1 引言
逆向工程(RE:reverse engineering)與快速原型(RP:rapid prototyping)集成技術(shù)是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)和快速開(kāi)發(fā)的重要手段?焖僭褪怯僧a(chǎn)品的三維CAD模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng),組裝(堆積)材料單元而完成任意復(fù)雜具有使用功能的零。在快速制造過(guò)程中,通常需要通過(guò)逆向工程技術(shù)獲得產(chǎn)品的參數(shù)化CAD模型,或直接將產(chǎn)品測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STL模型,用于制造。這兩種方法各有優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也各有其局限性,因此如何快速獲得符合要求的產(chǎn)品CAD數(shù)據(jù)對(duì)RE/RP的集成具有重要的意義。TRIZ是發(fā)明問(wèn)題解決原理的俄文縮寫(xiě),具有普遍性、實(shí)用性和可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。針對(duì)快速制造過(guò)程中對(duì)于CAD模型構(gòu)造存在的問(wèn)題,利用TRIZ工具,對(duì)其中存在的矛盾和沖突進(jìn)行分析研究,獲得了可行的解決方案。
2 TRIZ理論技術(shù)矛盾解決方法
2.1 TRIZ理論
TRIZ理論是前蘇聯(lián)的海軍專(zhuān)利員Altshuller及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員,自1946年開(kāi)始,對(duì)世界各國(guó)250萬(wàn)件專(zhuān)利文獻(xiàn)加以整理、歸納、提煉和重組,提出了一整套實(shí)用的發(fā)明問(wèn)題解決方法體系。其目的是研究人類(lèi)進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過(guò)程中所遵循的科學(xué)原理和法則。TRIZ主要內(nèi)容包括:技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、40個(gè)發(fā)明創(chuàng)造原理、39項(xiàng)技術(shù)特性、矛盾矩陣、物質(zhì)一場(chǎng)分析、76個(gè)發(fā)明問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)解決方法、發(fā)明問(wèn)題解決算法(ARIZ)以及工程效應(yīng)知識(shí)庫(kù)等。利用該理論可使創(chuàng)新成為具有預(yù)見(jiàn)性的過(guò)程,可提高創(chuàng)新的成功率縮短解決問(wèn)題的周期。
2.2 通用工程參數(shù)和矛盾矩陣
TRIZ解決發(fā)明問(wèn)題的基本思路是:先將實(shí)際工作中遇到的具體問(wèn)題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題,然后利用所選定的TRIZ工具或工具組合尋找到標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題的通用解決方案,最后將該方案應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中,即獲得具體的解決方案。如圖1所示。
圖1 TRIZ解決技術(shù)矛盾的模式
Altshuller通過(guò)對(duì)大量專(zhuān)利文獻(xiàn)的研究和分析,總結(jié)出工程領(lǐng)域內(nèi)常用的39個(gè)通用工程參數(shù),專(zhuān)門(mén)用于描述技術(shù)系統(tǒng)所發(fā)生問(wèn)題的參數(shù)屬性,以實(shí)現(xiàn)具體問(wèn)題的一般化表達(dá)。這樣做可以把實(shí)際應(yīng)用中的矛盾問(wèn)題,轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)矛盾,即用39個(gè)通用工程參數(shù)表示的技術(shù)矛盾。
為了提高解決技術(shù)矛盾的效率,Altshuller創(chuàng)建了矛盾矩陣表,如表l所示。將工程參數(shù)的矛盾與40項(xiàng)原理建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系,整理成一個(gè)(40×40)的矩陣。
表1 矛盾矩陣表(局部)
TRIZ作為一般化方法,為了應(yīng)用的普遍性,其問(wèn)題解決方法的規(guī)則就應(yīng)當(dāng)盡量一般化;但問(wèn)題解決規(guī)則的一般化,得到的解也具有一般化的特點(diǎn)。TRIZ解僅僅是為設(shè)計(jì)者提供了解決問(wèn)題的可能方向,最后還是要設(shè)計(jì)人員通過(guò)類(lèi)比思維及自身的領(lǐng)域知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定領(lǐng)域解。
