王春香，康 凱，梁 亮，王 耀

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車技術(shù)和產(chǎn)品更新?lián)Q代的頻率逐漸加快，逆向工程(Reverse Engineering，RE)技術(shù)在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注。當(dāng)前大多數(shù)逆向設(shè)計(jì)的汽車零部件產(chǎn)品通常以外觀和內(nèi)飾覆蓋件以及一些零件的殼體為主[1]，對于具有裝配精度要求和型面極其復(fù)雜的，特別是承受較多載荷的零部件的逆向設(shè)計(jì)并不多見。文獻(xiàn)[2]中作者運(yùn)用Geomagic studio軟件對汽車轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行快速實(shí)體逆向重構(gòu)，但是對于基于點(diǎn)云模型自動(dòng)創(chuàng)建的轉(zhuǎn)向節(jié)曲面體的裝配位置并沒有進(jìn)行精確處理，缺乏實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值。文獻(xiàn)[3]中作者對具有復(fù)雜型面的機(jī)架零件提出了分離型面和銷孔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)精度要求分別在Geomagic studio和Imageware軟件中進(jìn)行曲面重構(gòu)，然后在Imageware中整合，最終創(chuàng)建完成精度較高的機(jī)架模型。這種方法雖然可行，但是逆向設(shè)計(jì)周期較長，而且在正向和逆向軟件交叉使用的過程中很容易造成數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)識(shí)別錯(cuò)誤，對于已有模型的優(yōu)化和修改的效率也不高。

本文利用正逆向混合建模的設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化并運(yùn)用新的逆向工具對來源于工程實(shí)際中具有復(fù)雜型面和眾多裝配部位的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行曲面實(shí)體快速重構(gòu)研究。運(yùn)用工具精確測量裝配位置的數(shù)據(jù)，再通過點(diǎn)云的自動(dòng)特征識(shí)別與面片草圖的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化修正[4-5]，快速完成并獲得了轉(zhuǎn)向節(jié)完整的實(shí)體模型。滿足了設(shè)計(jì)精度要求的同時(shí)也為后期對該進(jìn)口零件進(jìn)行仿真分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)及分層打印奠定了基礎(chǔ)。

1 轉(zhuǎn)向節(jié)零件的逆向設(shè)計(jì)方法

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向橋上連接半軸、減震器、拉桿和法蘭盤的重要部件,如圖1所示。它的作用是承受汽車前部載荷，支撐并帶動(dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車轉(zhuǎn)向，且在行駛狀態(tài)下承受著多變的沖擊載荷。汽車轉(zhuǎn)向節(jié)零件類型眾多，其外形復(fù)雜，裝配位置較多，所以對逆向設(shè)計(jì)有一定的精度要求。本文所研究的進(jìn)口轉(zhuǎn)向節(jié)零件(見圖2)的主要裝配位置有傳動(dòng)軸連接處、減震器連接處，此外還有柱孔10個(gè)，錐孔2個(gè)。針對該零件的幾何特征進(jìn)行分析，對于轉(zhuǎn)向節(jié)的外形，逆向精度要求達(dá)到光順即可，故采用快速自動(dòng)化曲面建模技術(shù)，而傳動(dòng)軸和減震器的連接處及裝配柱孔、錐孔的位置則需通過標(biāo)準(zhǔn)化的測量進(jìn)行參數(shù)化修正才能保證其裝配精度，使其具有實(shí)際的工程意義。

圖1 汽車前橋裝配圖

圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)物

2 轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)體快速重構(gòu)過程

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

利用加拿大進(jìn)口激光掃描儀Creaform Metra SCAN 750(測量精度0.030mm，分辨率0.050mm)對某進(jìn)口汽車左前轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)體進(jìn)行掃描，獲取其兩組不同掃描角度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。然后在掃描儀配套的軟件VXelement中將數(shù)據(jù)模型進(jìn)行采樣、平滑處理。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括數(shù)據(jù)精簡、點(diǎn)云對齊、孔洞修補(bǔ)等幾個(gè)部分。將保存好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到Geomagic Design X中，可以看到兩組數(shù)據(jù)都存在大量噪點(diǎn)，數(shù)據(jù)較大，而且還需將兩組數(shù)據(jù)拼合以獲取完整的點(diǎn)云模型，操作步驟如下：

