□ 郭建芬 □ 徐井利 □ 秦貞明 □ 李樹虎 □ 賈華敏 □ 王榮惠 □ 張海云 □ 張建芹

山東非金屬材料研究所 濟南 250031

1 研究背景

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計與計算機輔助制造模式已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品研制的需求。先進的測量技術(shù)與計算機輔助設(shè)計技術(shù)、逆向設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)綜合應(yīng)用,可以解決一些傳統(tǒng)測量方法無法處理的難題,為產(chǎn)品研制提供數(shù)據(jù)參考。

某工件試驗后,內(nèi)型面受到不同程度的損傷,需要對試驗前后的型面數(shù)據(jù)進行對比分析,進而更好地進行后期設(shè)計改進。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量與對比技術(shù)局限于一個工件或一次測量中的數(shù)據(jù)對比與計算，對兩次測量中的數(shù)據(jù)進行對比,還需要借助逆向設(shè)計技術(shù)、計算機輔助設(shè)計技術(shù)等。將試驗前后兩次測量的數(shù)據(jù)輸入計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)，可以進行數(shù)據(jù)處理與分析對比。

2 可行性分析

工件試驗前后兩次測量的數(shù)據(jù)對比能否實現(xiàn),取決于工件試驗前后是否有統(tǒng)一的參考基準(zhǔn),即找到試驗前后兩次測量中保持不變的元素,并能用于實現(xiàn)兩次工件測量數(shù)據(jù)的對齊。

對工件進行分析,試驗前后只是內(nèi)型面數(shù)據(jù)發(fā)生了改變,外型面數(shù)據(jù)與上下表面數(shù)據(jù)保持不變,可以用作參考基準(zhǔn),實現(xiàn)兩次測量數(shù)據(jù)的對齊[1-3]。

將試驗前內(nèi)型面測量數(shù)據(jù)設(shè)計成曲面,分析試驗后內(nèi)型面掃描數(shù)據(jù)點云到曲面的距離,即可對比兩次測量的數(shù)據(jù)。

3 測量與對比方法

根據(jù)工件型面的特點,選擇最合適的測量與逆向成形設(shè)計方法,以提高測量與逆向設(shè)計的精度及效率。

三坐標(biāo)測量機接觸式測頭的測量精度高，利用測量得到的引導(dǎo)曲線,在計算機輔助設(shè)計軟件中成形出基本曲面,得到的曲面精度高,適合試驗前的規(guī)則型面測量與逆向成形。三維激光掃描測頭測量精度稍低,為0.05 mm,測取效率高,適合大量無規(guī)則點云數(shù)據(jù)測量，因此試驗后的工件內(nèi)型面數(shù)據(jù)可以采用三維激光掃描測頭獲取[4-5]。

將試驗前后工件型面兩次測量的數(shù)據(jù)輸入計算機輔助設(shè)計軟件,進行所需的逆向設(shè)計,并將兩次測量數(shù)據(jù)對齊,得到試驗后測量數(shù)據(jù)點云到原始內(nèi)型曲面的距離,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析對比。

工件數(shù)據(jù)測量流程如圖1所示。

▲圖1 工件數(shù)據(jù)測量流程

4 應(yīng)用實例

4.1 試驗前數(shù)據(jù)測量

試驗前工件原始內(nèi)型面屬于規(guī)則的旋轉(zhuǎn)曲面,采用三坐標(biāo)測量機接觸式測頭在Rational-DMIS測量軟件中測量構(gòu)成曲面的成形曲線,便于后續(xù)在計算機輔助設(shè)計軟件中用相應(yīng)的成形設(shè)計方法成形基本曲面。

軟件將工件坐標(biāo)系建立在圓筒上表面中心處,以端面圓心為原點,以上表面法矢方向為Z軸,即可實現(xiàn)兩次測量數(shù)據(jù)的對齊。

用接觸式測頭測取圓筒上表面平面,該平面作為后續(xù)測量圓的投影平面。在測量軟件中建立工件坐標(biāo)系,Z軸方向為上表面平面法矢方向,原點為上端面圓圓心在上表面平面的投影。

