢ每次能采集到400万个数据点，每次测量的最大范围为2mm×2mm×2mm，测量精度为(0.15~0.1)mm。目前，市场上应用最多的是ATOSII系统，包括测量头、三角架、控制器、Tritop数码相机系统和相应的计算机软硬件系统组成，如图2所示。 Tritop照相测量定位系统是利用照相机技术来获取某些特征标志点的三坐标位置。它是根据全球卫星定位原理开发的，即如果在空间3个（或3个以上）不同的位置看到同一个位置点，那么该点就是可以计算出空间位置坐标的点。根据这个原理，利用的高分辨率的数码相机，经过编码的参考点、标定的比例尺、Tritop数码影像分析和坐标点计算软件，使用数码相机拍摄一组照片，然后送到Tritop软件中分析并进行技术处理，最后得到点云数据。 ATOS激光扫描测量系统提供了多种数据输出格式，以适应不同的应用场合。在ATOS输出的数据格式中，常用的有ASCII(*.asc)、IGES(*.igs)、Pro/E(*.prt)、CLI(*.cli)、DXF、VDA/PS以及ASCII形式的STL(*.ast)和二进制形式的STL(*.stl)。 2.2 叶片数据测量 ATOS的点云数据拼合采用了独创的参考点技术，即两次采集到的点云数据是通过共有的3个及以上的参考点进行拼合的，最后生成完整的点云数据。所以在测量前，需要在风扇叶片表面定义点云数据拼合的参考点。笔者在实际测绘过程中在被测的叶片表面贴上一定数目的纸质参考点，如图3所示。 风扇的成型材料为PA66/GF30，呈黑色，反光效果差，因此在测量前还应在被测量的风扇叶片表面上喷涂白色显像剂。 风扇在结构上呈轮辐状，并且6个叶片在空间呈均匀分布，所以在研究其翘曲变形时，可以选取其中一个叶片作为研究对象。 测量过程中多次变换风扇的空间位置，最终得到完整的叶片点云数据，如图4所示。 3 叶片点云数据处理 3.1 Imageware软件 Imageware是著名的逆向工程软件，广泛应用于汽车、航空、航天、家电、模具、计算机零部件等领域。Imageware点云数据处理过程的基本思路遵循：点的处理过程→曲线处理过程→曲面处理过程。 Imageware系统中的点云分为奇点、点云和任意点云3类。奇点为一个单独的点；点云是指点的集合，可以从一个奇点到数千个奇点；任意点云则是指多个无序的点云，通常来自手持数字化仪和激光扫描仪。在Imageware系统中，定义一条曲线的元素包括方向、节点、跨距、起始端点、控制点和阶次等。Imageware系统中常用NURBS曲线和B样条曲线等对点云进行曲线拟合。Imageware提供了多种曲面构造方法，可以由点云直接生成曲面，可以用曲线通过蒙皮、扫描和边界等方法来生成曲面，还可以结合点云和曲线的信息来创建曲面。 Imageware几乎可以读入所有的三坐标测量数据，同时还可以接收其他格式的数据，如*.stl、*.vda等。将ATOS测量系统测量的点云数据以STL文件格式输入到Imageware软件中[3]。 3.2 风扇叶片的数据处理 应用Tritop数码相机采集数据前在叶片曲面贴上了白色的纸质参考点。这些参考点只是用来对齐Tritop数码相机每次采集的点云数据，但对风扇样件在空间的定位并没有严格的要求。为了使后续工作顺利，在进行模型重构前应尽量使点云基准与风扇在CAD中的设计基准重合。具体的操作方法是在Imageware软件中进行，用Cloud Interactive在风扇内圈外圆柱表面的点云数据中萃取数条曲线，并用Curve From Cloud来拟合椭圆，如图5所示。 由于用任意平面与圆柱面截交所得到的椭圆或圆的圆心仍在圆柱面的轴线上，所以可用这种方法来找到测量的柱形点云的轴线。为了提高轴线的位置精度，可以截取多条椭圆曲线。图5中轴线1即为用截交椭圆中心连线构成的轴线，轴线2为过Imageware系统坐标原点的直线，平面1是由风扇顶平面上采集到的点云构成的平面，平面2为过坐标原点且以z轴为法线的平面。通过轴线1与轴线2对齐，平面1与平面2对齐则可完成风扇点云在Imageware坐标系中的定位，从而完成点云与CAD设计基准的重合。 从点云数据中萃取风扇内圈轮廓线，沿轴线1旋转生成风扇内圈曲面。同样的方法萃取外圈轮廓线，生成风扇外圈。再从叶片区域的点云数据中萃取数条截面曲线。将生成的内、外圈曲面和叶片的截面曲线数据输出到UGII中，利用UGII的Through Curves生成叶片曲面并完成风扇变形后CAD模型的重构，如图6所示。 4 结论 利用重构的风扇模型，在UGII中可以测量任意位置的尺寸及变形。利用UGII软件的Form Feature→Extract萃取风扇叶片前、后沿扫描曲线，按u值从0~1的变化将两条曲线等分，可以得到叶片在前、后沿等u值处的翘曲变形。 利用ATOS激光扫描测量系统，测量数据精度高。Imageware逆向工程软件对测量数据进行处理和曲面重构，效率相对较高。同时还可以得到制品变形后的数字化模型，与原始的CAD模型进行比较时十分方便，并能直观地看出叶片的变形趋势。 通过与原始CAD模型比较，得到风扇叶片前、后沿的变形大小，进而分析导致制品发生较大翘曲变形的原因，并用以指导对注塑成型工艺参数的优化和修模，大大降低注塑成型的废品率。 参考文献 [1] 王霄.逆向工程技术及其应用.北京：化学工业出版社，2004. [2] 机械设计手册编委会.机械设计手册.北京：机械工业出版社，2004. [3] 姜元庆，刘佩军.UG/Imageware培训教程.北京：清华大学出版社，2003.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/28/2006)