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逆求工程技术在液力变矩器叶轮曲面建模中的应用 |
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作者：陶毅 袁军晓 郭颜军 |
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摘要：本文就逆求工程技术在液力变矩器叶轮曲面建模中的应用做了初步探讨，并详细阐述了逆求工程的概念及组成，重点分析了逆求工程的关键技术及最新进展。
关键词：液力变矩器；逆求工程；仿型测量；曲面重构
1引言
当今世界制造业围绕时间、质量、成本上的竞争日益激烈。这种竞争使得市场对产品的价格及性能更为敏感，产品的生命周期变得越来越短，产品品种增多，更新换代频繁，批量变小。这种竞争激烈的市场要求实现快速产品开发，同时对制造业也提出了更新更高的要求，如降低成本、缩短交货时间、提高产品质量等。因此，怎样快速地高质量地开发出新产品，已成为赢得市场竞争的首要因素，而传统的产品开发生产方式已逐渐难以满足这种要求，逆求工程技术则以其独特的优势在产品开发中发挥着越来越大的作用。本文就逆求工程技术在液力变矩器叶轮曲面建模中的应用作一探讨。
2逆求工程的概念及组成
传统的产品开发一般是首先由设计人员根据市场要求，抽象出产品的功能描述，接着在CAD造型软件中进行产品的概念设计，再在此基础上进行详细设计，最后完成其物理实现（FE：Forward Engineering正向工程方法），即制造出产品。逆求工程（RE：Reverse Engineering）就是针对某一实物样本，在保证一定精度的条件下，通过快速仿型测量，快速表面再现、重构等许多新的快速实现技术，并结合计算机辅助技术对实物样本进行复制，以达到原样件CAD原型的快速重构，为后续的产品制造、加工及模具设计等工作提供基础。RE技术主要是由以下几个方面组成：
（1）快速仿型测量技术
在满足既定功能（如功能条件、装配关系、精度要求等）的条件下，用三维数字化仪或其它测量系统，在工程中多采用三座标测量机（CMM），对样件模型表面进行三维快速扫描测量，采集到大量的模型表面的离散数据。
（2）曲面重构技术
首先是对测量到的模型表面数据进行处理，然后借助软件进行曲面拟合，实现模型的曲面重构，并进行修改和优化设计。
通常，逆求工程系统由以下几个部分组成，系统集成框图如图1所示。
图1集成逆求工程系统框图
3逆求工程的仿型测量技术及误差补偿处理
在逆求工程中，仿型测量是最为关键的一个环节，测量数据的精度决定着CAD模型重构的精度及模型表面再现的质量，测量的速度也在很大程度上影响着逆求工程的快慢，所以仿型测量的速度和精度在逆求工程全过程中占有很大比重。从测量方式可分为：接触式和非接触式两种，接触式测量是传统的测量方式，也是实际工程中常用的方式，其典型代表是三座标测量机。采用三座标测量机可以达到很高的测量精度（±0.5μm），但是由于采用的是接触式测量，易于损伤测头和划伤被测零件表面。始终还需要人工干预，不可能实现全自动化测量，而且测量速度较慢。
近年来，随着机器视觉技术和光电技术的发展，用非接触式的光电方法对曲面三维形貌、形状进行快速测量已成为大趋势。非接触式测量方式特点是：测量过程中，测头不接触被测表面，避免了接触式测量中测头半径补偿带来的麻烦和被测表面的划伤，可以实现对各表面进行高速测量。非接触式光电测量方法主要有：光栅投影、激光三角形、三维视觉、激光扫描法等，此外还出现了CT和核磁共振扫描方法，但目前所能达到的测量精度较低。
目前，在实际的生产实践中，对于由复杂曲面所构成的零件，实施逆求工程测量多采用三座标测量机，使用三座标测量机测量时，其误差主要来源于设备误差、装夹误差、测量基准的确定性误差及测头半径的补偿误差。误差处理的关键在于测头半径的补偿和修正，因为通过测量而得到的数据实际上只是测量时测头中心的位置座标，需要经过补偿和修正后才能得到曲面的真实座标值。常用的补偿修正方法有三种：小曲面片近似法、B—样条拟合法和最小二乘法拟合法。实践经验表明，小曲面片近似方法需要的测量点多而使测量工作量加大，其补偿修正误差也较大；B—样条拟合法具有适应性强，准确性好的优点，故在测头半径的补偿修正时多用三次B—样条拟合方法。
4 基于测量数据的曲面重构技术
曲面重构是把仿形测量而得到的离散数据经过预处理后，用适当的算法拟合成曲面的数学模型，是逆向工程的关键技术，决定着模型曲面重构的质量。在曲面重构的过程中，数据预处理与拟合算法的精度和速度决定着曲面模型重构的逼近精度与速度。目前，已有许多CAD软件（如Pro/E）都具有把测量数据拟合成CAD模型的能力，其具体实施流程如图2所示：