(1)雜點(diǎn)消除。在Geomagic Design X軟件中分別選取兩組數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)體以外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后使用Delete命令將所選中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)刪除。

(2)掃描數(shù)據(jù)對齊合并。根據(jù)幾何特征的信息，采用手動(dòng)對齊的方法將兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊合并，得到合并后完整的轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(3)坐標(biāo)對齊。合并后的轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)云模型并不是處在標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)系下，所以為了便于后期利用平面截取輪廓線，還需將點(diǎn)云數(shù)據(jù)對齊到合適的坐標(biāo)系下。根據(jù)工件的形狀來看，中間部分有明顯的回轉(zhuǎn)體，故采用 “對齊向?qū)А狈椒梢宰詣?dòng)生成局部坐標(biāo)系并與世界坐標(biāo)系對齊，但這種方法必須在領(lǐng)域分割的基礎(chǔ)上才能激活，見圖4a，最終對齊的完整點(diǎn)云，如圖4b所示。

(4)孔洞修補(bǔ)。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)測量的過程中，由于眾多因素的影響出現(xiàn)一些孔洞。對于曲率變化不大的孔洞使用軟件自動(dòng)修補(bǔ)，而文中出現(xiàn)了一個(gè)三跨面孔洞，如圖4c、圖4d所示，可以看到使用自動(dòng)修補(bǔ)命令填補(bǔ)的孔洞與實(shí)際形貌明顯不符，如圖4e所示。為了方便孔洞修補(bǔ)，首先要?jiǎng)h除該孔洞中有很多不規(guī)則的島嶼，然后在 “填孔”命令中的“填補(bǔ)凹陷”命令，選擇曲率的方式對該孔洞的邊界進(jìn)行填充，再交叉利用“填孔”命令中的追加橋和填補(bǔ)凹陷命令不斷縮小孔洞，降低孔洞邊界的曲率，最終完成該三跨面孔洞的修補(bǔ)，如圖4f所示。

(a) 領(lǐng)域分割 (b) 主視圖

(c) 孔洞位置示意圖 (d) 三跨面孔洞放大

(e) 軟件自動(dòng)修補(bǔ) (f) 手動(dòng)孔洞修補(bǔ)完成 圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.3 曲面實(shí)體的重構(gòu)

Geomagic Design X具有快速創(chuàng)建曲面實(shí)體建模的功能[6-7]，作者在文獻(xiàn)[8]中詳細(xì)介紹了軟件中正逆向混合建模的基本過程，通過定義不同領(lǐng)域的基準(zhǔn)面和拖動(dòng)基準(zhǔn)面改變與模型相交的位置來獲取模型特征截面線，精確還原模型局部特征的二維平面草圖，最后通過常用的三維建模工具進(jìn)行拉伸、放樣、回轉(zhuǎn)、掃略創(chuàng)建實(shí)體。雖然該零件的曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是對于零件的曲面部分只要保證相對光順即可，所以需要對其進(jìn)行精確曲面的快速創(chuàng)建。具體操作步驟如下：

(1)提取外形輪廓線。在Design X“曲面創(chuàng)建”模塊下點(diǎn)擊“補(bǔ)丁網(wǎng)格”進(jìn)入曲面創(chuàng)建階段提取輪廓線，如圖5a所示。由于生成的輪廓線往往會(huì)存在相鄰端點(diǎn)不重合，輪廓線邊界位置不重合，甚至有的缺少輪廓線，所以需要對其進(jìn)行手動(dòng)編輯。

(2)編輯輪廓線。對提取的輪廓線中相鄰的不重合的端點(diǎn)可以選定對不重合的點(diǎn)拖動(dòng)到同一位置完成合并，對于邊界線位置不重合和缺少輪廓線的位置使用剪切和添加樣條曲線的命令重新進(jìn)行繪制，經(jīng)過編輯后的輪廓線如圖5b所示。