3 TRIZ在RE/RP集成中的應(yīng)用
3.1 問(wèn)題分析
在當(dāng)前設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中,RE與RP集成的開(kāi)發(fā)流程主要有三種。其結(jié)合方式和數(shù)據(jù)類(lèi)型在此過(guò)程中的變化,如圖2所示。
(1)REIRP傳統(tǒng)集成模式:如圖2中標(biāo)號(hào)①所示,首先對(duì)產(chǎn)品表面測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行特征識(shí)別,提取出模型的點(diǎn)、線(xiàn)、面等特征,擬合邊界曲線(xiàn),構(gòu)建出產(chǎn)品的CAD模型,然后將CAD模型轉(zhuǎn)換為快速成型設(shè)備可接受的STL模型,再對(duì)STL模型進(jìn)行切層處理,生成數(shù)控代碼,進(jìn)行快速原型制造。在這個(gè)集成模式中,需要重構(gòu)出產(chǎn)品的參數(shù)化CAD模型,這雖然方便于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的修改以及對(duì)特征信息的保留,但這個(gè)過(guò)程非常復(fù)雜,往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。
(2)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為STL模型:如圖2中標(biāo)號(hào)②所示,將點(diǎn)云轉(zhuǎn)化而來(lái)的STL模型,直接用于快速原型制造。這種方法,可以節(jié)省大量的時(shí)間,但測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)必須足夠多,以避免產(chǎn)品外形失真。而這樣的數(shù)據(jù)通常是通過(guò)光學(xué)掃描系統(tǒng)獲得,但光學(xué)掃描系統(tǒng)在模型邊界處所獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量很低,會(huì)造成模型邊界處的失真。此外對(duì)于模型有配合要求的特征部分(如圓柱、孔等)需要更高的精度,而所測(cè)得的數(shù)據(jù)與理論特征會(huì)有一定的偏差,則很難滿(mǎn)足要求。
(3)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接用于快速原型制造:這是近幾年出現(xiàn)的一種新方法,即對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接進(jìn)行分層處理,提取出產(chǎn)品模型的截面輪廓信息,指導(dǎo)快速原型制造。這個(gè)方法,存在著與第二個(gè)集成方式相似的缺點(diǎn),而且點(diǎn)云數(shù)據(jù)很難進(jìn)行設(shè)計(jì)更改。
圖2 RE/RP集成開(kāi)發(fā)流程
這三種RE/RP集成模式,各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),方式(1)可以獲得較高的精度但耗時(shí)較多,方式(2)和(3)雖然耗時(shí)較少但精度較低。這三種集成方式都存在用于制造模型的精度與重構(gòu)對(duì)間的矛盾問(wèn)題。
應(yīng)用TRIZ理論的技術(shù)沖突解決方法分析上述問(wèn)題。首先定義問(wèn)題,將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ理論中的一般化問(wèn)題,即將問(wèn)題描述轉(zhuǎn)換成39項(xiàng)工程參數(shù)中的2項(xiàng)通用工程參數(shù)。在這個(gè)問(wèn)題中要改善的是模型重建時(shí)間,即25號(hào)工程參數(shù):時(shí)間損失。提高效率帶來(lái)了重建模型精度的下降,即惡化參數(shù)為24號(hào)工程參數(shù):信息損失。查找矛盾矩陣:25-24,可得推薦發(fā)明原理為:24為借助中介物、26為復(fù)制原理、28為機(jī)械系統(tǒng)替代、32顏色改變?cè)恚谶@四條發(fā)明原理中,原理28和原理32對(duì)對(duì)本問(wèn)題的解決有很大的啟發(fā)性。對(duì)于發(fā)明原理28、32暫未找到可用于指導(dǎo)該問(wèn)題解決的方法。
3.2 解決方案
根據(jù)發(fā)明原理:借助中介物、復(fù)制原理,經(jīng)過(guò)分析,形成RE/RP集成新方案,如圖3所示。將模型分為曲面部分和特征部分。