图2曲面重构实施流程图
（1）测量数据预处理
模型表面测量的结果是离散的大量数据，这些数据中，有许多重复测量的数据、系统的测量误差和随机误差，必须进行预处理。一般按以下两步进行：
①原始数据型面预显与评估。在CAD软件上，从不同的角度显示测量数据的型面，可及时发现测量遗漏和重复区域、不准确的散乱点等，并初步评估测量数据，以便确定是否进行重新测量。
②数据滤波。对存在着大量系统误差和随机误差的数据，采用滤波方法进行处理，目的是减少数据量，清除疵点，减少表面噪声，平滑测量数据。
（2）曲线与曲面的光顺处理
在用CAD软件建立被测样件数学模型之前，对测量数据处理，尤其是曲线或曲面的测量数据光顺处理，是影响模型建立的重要因素。实物测量中出现不光顺的原因，除了测量时出现的误差外，主要是由于样件加工时的制造误差所引起的，处理这类光顺问题的主要方法是采用最小二乘法、圆率法或最小能量法，对曲线或曲面的不光顺区域进行处理。但实践经验表明，最小二乘法光顺处理的效果与实际样件尺寸差距较大；圆率法只能对曲线不光顺的局域区域进行光顺处理，要使整个曲面达到光顺，这种方法效率不高；使用能量法进行光顺时，往往是最小能量边界能以确定。所以在光顺前，应根据被测样件的产品性质、工作原理以及样件的表面粗糙度，应预先分析和估算出合理的公差带范围，以便为后期的光顺处理提供判断依据，再用圆率法对曲线的不光顺区域作局部修改，光顺后的曲线就能构造出光顺的曲面。
（3）曲面的拟合
根据光顺处理好的曲线网格化模型拟合出完整的曲面。目前比较有效并得到应用的曲面拟合方法有：非均匀有理B—样条（NURBS）、弹性网格逼近法、多二项式插值法及参数表面法等。
（4）结果的检测与评估
把重构后的曲面与原始数据型面相比较，以颜色级度或其它方式显示二者之间的偏差，以检测和评估曲面重构的质量。常用的检测方法有：平行光线法、反射光线法、图形扫描法等。
5逆求工程在变矩器叶轮曲面建模中的应用
液力变矩器是各类汽车及工程机械（如推土机、装载机等）中必不可少的传动部件，其工作效率如何，主要取决于变矩器叶轮叶片空间曲面的形状及精度。由于叶轮是靠浇铸成形的，因此，基于反求工程的叶轮曲面建模是为后序叶轮叶片芯金属模具设计作准备的。实施这次测量采用的是英国LK公司G60C三座标测量机，其扫描速度可达25m/min，重复定位精度为3μm，测量精度为（3+L/300）μm，最小测头半径为0.3m，可保证测量复杂自由曲线或曲面样件的测量要求；采用的建模软件是基于图形工作站的美国PTC公司Pro/E软件，其建模的主要步骤是：
①采用三座标测量机测量叶轮表面数据，并把检测中心的测量数据通过公司局域网（LAN）传至CIMS中心，然后通过软件把采集到的测量数据格式转换成CAD软件能够误别的格式，再对原始测量数据作初步检查、评估；
②对测量数据作滤波或光顺处理，光顺处理是通过Pro/Scan Tool软件，调整其曲率半径值，图3是光顺处理后叶轮边界的空间曲线；
③重构曲面并与预处理以后的测量型面数据比较；
④根据设计要求进行多次改型设计，达到预想的设计目标后，再进行后续的模具设计及加工工作，图4是重构后叶轮的完整模型。
6结论
随着逆求工程技术的发展，对复杂空间曲面样件实施快速逆求已成为可能，本文就逆求工程技术在液力变矩器叶轮曲面建模中作了初步应用，经实际生产检验证明，这种方法是可行的，基于这种方法设计的模具而生产的叶轮与进口原件相比，无论是在精度上，还是在外观质量上都是令人满意的，达到了设计预期要求。
作者简介：陶毅，工学硕士，秦川机床集团有限公司CIMS中心工程师，主要从事CAD/CAM、PDM及网络方面的科研工作，发表论文6篇，并参与了《机械传动手册》一书的编写。（陕西宝鸡邮编：721009；电话：0917-3392069-298）
陶毅（秦川机床集团有限公司CIMS中心，宝鸡市721009）
袁军晓（秦川机床集团有限公司CIMS中心，宝鸡市721009）
郭颜军（秦川机床集团有限公司CIMS中心，宝鸡市721009）
李成博（秦川机床集团有限公司CIMS中心，宝鸡市721009）
应锦春（西安理工大学机械工程学院，710048）(end)
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(1/8/2007) |
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