匡志華 方靜 段云云

摘 要： 在科研生產(chǎn)中，利用掃描手段已為工裝修復(fù)、產(chǎn)品協(xié)調(diào)、鑄件精加工等工作提供了數(shù)據(jù)支持。進(jìn)行三維激光掃描時(shí)，掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響到后續(xù)建模工作開展的順暢。由于各部門需要掃描的零件形狀、表面狀態(tài)都有所區(qū)別，需要操作者在掃描過程中進(jìn)行分析后，經(jīng)過多次掃描才能達(dá)到理想的效果。本文對(duì)實(shí)際三維激光掃描工作中遇到的特殊零件進(jìn)行分類，分析掃描區(qū)域、掃描方案，并簡(jiǎn)單論述對(duì)應(yīng)的建模方法，形成逆向應(yīng)用的新思路。

關(guān)鍵詞： 逆向掃描;目標(biāo)點(diǎn);建模

【中圖分類號(hào)】P225 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.37.145

1 引言

目前逆向掃描及建模技術(shù)在零件的工裝修復(fù)以及制造上已成為一種新的方法，但在實(shí)際工作中，特殊零件的處理還沒有較為明確的方案。從零件結(jié)構(gòu)特征上分析，長(zhǎng)桁零件、導(dǎo)管零件以及帶彎折的大型蒙皮零件的表面經(jīng)常會(huì)有較為劇烈的曲率變化，掃描工作容易遇到瓶頸，在正式實(shí)施掃描工作前，需要分析掃描區(qū)域，確認(rèn)掃描方案，為后續(xù)的建模工作提供更為有利的數(shù)據(jù)信息。此外，還應(yīng)與零件生產(chǎn)單位、工裝設(shè)計(jì)單位溝通協(xié)調(diào)，結(jié)合數(shù)模生產(chǎn)應(yīng)用的需求，判斷掃描時(shí)各個(gè)區(qū)域的取舍情況，才能制定出合理的掃描方案，提高掃描效率。

2 逆向掃描及建模方案

2.1 長(zhǎng)桁零件的逆向分析

2.1.1 掃描區(qū)域分析。長(zhǎng)桁類零件的工裝特點(diǎn)是存在擋塊，以保證立筋成型后與腹板面的角度，在工裝上，擋塊并不是離散式布置，僅通過掃描方式，無法得到零件的完整輪廓，因此采取掃描零件的方法更便于建模。但在掃描前，需要對(duì)長(zhǎng)桁零件自然狀態(tài)下的變形量進(jìn)行確定，必要時(shí)利用模胎固定零件再進(jìn)行掃描。掃描區(qū)域的確定如下：A.對(duì)于自然狀態(tài)下無明顯變形的零件，掃描更利于建模的表面，一般情況下角材選擇掃描外側(cè)面，T型材選擇掃描腹板底面、腹板內(nèi)側(cè)面、立筋閉斜角面;

B.對(duì)于自然狀態(tài)下存在明顯變形的零件，將零件固定在模胎上，保證貼合度符合鈑金廠要求，再掃描零件輪廓，此種情況下只能掃描零件不貼胎的內(nèi)側(cè)面，對(duì)于建模不利。

2.1.2 掃描方案分析。長(zhǎng)桁類零件通常是標(biāo)準(zhǔn)型材，特征是腹板及立筋的寬度小，如果在零件表面粘貼目標(biāo)點(diǎn)，則容易出現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)缺失的缺陷，而使得網(wǎng)格面無法構(gòu)建，因此需要采用在零件后方粘貼背景點(diǎn)位的方法。在掃描時(shí)，將長(zhǎng)桁放置在某個(gè)平臺(tái)上（或者地面上），并在零件周圍的平臺(tái)面上粘貼定位標(biāo)點(diǎn)。對(duì)于批量性的長(zhǎng)桁零件掃描工作，這種方法建立的空間坐標(biāo)系還可以重復(fù)利用，減少反復(fù)粘貼以及采集目標(biāo)點(diǎn)的工作量，提高工作效率。

2.1.3 建模方案。使用計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)擬合得到各個(gè)掃描輪廓的曲面，通過曲面修剪的方式，最終得到貼膜面與參考邊緣線。該類數(shù)據(jù)不建立長(zhǎng)桁實(shí)體，一般角材保留外側(cè)面與參考邊緣線，T型材保留腹板底面、腹板內(nèi)側(cè)面、立筋閉斜角面與參考邊緣線。

2.2 導(dǎo)管零件的逆向分析

2.2.1 掃描區(qū)域分析。在裝配過程中，需要根據(jù)實(shí)際裝配效果敲修實(shí)樣，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致與理論形狀產(chǎn)生較大偏差，為使后續(xù)零件能夠批量制造，需要利用敲修后的實(shí)樣重新返制工裝。解決該類問題時(shí)，以導(dǎo)管實(shí)樣為掃描對(duì)象，在缺少實(shí)樣的情況下，還可以掃描配套模胎。