(3)構(gòu)造曲面片網(wǎng)絡(luò)。輪廓線編輯完成后，以此為基礎(chǔ)構(gòu)造曲面片網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行自動(dòng)估算，如圖5c所示。

(4)編輯曲面片網(wǎng)絡(luò)。自動(dòng)構(gòu)造的曲面片網(wǎng)絡(luò)形狀往往不規(guī)則，會(huì)影響曲面的精度，所以還需要手動(dòng)進(jìn)行編輯來獲取規(guī)則的、合適的曲面片，更好表達(dá)曲面片的形狀信息，如圖5d所示。

(5)擬合曲面。曲面網(wǎng)格編輯好后使用“擬合曲面片命令”，擬合方法選擇非平均，幾何形狀捕捉精度選擇最大，點(diǎn)擊銳化邊線，完成實(shí)體創(chuàng)建，如圖5e所示。

(a) 提取輪廓線 (b) 編輯輪廓線 (c) 構(gòu)造面片網(wǎng)絡(luò)

(d) 編輯面片網(wǎng)絡(luò) (e) 轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)體 圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)體創(chuàng)建過程

2.4 轉(zhuǎn)向節(jié)傳動(dòng)軸連接處參數(shù)化修正

轉(zhuǎn)向節(jié)傳動(dòng)軸連接處如圖6所示，由放大實(shí)物圖7可以看到，傳動(dòng)軸連接部位1和定位銷孔1處都經(jīng)過加工處理。在傳動(dòng)軸連接部位1處的地方，實(shí)物中是一個(gè)類似于圓柱的標(biāo)準(zhǔn)回轉(zhuǎn)體，但是基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的實(shí)體中存在幾個(gè)問題：①傳動(dòng)軸連接部位1處的圓孔并不是標(biāo)準(zhǔn)的圓，會(huì)有些許偏差。②在水平面和豎直面的交界處的圓角半徑值較大。所以需要在已建實(shí)體模型的基礎(chǔ)上通過擬合二維面片草圖的斷面多段線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化修正。

圖6 轉(zhuǎn)向節(jié)裝配位置示意圖 圖7 裝配位置放大

用游標(biāo)卡尺測量傳動(dòng)軸連接部位1處的上圓柱直徑，取三次測量的平均值74.93mm為標(biāo)準(zhǔn)直徑。同理測量下圓柱的直徑取平均值84.86mm為標(biāo)準(zhǔn)值。在Design X軟件“模型”模塊下的“線”命令，添加傳動(dòng)軸連接部位1處的軸線1。然后在“草圖”模塊下的“面片草圖”命令中，選擇“平面投影”?；鶞?zhǔn)平面選擇“右”，并偏移一定距離，得到“右”平面的粉色斷面多段線。根據(jù)零件的實(shí)物可以看出，傳動(dòng)軸連接部位1處的面片草圖是由直線、圓角構(gòu)成的封閉曲線。通過草圖模式下的直線繪制及圓角工具擬合出傳動(dòng)軸連接部位1處標(biāo)準(zhǔn)的斷面多段線草圖，分別設(shè)置上圓柱半徑為37.47mm，下圓柱半徑為42.43mm，如圖8a所示。然后利用該草圖進(jìn)行實(shí)體回轉(zhuǎn)切割，如圖8b所示，完成傳動(dòng)軸連接部位1處的參數(shù)化修正。在“編輯”命令中對水平面與豎直面交匯的位置進(jìn)行倒圓角操作，如圖8c所示，選擇“固定圓角”，“要素”選擇邊線1、邊線2，半徑選擇0.5mm，點(diǎn)擊確定，完成圓角創(chuàng)建。同理，底部的邊線3，邊線4半徑分別為0.8mm，0.3mm，操作同上。最終參數(shù)化修改后的傳動(dòng)軸連接部位1處如圖8d所示。同樣，減震器連接部位2處按此方法進(jìn)行處理。

