1 前言
許多零件、工裝都是模擬量傳遞制造的,經(jīng)過(guò)了多年的使用,許多工裝及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)樣件、模線(xiàn)樣板磨損非常嚴(yán)重,部分工裝幾乎無(wú)法滿(mǎn)足制造的使用需求。通過(guò)逆向掃描及逆向建模技術(shù),掃描工裝表面,形成理論數(shù)據(jù),依靠理論數(shù)據(jù)完成工裝的修復(fù)及復(fù)制工作。實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)換的同時(shí),完成了模擬量傳遞工裝數(shù)據(jù)的保存工作。
反向工程,是指用一定的測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量,以獲得物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù),再利用一定的工程軟件對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、編輯,并獲取所需的三維特征曲線(xiàn),最終通過(guò)三維曲面表達(dá)出物體的外形,使用幾何建模方法,從而重構(gòu)實(shí)物的CAD模型。
CATIA V5軟件的逆向設(shè)計(jì)是在數(shù)字化曲面設(shè)計(jì)(Digitized Shape Editor模塊)和快速曲面重建(Quick Surface Reconstruction模塊)兩個(gè)模塊中進(jìn)行的。數(shù)字化曲面設(shè)計(jì)模塊主要用于逆向設(shè)計(jì)的前期處理,該模塊具有數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入導(dǎo)出、去除噪點(diǎn)、設(shè)計(jì)截面線(xiàn)等功能。常見(jiàn)的掃描數(shù)據(jù)格式包括STL和IGS兩種格式。STL是網(wǎng)格數(shù)據(jù),需要使用軟件命令導(dǎo)入,IGS是點(diǎn)云數(shù)據(jù),可以直接拖入到CATIA窗口內(nèi)打開(kāi)。點(diǎn)云經(jīng)過(guò)處理之后在使用基于網(wǎng)格進(jìn)行設(shè)計(jì)的快速曲面重建模塊中快速生成特征面、強(qiáng)力擬合曲面以及對(duì)比分析等命令做逆向設(shè)計(jì)的后期處理工作。
當(dāng)使用一些掃描測(cè)量?jī)x器得到一些粗糙的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后,鈑金類(lèi)零件逆向設(shè)計(jì)的總體思路就是導(dǎo)入掃描數(shù)據(jù)、優(yōu)化數(shù)據(jù)、擬合中心線(xiàn)、生成網(wǎng)格、擬合出一個(gè)大于掃描數(shù)據(jù)的曲面、擬合零件邊緣線(xiàn)、用零件邊緣線(xiàn)切割曲面,將切割后的曲面與起初的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比,如果對(duì)比結(jié)果在公差范圍之內(nèi),使用所切割后的曲面進(jìn)行零件模型的設(shè)計(jì),否則應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化數(shù)據(jù)優(yōu)化曲面,直至分析對(duì)比結(jié)果符合公差為止。
2 逆向設(shè)計(jì)的前期工作
以蒙皮類(lèi)零件為例,介紹鈑金類(lèi)成形零件逆向工程設(shè)計(jì)的總體思路。由于蒙皮類(lèi)零件易彎曲,變形大,掃描零件數(shù)據(jù)會(huì)存在較大失真,因此目前蒙皮類(lèi)零件逆向建模一般是通過(guò)掃描工裝并反推零件模型。
使用一些掃描測(cè)量?jī)x器得到一些粗糙的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后,首先要查閱工程圖紙,對(duì)零件進(jìn)行一下分析,理解零件的設(shè)計(jì)思想,在此基礎(chǔ)上修復(fù)和克服掃描數(shù)據(jù)上存在的缺陷,之后進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)優(yōu)化。