對(duì)于曲面部分,采用重構(gòu)方法得到參數(shù)化CAD曲面,過(guò)程復(fù)雜、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。根據(jù)復(fù)制原理“用簡(jiǎn)單的、低廉的復(fù)制品代替復(fù)雜、昂貴、易碎的或不易操作的物體”,聯(lián)想到是否可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單容易獲得的模型來(lái)代替不易獲得的參數(shù)化CAD模型。首先聯(lián)想到是否可以利用點(diǎn)云封裝獲得的STL模型代替參數(shù)化CAD模型,從而省去重構(gòu)曲面的復(fù)雜操作,節(jié)省大量的時(shí)間。對(duì)于曲面部分,最重要的是光順要求,因此只要點(diǎn)云數(shù)據(jù)足夠多,采用這種方法是能夠滿(mǎn)足要求的。對(duì)于特征部分如果采用點(diǎn)云轉(zhuǎn)化而來(lái)的STL模型,由于測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差,并不能反映模型特征,也不利于特征尺寸的圓整和修改。因此借鑒中介物原理“使用中介物傳遞某一物體或某一種中間過(guò)程”,將逆向軟件中最佳擬合出的特征作為中介物,以IGS格式導(dǎo)出,用于特征尺寸圓整和特征部分建模,最后與曲面部分STL格式的模型拼合在一起構(gòu)建出最終模型。
圖3 RE/RP集成新方案
綜合這兩個(gè)思路,可獲得方案:模型的曲面部分采用點(diǎn)云封裝獲得的STL模型代替,而規(guī)則的特征部分,采用最佳擬合的面、球、孔等特征作為中介物,以IGS格式導(dǎo)出并進(jìn)行尺寸圓整和修剪,最后將STL格式的曲面和IGS格式的特征拼合在一起,即得到最終模型。
采用這個(gè)方案需要軟件能夠同時(shí)打開(kāi)STL和IGS文件,并能夠?qū)TL模型進(jìn)行設(shè)計(jì)修改,經(jīng)了解某公司推出的3-matic軟件擁有這種功能,因此該方案在操作上是可行的。
3.3 實(shí)例驗(yàn)證
為驗(yàn)證這個(gè)方案的可行性,我們選用一個(gè)實(shí)物模型進(jìn)行CAD模型重構(gòu)。用關(guān)節(jié)臂激光掃描儀進(jìn)行掃描,所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖4所示。該模型中同時(shí)存在曲面部分和平面、球等規(guī)則特征,我們分別用不同的文件格式進(jìn)行處理。
圖4 原始模型掃描點(diǎn)云
將點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Geomagic Studio軟件中封裝,得到整體的STL模型;再針對(duì)特征部分創(chuàng)建IGES模型,如圖5所示。將封裝好的模型和所創(chuàng)建的特征分別以STL和ICS格式進(jìn)行保存。
圖5 封裝后的模型
(1)分割出曲面部分:將多邊形模型和特征模型同時(shí)導(dǎo)入到3-matic軟件中。將特征模型中的平面1略微上移用于分割STL模型,如圖6所示,刪除掉其中的非曲面的部分,并去掉周?chē)卣,使得STL模型中只剩下中間曲面部分。
圖6 截取曲面部分
(2)擬合特征部分:對(duì)IGES文件中的特征部分進(jìn)行尺寸圓整和修剪,可得到表示模型特征部分,如圖7所示。
圖7 模型特征部分
(3)重構(gòu)過(guò)渡部分:構(gòu)造截面提取出曲面與特征平面間過(guò)渡部分的兩條截線(xiàn),并在3-matic中,通過(guò)掃掠獲得過(guò)渡片體,如圖8所示。
圖8 構(gòu)造過(guò)渡區(qū)域
(4)合并:將模型曲面部分、特征部分和過(guò)渡區(qū)域部分合并,并對(duì)合并后的模型進(jìn)行修復(fù),如圖9所示。將該模型與STL模型保存后,可直接用于后續(xù)的快速制造。
圖9 最終模型
為了檢驗(yàn)最終STL模型的精度,應(yīng)用檢測(cè)軟件Geomagic Qualify,檢測(cè)最終模型與原始點(diǎn)云之間的偏差,如圖10所示。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知,偏差主要集中在(+0.020~-0.020)mm之間的區(qū)域。最終獲得的STL模型具有較高的精度,也同時(shí)保留了模型的特征,并避免了對(duì)曲面部分的CAD重建,節(jié)省了操作時(shí)間。
圖10 檢測(cè)結(jié)果
4 結(jié)論
為解決逆向工程與快速原型集成過(guò)程中模型重建質(zhì)量與所耗費(fèi)時(shí)間之間的矛盾,提出利用TRIZ理論進(jìn)行分析,通過(guò)構(gòu)造通用工程參數(shù),再利用沖突矩陣得出了發(fā)明原理。經(jīng)過(guò)分析,篩選出了復(fù)制和中介物原理,結(jié)合問(wèn)題實(shí)際得到了解決方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,TRIZ理論能夠?qū)こ填I(lǐng)域所碰到的問(wèn)題起到較好的指導(dǎo)作用。
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