內(nèi)型面為規(guī)則的旋轉(zhuǎn)曲面,只要測量出錐體母線與旋轉(zhuǎn)軸位置,利用旋轉(zhuǎn)成形，即可成形內(nèi)型曲面。在圓筒內(nèi)型面不同高度位置處測取若干圓,投影基準(zhǔn)為上表面平面。

在工件坐標(biāo)系下,母線的位置可選擇X軸為0或Y軸為0的位置,鎖定測量機Y軸或X軸,從圓筒內(nèi)側(cè)底部到頂部測量一條母線,用于成形內(nèi)型曲面。各截面圓心擬合出的直線可以作為旋轉(zhuǎn)軸線。將測得的所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入.iges格式文件,命名為Q01。

4.2 試驗后數(shù)據(jù)測量

試驗后工件型面所需測量的數(shù)據(jù)有內(nèi)型面數(shù)據(jù)點云、上表面平面、上表面外圓。上表面平面與上表面外圓數(shù)據(jù)用于建立工件坐標(biāo)系，實現(xiàn)工件對齊。

將接觸式測頭更換為激光掃描測頭,進入Header掃描測量軟件,初步定義若干個不同角度的測頭位置,并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)球標(biāo)定。試驗后工件表面噴涂顯影劑,通過不同角度位置的測頭掃描,獲取若干點云曲面片,形成完整的數(shù)據(jù)點云拼接。如果點云數(shù)據(jù)不完整,那么需要補充定義所需角度的測頭位置進行補充掃描。最終掃描數(shù)據(jù)為完整的內(nèi)型面數(shù)據(jù)點云、上表面平面數(shù)據(jù)、上表面外圓數(shù)據(jù)。

4.3 數(shù)據(jù)處理與逆向設(shè)計

將試驗前后兩次測量數(shù)據(jù)輸入CATIA軟件的同一文件中，此時兩次測量數(shù)據(jù)位置不重合,分別進行所需的數(shù)據(jù)處理與逆向設(shè)計,再進行坐標(biāo)系對齊。

在創(chuàng)成式曲面設(shè)計模塊中,針對試驗前測量數(shù)據(jù),根據(jù)曲面成形特點,由測量母線繞中心軸線旋轉(zhuǎn)成形基本曲面?；厩嬖倥c上表面平面等參考曲面經(jīng)過修剪、過渡等處理,成形出工件設(shè)計數(shù)據(jù),即原始內(nèi)型曲面。這一曲面數(shù)據(jù)可以作為原始設(shè)計數(shù)據(jù)與后續(xù)點云數(shù)據(jù)進行對比。

在逆向設(shè)計模塊中,針對試驗后測量點云數(shù)據(jù),通過刪除噪聲與孤點等處理,去除測量中的雜亂點,使測量點云數(shù)據(jù)完整有效。利用點云逆向設(shè)計,建立上表面平面、上表面外圓,并據(jù)此建立與試驗前工件測量一致的工件坐標(biāo)系。試驗前后測量數(shù)據(jù)如圖2所示。

將兩次測量的內(nèi)型面數(shù)據(jù)基于工件坐標(biāo)系對齊,利用CATIA軟件逆向設(shè)計模塊中的點云分析功能,分析點云到原始內(nèi)型面的距離,繪制距離分布云圖,如圖3所示。

▲圖2 試驗前后工件測量數(shù)據(jù)

▲圖3 距離分布云圖

5 結(jié)束語

筆者對工件試驗前后數(shù)據(jù)測量與對比進行了研究，針對工件試驗后某個型面數(shù)據(jù)受到破壞,而其它型面數(shù)據(jù)不受影響的情況,提出將數(shù)據(jù)不變型面元素作為參考元素，實現(xiàn)工件對齊。試驗前工件采用三坐標(biāo)測量機接觸式測頭測量,提高測量精度,保證成形曲面的精度與質(zhì)量。試驗后工件型面存在損傷,型面數(shù)據(jù)采用激光掃描測頭獲取點云,去除雜亂點，可以保證數(shù)據(jù)有效。