對(duì)掃描數(shù)據(jù)優(yōu)化,作用在于減小掃描數(shù)據(jù)包含的信息量,提高之后操作步驟的處理速度,同時(shí)不對(duì)模型設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響,其操作包括移除無(wú)效數(shù)據(jù),點(diǎn)云過(guò)濾,修補(bǔ)網(wǎng)格等。在優(yōu)化的過(guò)程中應(yīng)盡量避免使用網(wǎng)格光順操作,因?yàn)樵诠忭樳^(guò)程中,網(wǎng)格面與原始掃描數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生偏離。
圖1 蒙皮通過(guò)的點(diǎn)云與網(wǎng)格
3 型面構(gòu)造
型面構(gòu)造介紹兩種方法,一種是掃掠法,就是生成網(wǎng)格之后擬合截面線(xiàn)、優(yōu)化截面線(xiàn)、通過(guò)截面線(xiàn)形成型面;另一種是強(qiáng)力擬合法,強(qiáng)力擬合法主要對(duì)于曲率變化不大的型面設(shè)計(jì)。
3.1 掃掠法
3.1.1 建立截面元素
截面元素用來(lái)創(chuàng)建與掃描數(shù)據(jù)相交的平面,在命令Planar Sections中使用。設(shè)計(jì)要考慮各截面線(xiàn)的外形較為接近,以方便進(jìn)行掃掠操作,形成較好的型面。截面元素可以是面,直接用于相交;也可以是線(xiàn),線(xiàn)的法向面作為截面。
通常,XY、YZ、XZ三個(gè)平面與掃描數(shù)據(jù)相交得到線(xiàn)的效果并不好,而用羅盤(pán)控制也存在操作不方便的問(wèn)題。因此一般都是通過(guò)引導(dǎo)線(xiàn)的建立,來(lái)設(shè)計(jì)截面位置。
圖2 通過(guò)XZ平面建立的影線(xiàn)
引導(dǎo)線(xiàn)的建立方法較多,對(duì)本模型,介紹兩種較為簡(jiǎn)單的方法。
3.1.1.1 點(diǎn)云上影線(xiàn)創(chuàng)建
在數(shù)字化曲面設(shè)計(jì)模塊下,通過(guò)Scan Creation工具欄中的Scan on Cloud執(zhí)行。點(diǎn)擊后,選擇前后兩個(gè)端點(diǎn),雙擊左鍵結(jié)束選擇,形成影線(xiàn),由影線(xiàn)生成曲線(xiàn)。
圖3 影線(xiàn)生成
圖4 提取實(shí)線(xiàn)
3.1.1.2 基本曲面識(shí)別
在逆向建模過(guò)程中,由于沒(méi)有外部參考基準(zhǔn),因此需要在掃描數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立一些基準(zhǔn)面?焖偕苫咎卣髅婺苌傻脑匕ㄆ矫妗A柱、球、圓錐等,而較為常用的是平面和圓柱,平面用于建立草圖或生成截面線(xiàn),圓柱用于設(shè)計(jì)中心線(xiàn)。由于本模型可以近似為圓柱面,因此使用快速曲面重建模塊下的基本曲面識(shí)別命令,選擇圓柱,軟件將自動(dòng)生成圓柱及其軸線(xiàn)。
圖5 基本曲面識(shí)別
圖6 識(shí)別界面選擇圓柱
將截面與相應(yīng)的網(wǎng)格或點(diǎn)云相交,得到交線(xiàn)。
與網(wǎng)格相交,在每個(gè)截面上生成不連續(xù)的線(xiàn),需要再次連接,與點(diǎn)云相交,生成連續(xù)的線(xiàn)。從圖7可以分析得出,采用與點(diǎn)云相交的方法來(lái)獲得截面線(xiàn)更適合后續(xù)建模。
圖7 與網(wǎng)格相交和與點(diǎn)云相交的對(duì)比
3.1.2 截面線(xiàn)優(yōu)化
由于所生成的截面線(xiàn),掃描數(shù)據(jù)邊緣不平,截面線(xiàn)的起點(diǎn)不同,端點(diǎn)不齊,而截面線(xiàn)上不同點(diǎn)的曲率也在變化,這將導(dǎo)致創(chuàng)建多截面曲面時(shí),邊緣質(zhì)量不好,因此需要對(duì)截面線(xiàn)進(jìn)行調(diào)整。
圖8 多截面曲面創(chuàng)建
調(diào)整截面線(xiàn)的長(zhǎng)度和線(xiàn)條曲率,來(lái)避免所擬合的曲面產(chǎn)生鼓包等現(xiàn)象。將生成的截面線(xiàn)與最初的掃描數(shù)據(jù)對(duì)照,找出影響生成曲面曲率較大的曲線(xiàn),將這些曲線(xiàn)重新擬合,使用,“點(diǎn)面復(fù)制”命令,在原截面線(xiàn)上生成若干個(gè)點(diǎn),調(diào)整個(gè)別點(diǎn)偏離的位置,之后使用“樣條線(xiàn)”命令,生成曲線(xiàn)并分別進(jìn)行光順后,在進(jìn)行掃掠操作。從圖9中的對(duì)比,可以看出新曲面具有較好的表面。對(duì)于其他部位,也采用類(lèi)似操作,最終形成整體曲面。
圖9 新曲面與原曲面對(duì)比
3.2 強(qiáng)力擬合法
