王 巍 ，陳 思 ，張曼玉

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110136；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110136）

隨著制造行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈，企業(yè)紛紛致力于生產(chǎn)具備特色的產(chǎn)品，并縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，然而傳統(tǒng)的正向建模方法已經(jīng)很難滿足復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，逆向工程隨之產(chǎn)生[1]。逆向工程（Reverse Engineering，也稱反求工程），是在沒(méi)有圖紙的前提下，通過(guò)數(shù)字化測(cè)量設(shè)備、三維測(cè)量軟件和CAD技術(shù)獲得產(chǎn)品的三維數(shù)模[2]，能夠大幅提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率，降低生產(chǎn)成本[3]?；谀嫦蚬こ趟邆涞膹?qiáng)大優(yōu)勢(shì)，文章以葉輪為例，詳細(xì)介紹了如何通過(guò)Geomagic Control和CATIA軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行曲面造型設(shè)計(jì)。

1　逆向建模的整體流程

首先，通過(guò)數(shù)字化測(cè)量設(shè)備得到產(chǎn)品表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用三維測(cè)量軟件對(duì)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維建模軟件中進(jìn)行曲面造型設(shè)計(jì)，得到一個(gè)封閉的曲面或?qū)嶓w。

利用三維測(cè)量軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理的過(guò)程如圖1所示，利用三維建模軟件進(jìn)行曲面造型的過(guò)程如圖2所示。

圖1　點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

圖2　曲面造型設(shè)計(jì)流程

2　點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理

2.1　獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)

獲取點(diǎn)云主要有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N方式，非接觸式測(cè)量具備數(shù)據(jù)采集速度快、測(cè)量精度較高，可以在較短時(shí)間內(nèi)快速采集完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4]。而且葉輪表面外形復(fù)雜程度較低，同時(shí)由于葉片之間接近圓心部分不易接觸，因此決定利用非接觸式測(cè)量方式對(duì)葉輪的各個(gè)表面進(jìn)行全方位掃描，掃描過(guò)程中將葉輪固定，測(cè)量設(shè)備安裝在能夠一次掃描到葉輪最大表面積的位置，以便減少轉(zhuǎn)站的次數(shù)，因?yàn)槊哭D(zhuǎn)站一次就會(huì)造成一定的誤差積累，同時(shí)要以適當(dāng)?shù)乃俣纫苿?dòng)掃描頭，并進(jìn)行噴粉處理，進(jìn)而獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云。掃描完成后將點(diǎn)云保存成igs文件格式，如圖3所示。

圖3　葉輪表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2　點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

2.2.1去除雜質(zhì)點(diǎn)云

由于葉輪安放在固定位置，在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過(guò)程中不可避免的會(huì)掃描到葉輪附近區(qū)域的實(shí)體，得到不同數(shù)量、不同程度的雜質(zhì)點(diǎn)云。雜質(zhì)點(diǎn)云不僅會(huì)增加點(diǎn)云的數(shù)量造成運(yùn)行速率緩慢而且對(duì)后續(xù)的逆向設(shè)計(jì)造成不同程度的影響。因此，首先應(yīng)該將這些雜質(zhì)點(diǎn)云去除。如圖4所示。

圖4　去除雜質(zhì)點(diǎn)云

2.2.2點(diǎn)云的拼接

由于無(wú)法在一個(gè)站位下掃描到葉輪表面全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此將葉輪分成兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，再通過(guò)兩個(gè)區(qū)域上的公共點(diǎn)或者公共特征（至少3個(gè)）將兩個(gè)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起，最終得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

共有四種點(diǎn)云拼接方法，分別為最佳擬合法、體外特征法、探測(cè)球法和n點(diǎn)對(duì)齊法，其特點(diǎn)如表1所示。

表1　四種拼接方法特點(diǎn)對(duì)比

由上表可知，n點(diǎn)對(duì)齊法測(cè)量速度快，操作簡(jiǎn)單方便，只是測(cè)量精度相比之下較低，但是在點(diǎn)云拼接過(guò)程中，可以增加兩塊點(diǎn)云之間公共點(diǎn)或公共特征的數(shù)量，進(jìn)而提高拼接之后點(diǎn)云的質(zhì)量[5]，所以采用n點(diǎn)對(duì)齊的方式來(lái)拼接，如圖5所示。