2.2.2 掃描方案分析。導(dǎo)管實(shí)樣按通口數(shù)量可以分為兩通、三通，按中心線趨勢(shì)可以分為單曲與雙曲，結(jié)構(gòu)上的特殊位置包括：半管對(duì)合焊縫/管口焊縫、敲修產(chǎn)生的鼓包、多通位置的過渡區(qū)等。其中管口位置需要按圖紙技術(shù)要求保證一定范圍內(nèi)直徑不變。掃描操作中需要特殊注意的有：①焊縫位置：由于焊縫位置通常帶有鼓包，如果粘貼目標(biāo)點(diǎn)，容易造成目標(biāo)點(diǎn)中心反光區(qū)劇烈變形，影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)算識(shí)別空間位置，因此一般不在焊縫上粘貼目標(biāo)點(diǎn)。② 小直徑的導(dǎo)管：如果要在此類零件上粘貼目標(biāo)點(diǎn)，往往會(huì)發(fā)生目標(biāo)點(diǎn)粘貼距離過近或者無法粘貼目標(biāo)點(diǎn)的問題，導(dǎo)致不能建立空間坐標(biāo)系。在導(dǎo)管外形較為均勻、上下對(duì)稱度好的情況下，可以僅掃描焊縫的一側(cè)，保證導(dǎo)管的走向趨勢(shì)被掃描出來，再按趨勢(shì)建立整體的模型。如果外形不規(guī)則，就需要掃描零件的全部輪廓，通常采取設(shè)置三個(gè)背景板的方法進(jìn)行掃描。具體操作方法為：a）固定底板以及前方背景板，粘貼目標(biāo)點(diǎn)并掃描;b）放置導(dǎo)管，掃描導(dǎo)管一側(cè)輪廓;c）導(dǎo)管固定不動(dòng)，撤走前方背景板，放置粘貼有目標(biāo)點(diǎn)的后方背景板，通過底板目標(biāo)點(diǎn)過渡的方法，將后方背景板的目標(biāo)點(diǎn)采集到整體目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)系中;d）掃描導(dǎo)管另一側(cè)輪廓，完成掃描數(shù)據(jù)補(bǔ)充，保存掃描數(shù)據(jù)。

在第二側(cè)的掃描時(shí)，部分情況下會(huì)產(chǎn)生較多的空間噪點(diǎn)，導(dǎo)致生成的數(shù)據(jù)輪廓出現(xiàn)缺口，不足以生成模型，此時(shí)可以對(duì)前后兩次的掃描的數(shù)據(jù)分別保存在，設(shè)計(jì)模型時(shí)，同時(shí)導(dǎo)入到CATPart內(nèi)，形成整體網(wǎng)格。這種方法的區(qū)別在于，要在步驟b掃描導(dǎo)管一側(cè)輪廓后增加“保存面片文件以及目標(biāo)點(diǎn)文件”的操作，同時(shí)步驟d更改為：導(dǎo)管固定不動(dòng)，撤走前方背景板，放置粘貼有目標(biāo)點(diǎn)的后方背景板，新建對(duì)話，導(dǎo)入保存的點(diǎn)文件，通過底板目標(biāo)點(diǎn)過渡的方法，將后方背景板的目標(biāo)點(diǎn)采集到整體目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)系中。

③處于分離狀態(tài)的雙半管。為保證分開的半管在對(duì)縫位置的協(xié)調(diào)性，需要臨時(shí)進(jìn)行固定，并掃描對(duì)接狀態(tài)下的整體目標(biāo)點(diǎn)以建立坐標(biāo)系，再將導(dǎo)管分解開來，在不改變各半管上目標(biāo)點(diǎn)位置的情況下，再分別進(jìn)行曲面掃描。這種情況在實(shí)際生產(chǎn)中相對(duì)較少。

2.2.3 建模方案。對(duì)于兩通導(dǎo)管的建模方法主要有：（1）繪制截面線后，掃掠形成曲面;（2）強(qiáng)力擬合中間段后，使用曲面橋接端口與中間段，最終結(jié)合為一個(gè)整體。對(duì)于三通導(dǎo)管的建模方法主要有：（1）強(qiáng)力擬合三個(gè)管中間的交接段并設(shè)計(jì)各端頭曲面，之后使用曲面橋接端口與交接段，最終結(jié)合為一個(gè)整體;（3）先對(duì)兩個(gè)大直徑段設(shè)計(jì)為一個(gè)兩通管，再單獨(dú)設(shè)計(jì)小直徑段并延伸，與兩通大直徑段相交，最后在交線位置進(jìn)行倒角操作。

3 總結(jié)

在機(jī)械制造業(yè)中，零件的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，除了以上情況外還可能有新的問題影響零件輪廓采集的完整性，這也需要操作者在操作過程中能夠從應(yīng)用需求以及產(chǎn)品特征上認(rèn)真分析，研究如何實(shí)現(xiàn)有效的掃描，而不僅僅是如何能夠掃描完，只有這樣才能使整個(gè)逆向過程有條不紊，使掃描結(jié)果能夠達(dá)到生產(chǎn)應(yīng)用的程度。