(a) 擬合裝配部位的多段線草圖 (b) 回轉(zhuǎn)切割

(c) 倒圓角 (d) 裝配部位1參數(shù)化修改完成 圖8 傳動(dòng)軸連接處參數(shù)化修正

對基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)體化后的定位銷孔1觀察發(fā)現(xiàn)，銷孔位置處凸凹明顯，如圖9a所示，故需對定位銷孔1處進(jìn)行參數(shù)化修正。利用游標(biāo)卡尺對定位銷孔的直徑做三次測量，取三次測量的平均值12.75mm為標(biāo)準(zhǔn)值，對銷孔進(jìn)行參數(shù)化修正。選擇“模型”下的線命令添加圓柱銷孔1處的回轉(zhuǎn)軸線2。選擇“模型”下的平面命令，基準(zhǔn)平面選擇“上”平面，基準(zhǔn)面的偏移距離選擇26.5mm，得到過圓柱銷孔1軸線的平面2。點(diǎn)擊“草圖”模塊下的面片草圖命令，基準(zhǔn)平面選擇平面2，點(diǎn)擊完成并隱藏曲面片和實(shí)體，得到“平面2”的粉色斷面多段線，擬合該斷面多段線，半徑設(shè)置為6.375mm，點(diǎn)擊確定完成標(biāo)準(zhǔn)化的圓柱定位銷孔1的草圖擬合，如圖9b所示。點(diǎn)擊“創(chuàng)建實(shí)體”中的回轉(zhuǎn)命令，軸選擇回轉(zhuǎn)軸線2，結(jié)果運(yùn)算選擇切割，得到參數(shù)化修正后的圓柱定位銷孔1，如圖9c所示。使用同樣的方法對圓柱形定位銷孔2、定位銷孔3、和其他類似圓柱定位銷孔進(jìn)行參數(shù)化修正。對于定位錐孔1、定位錐孔2需要擬合其上底和下底圓形草圖，然后通過放樣切割的方法做參數(shù)化修正，最終得到轉(zhuǎn)向節(jié)的精確實(shí)體模型，如圖9d所示。

(a) 圓柱定位銷孔1放大 (b) 銷孔1處的斷面多段線擬合

(c) 修正后的定位銷孔 (d) 最終的實(shí)體模型 圖9 圓柱銷孔的參數(shù)化修正

3 精度評價(jià)

將建好后的轉(zhuǎn)向節(jié)模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到Geomagic Contorl X軟件中進(jìn)行3D比較、采樣點(diǎn)偏差和幾何偏差的誤差分析[9]，得到的誤差報(bào)告云圖如圖10所示。參照中華人民共和國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10]QC/T269-1999表3中對汽車熔模鑄造件的未注公差尺寸的極限偏差規(guī)定。根據(jù)測量，轉(zhuǎn)向節(jié)的最大尺寸在250mm～400mm，所以具有配合精度要求位置的極限偏差為±0.8mm。從誤差云圖中可以看到點(diǎn)的最大正偏差為0.7244mm，最大負(fù)偏差為-0.7197mm，存在于參數(shù)化修改位置處。裝配部位的隨機(jī)采樣點(diǎn)偏差最大正偏差為0.4149mm，最大負(fù)偏差為-0.0168mm。圓柱銷孔直徑的最大負(fù)偏差為-0.4264mm，因此滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 3D比較、采樣點(diǎn)偏差、幾何偏差報(bào)告

4 結(jié)束語

本文以具有裝配精度要求和復(fù)雜型面的進(jìn)口汽車轉(zhuǎn)向節(jié)零件為逆向設(shè)計(jì)對象，基于Geomagic Design X平臺(tái)介紹了點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、孔洞修補(bǔ)、實(shí)體快速重建、參數(shù)化修正以及精度評價(jià)的詳細(xì)過程。重點(diǎn)采用了正逆向混合建模和面片草圖的參數(shù)化修正技術(shù)完成了轉(zhuǎn)向節(jié)零件實(shí)體模型的快速重建，且滿足了設(shè)計(jì)要求。該方法提高了逆向建模速度，縮短了逆向設(shè)計(jì)周期，便于產(chǎn)品的快速優(yōu)化。最后通過實(shí)體模型與點(diǎn)云模型的誤差分析驗(yàn)證了該方法的可行性，對于工程實(shí)際中具有相似特征零件的逆向設(shè)計(jì)提供了一種新的思路和方法。