圖5　點(diǎn)云的拼接

2.2.3去除體外孤點(diǎn)

在獲取點(diǎn)云過(guò)程中，在葉輪點(diǎn)云表面會(huì)產(chǎn)生一系列的“高點(diǎn)”，這些點(diǎn)孤立在整體點(diǎn)云之外。體外孤點(diǎn)的存在在逆向設(shè)計(jì)中會(huì)影響特征曲線抽取時(shí)的質(zhì)量與誤差；在零件檢測(cè)中參與點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的擬合計(jì)算，參與表面偏差評(píng)定。體外孤點(diǎn)同樣也會(huì)影響葉輪點(diǎn)云的精度。因此利用軟件的去除體外孤點(diǎn)功能將體外孤點(diǎn)刪除，如圖6所示，可以多次執(zhí)行此功能，以便刪除的更加徹底。

圖6　去除體外孤點(diǎn)

2.2.4去除噪聲

葉輪點(diǎn)云在采集過(guò)程中，由于外界的因素以及掃描儀本身的原因造成（一類是被測(cè)對(duì)象表面因素產(chǎn)生的誤差，譬如表面粗糙度、波紋等缺陷；另一類是由測(cè)量系統(tǒng)本身引起的誤差，譬如測(cè)量設(shè)備的精度、CCD攝像機(jī)的分辨率、振動(dòng)等），稱之為“噪聲”[6]。點(diǎn)云處理過(guò)程中應(yīng)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去除噪聲處理，去噪方法也隨著點(diǎn)云類型（自由曲面、基本曲面等）不同而不同，例如均值濾波、低通濾波、高斯濾波等。如圖7所示。

圖7　去除噪聲

2.2.5統(tǒng)一采樣

為了得到輕量化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性又盡可能的減小點(diǎn)云的數(shù)量大小，加快曲面逆向重建的速度，降低計(jì)算機(jī)的計(jì)算量。因此進(jìn)行統(tǒng)一采樣處理，設(shè)定合適的點(diǎn)間距，去除不必要的點(diǎn)，減少點(diǎn)的個(gè)數(shù)，如圖8所示。

圖8　點(diǎn)云采樣處理

3　曲面造型設(shè)計(jì)

完成上述一系列操作之后，就得到了完整、干凈、輕量化的點(diǎn)云。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)從測(cè)量軟件中導(dǎo)出，保存為IGES格式或者ASCII（二進(jìn)制數(shù)據(jù)）格式。便可開(kāi)始利用建模軟件進(jìn)行逆向建模設(shè)計(jì)。

3.1　點(diǎn)云網(wǎng)格化

網(wǎng)格化處理即將點(diǎn)云數(shù)據(jù)（IGES）轉(zhuǎn)化為三角形面片（STL），以三角形面片作為區(qū)域分割、特征曲線抽取的基礎(chǔ)與來(lái)源。如圖9所示。

圖9　點(diǎn)云網(wǎng)格化

3.2　區(qū)域劃分

不同的區(qū)域具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、曲面特點(diǎn)，針對(duì)不同區(qū)域可以采用與之相適應(yīng)的曲面造型方法，這樣不僅可以加快曲面重建的速度還可以在一定程度上提高曲面重建的精度。

區(qū)域劃分從宏觀上來(lái)說(shuō)可以根據(jù)不同區(qū)域的造型方法進(jìn)行劃分，從細(xì)節(jié)上來(lái)說(shuō)可以根據(jù)曲率來(lái)作為區(qū)域劃分的依據(jù)。因此將其劃分成兩個(gè)區(qū)域，即分別對(duì)葉輪基體和葉片進(jìn)行建模，葉輪基體為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，葉片為變厚度空間曲面。如圖10所示。

圖10　葉片和基體

3.3　曲面重建

3.3.1基體區(qū)域

基體的下端屬于一個(gè)圓柱體部分，獲取圓柱體的軸線可以通過(guò)QSR模塊的基本特征識(shí)別功能，快速將圓柱段點(diǎn)云擬合為一圓柱，從而得到其圓柱軸線；也可以通過(guò)在圓柱段的不同截面獲取兩個(gè)截面圓，分別求取截面圓的圓心，將兩截面圓的圓心連線，即可以得到圓柱的軸線，即基體部分的回轉(zhuǎn)軸線。如圖11所示。