強(qiáng)力擬合法主要對(duì)于曲率變化不大的型面設(shè)計(jì)。對(duì)于本案例中零件,可以分割成左右兩部分,通過(guò)“Activate”命令分別激活一部分點(diǎn)云,分別擬合表面,然后對(duì)兩側(cè)曲面分別裁剪,再重新橋接,形成中間過(guò)渡,最后進(jìn)行接合,得到型面。
圖10 強(qiáng)力擬合曲面
強(qiáng)力擬合曲面命令能實(shí)現(xiàn)對(duì)小曲度曲面的快速生成,這個(gè)命令的主要參數(shù)是偏差,用于控制生成曲面與掃描數(shù)據(jù)的差值,通常情況下設(shè)置在0.2mm到0.5mm之內(nèi),以保證曲面的表面質(zhì)量。
4 邊緣線(xiàn)和曲面內(nèi)部線(xiàn)條的構(gòu)造
構(gòu)造零件的邊緣線(xiàn)和內(nèi)部線(xiàn)條需要在參考圖紙的情況下所進(jìn)行,邊緣線(xiàn)生成后作為分割型面的依據(jù),或作為工裝劃線(xiàn)的參考。
構(gòu)造零件的邊緣線(xiàn)一般采用的方法是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建影線(xiàn),影線(xiàn)不是實(shí)體曲線(xiàn),不能直接進(jìn)行操作,需要通過(guò)Curve from Scan命令進(jìn)行轉(zhuǎn)化,將影線(xiàn)生成曲線(xiàn)。有時(shí)候生成的曲線(xiàn)曲率突變很大,并不是直接可以被引用的,需要用擬合調(diào)整截面線(xiàn)的方法來(lái)重新擬合邊緣線(xiàn)。
構(gòu)造曲面內(nèi)部線(xiàn)條時(shí),由于是薄壁零件,邊緣的網(wǎng)格形成存在一定偏差,因此采用近似擬合的方式。首先建立不同部位的基本擬合平面,然后通過(guò)草圖,在各平面繪制出對(duì)應(yīng)部位的大致邊緣線(xiàn)位置。拉伸后與型面相交得到表面線(xiàn)條。這種方法比較適合于設(shè)計(jì)封閉帶弧度的線(xiàn)條。后期曲面操作,可以裁剪出零件邊緣線(xiàn)以及化銑線(xiàn)。
圖11 生成的邊緣線(xiàn)和曲面內(nèi)部線(xiàn)條
建立基本曲面后,根據(jù)生成的邊線(xiàn)和內(nèi)部線(xiàn)條,通過(guò)增厚命令即可生成實(shí)體,建模步驟和方法與普通建模步驟雷同。
5 測(cè)量分析
經(jīng)過(guò)邊緣線(xiàn)修剪的曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用“Deviation Analysis”,命令相比照,參考面(Reference)選擇面積大的對(duì)比元素,測(cè)量面(To measure)選擇面積小的對(duì)比元素,可以防止無(wú)效元素的干擾。模型與原始掃描數(shù)據(jù)的偏差應(yīng)在技術(shù)要求范圍內(nèi),偏差通過(guò)偏離分析命令計(jì)算及統(tǒng)計(jì)。
當(dāng)使用逆向工程技術(shù)檢測(cè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)零件與數(shù)字模型之間的差異的時(shí)候,不需要使用掃描的數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建數(shù)模,只需清除噪點(diǎn),優(yōu)化網(wǎng)格的步驟即可,使用“Cloud Reposit”下的命令來(lái)將掃描數(shù)據(jù)與理論上的數(shù)字模型對(duì)齊,再使用“Deviation Analysis”,命令查看生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)零件的掃描數(shù)據(jù)與理論上的數(shù)字模型的對(duì)照結(jié)果。
圖12 掃描數(shù)據(jù)與理論上的數(shù)字模型對(duì)照結(jié)果
結(jié)論
通過(guò)類(lèi)似這樣的逆向設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了零件由模擬量傳遞制造向數(shù)字量傳遞的成功轉(zhuǎn)變,同時(shí)解決了大量工裝磨損嚴(yán)重?zé)o法修復(fù)的問(wèn)題,為此類(lèi)問(wèn)題的解決與處理提供了技術(shù)解決方案與技術(shù)支持力量。
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本文標(biāo)題:鈑金類(lèi)成形零件逆向工程設(shè)計(jì)總體思路的探索
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