圖11　構(gòu)造回轉(zhuǎn)軸線

輪廓線亦可以通過(guò)截面曲線（Planar Sections）命令來(lái)得到輪廓邊線，通過(guò)對(duì)輪廓邊線進(jìn)行處理，最終得到回轉(zhuǎn)體的輪廓線。如圖12所示。

圖12　構(gòu)造輪廓線

在完成特征曲線抽取之后，即可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)曲面（葉輪基體部分）的曲面重建。如圖13所示。

圖13　基體回轉(zhuǎn)曲面

3.3.2葉片區(qū)域

該葉輪總共有七個(gè)葉片且七個(gè)葉片相互之間完全一致，圍繞著葉輪回轉(zhuǎn)軸線均勻分布即相互之間約為51.43°，因此只要完成一個(gè)葉片的曲面重建，對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)即可以得到全部的葉片。

該葉片屬于空間曲面并且在不同截面上具有不同的厚度，該空間曲面不屬于直紋面，不能通過(guò)拉伸、掃掠等普通方法一次性生成該曲面。因此針對(duì)該葉片曲面采用曲面擬合功能，通過(guò)將葉片按曲率進(jìn)行曲面劃分-網(wǎng)格邊線生成-網(wǎng)格曲線生成-網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)調(diào)整-曲面生成-曲面延伸修剪等步驟逐步完成葉片曲面的重建。

將葉片曲面按照曲率進(jìn)行區(qū)域分割，按照不同區(qū)域的曲率半徑將曲面劃分為不同的區(qū)域，針對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化劃分。如圖14所示。

圖14　區(qū)域劃分

將曲面進(jìn)行網(wǎng)格化處理，經(jīng)過(guò)截面邊線-生成曲線-曲線優(yōu)化-網(wǎng)格曲線-節(jié)點(diǎn)調(diào)整，最終生成網(wǎng)格曲線。如圖15所示。

圖15　生成網(wǎng)格曲線

將網(wǎng)格化曲線Power Fit之后，即可得到葉片曲面，再將葉片曲面進(jìn)行修剪、分隔，最終形成完整的葉片曲面。在通過(guò)旋轉(zhuǎn)陣列功能得到所有葉片，如圖16所示。

(4) 類似水文地質(zhì)基坑工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)考慮第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐、增加基坑圍護(hù)樁(墻)體嵌固深度的必要性。

圖16　旋轉(zhuǎn)葉片

完成葉輪基體和葉片部分的全部曲面重建之后，將葉片部分和機(jī)體部分裝配在一起，最終形成完整的葉輪逆向模型，如圖17所示。

圖17　葉輪逆向模型

3.4　3D比較

逆向建模過(guò)程中，無(wú)論是提取特征曲線還是擬合曲面都會(huì)存在偏差，所以在建模完成之后要對(duì)其進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，驗(yàn)證是否滿足精度要求，并以此為依據(jù)對(duì)重要曲面進(jìn)行后期的優(yōu)化處理，如果誤差過(guò)大，就要重新提取特征線、重新擬合曲面或者更換一種新的建模思路。3D比較結(jié)果如圖18所示。

圖183　D比較

4　結(jié)論

建模過(guò)程中，要根據(jù)工件表面的特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮^(qū)域劃分，使得復(fù)雜的曲面簡(jiǎn)單化，便于制定合理建模方案，提高工作效率。

生成平面交線時(shí)，一定要選取點(diǎn)云相對(duì)平滑的位置與平面相交生成交線，否則將會(huì)影響輪廓線的平滑度，進(jìn)而影響精度。

獲取平面交線之后，不要使用交線曲線功能直接將其轉(zhuǎn)化成空間曲線，應(yīng)該先將其轉(zhuǎn)化成空間點(diǎn)，然后利用樣條線功能將所有點(diǎn)連接成一條空間曲線，該空間曲線平滑度更高，拉伸或掃掠出的曲面不易發(fā)生翹曲且平滑，同時(shí)以該空間曲線為邊界填充后的曲面精度更高。

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