段云云 張云鵬 楊兵

摘 要： 二十一世紀(jì)以來，我國的經(jīng)濟在不斷的飛速發(fā)展，社會現(xiàn)代化建設(shè)的腳步也越來越快，隨著現(xiàn)在科技水平的發(fā)展，我國的很多行業(yè)都已經(jīng)進入了一個新的領(lǐng)域，尤其是航空航天領(lǐng)域，我國已經(jīng)取得了突破性的進展。但是在航空飛機領(lǐng)域，還是存在著一些問題，在逆向工程飛機的曲面重建上，包括濾波算法、點云數(shù)據(jù)簡化算法和基于奇異值分解法的多是點云拼接算法，通過對數(shù)據(jù)的預(yù)處理，大部分?jǐn)?shù)據(jù)噪點得以消除，數(shù)據(jù)量化進一步簡化，三維的曲面掃描后再進行測量。使用現(xiàn)在的逆向工程曲面重建的技術(shù)對變形后的導(dǎo)管零件進行三維建模，這樣可以獲得一些很重要的參數(shù)，我國傳統(tǒng)的逆向建立的模型技術(shù)沒有考慮到制造的因素，不能直接用于制造。所以說，必須要專業(yè)的工作人員進行處理后才能使用，本文主要講述了逆向工程的飛機曲面重建方法，可以有效的提高飛機上的空間導(dǎo)管的維修效果，但是這個過程中一定要對精度進行嚴(yán)格的控制，才能保證整體的要求。

關(guān)鍵詞： 逆向工程;數(shù)據(jù);曲面重建方法

【中圖分類號】TP391 ? ? 【文獻標(biāo)識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.37.216

引言：逆向工程技術(shù)是消化吸收先進的技術(shù)，進行新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計創(chuàng)新的重要技術(shù)手段，在飛行實驗領(lǐng)域通過逆向工程建立飛機外形結(jié)構(gòu)件等零部件及工藝裝備的數(shù)字化模型，能夠充分發(fā)揮數(shù)字化的優(yōu)勢，實現(xiàn)智能化及集成產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換，利用數(shù)字化設(shè)計數(shù)控加工，虛擬裝備，有限元分析等數(shù)字化手段，將飛機的改進周期大大縮短，逆向通常包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、cad模型重建三個主要環(huán)節(jié)，飛機機體曲面模型與一般工業(yè)模型特點存在不同?，F(xiàn)在的新方法就是在實際的應(yīng)用過程中，使用三維設(shè)備對零部件的外緣進行掃描并且輸出一個三維的立體模型，而且現(xiàn)在通過逆向軟件進行建立模型的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是還是不能完美的應(yīng)用到飛機的曲面重建上，所以這是迫切需要解決的問題。

1 曲面重建的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 點云數(shù)據(jù)采集

點云數(shù)據(jù)采用一定的測量方法和測量設(shè)備，測出實物各表面若干組點的幾何坐標(biāo)，激光三角法和激光束極坐標(biāo)法是兩種傳統(tǒng)的非接觸測量方法，可測量性是非接觸測量遇到的主要問題。由于零件的幾何結(jié)構(gòu)和拓寬干擾的因素，部分區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)幾乎不能被測到，容易發(fā)生測量干涉的現(xiàn)象，通常采用多次掃描的方法。但在特殊的測量方法下，可測量的數(shù)據(jù)是有限的，一些數(shù)據(jù)也不能完全被獲取，如通孔的數(shù)據(jù)。飛機機體點云數(shù)據(jù)采用兩種方法相互結(jié)合。具體為激光三角測量局部，精度要求0.3毫米的曲面，例如機翼迎風(fēng)面垂尾水平安定和起落架等位置，激光束極坐標(biāo)法測量范圍較大曲面可測性好，精度要求1毫米的曲面，利用硬件設(shè)備由全站儀手持式掃描儀三維激光掃描儀交換機工作站等。

1.2 點云數(shù)據(jù)的處理

1）對于噪點算法的點云降噪。在逆向工程中點云數(shù)據(jù)的處理數(shù)量一般都很大，并且不能避免噪點的引入，為了降低或消除噪點，提高后期建模的效率提升建模的質(zhì)量必須對測量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)平滑處理，去測量噪點在大數(shù)據(jù)中的走向，在數(shù)據(jù)處理過程中，采用一定的算法，例如高斯濾波算法、中濾波算法等，濾波效果在指定區(qū)內(nèi)的區(qū)域中為高斯分布，其余平均效果較小故在濾波同時，能夠較好的保持原數(shù)據(jù)。平均濾波采樣點的濾波窗口內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計的平均值，只取濾波器窗口內(nèi)數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計中值，這種濾波消除數(shù)據(jù)毛刺的效果比較好，在實際過程使用中，根據(jù)機體不同的分塊的點云質(zhì)量和后續(xù)建模要求選用不同的濾波算法。

2）對于曲率約束的數(shù)據(jù)精簡。初始點云量數(shù)據(jù)過大，處理的速度比較慢，所以對初始點云數(shù)據(jù)怎樣處理，使得利用較少的點云數(shù)據(jù)，被完全解釋表達，為測量對象的特征信息，由于飛機機體的顯著特征比較多，為了將其特征進行完整保留，在模型特征中明顯和曲率變化大的部分特征的數(shù)據(jù)需要采用較多的點云表達，在曲面平坦處曲率變化不大的地方，利用較少的點云表達。

2 曲面重建的流程

由于采集得到的飛機點云數(shù)據(jù)信息量巨大，因此建模之前需要對模型進行區(qū)域劃分，劃分原則是根據(jù)曲面的構(gòu)造方法進行，將交聯(lián)的且構(gòu)造方法一致的曲面發(fā)揮到一個區(qū)域中，這樣有利于后期曲面提取以及曲面建模關(guān)鍵要素。重建的方法：首先依據(jù)裝配協(xié)調(diào)關(guān)系，獲取之前的已構(gòu)建的飛機外形曲面，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)的位置，通過調(diào)節(jié)曲面等操作，創(chuàng)建曲面等，按照表面輪廓進行裁剪，最后得到的是所需要的曲面，對于飛機整體連框等結(jié)構(gòu)進行調(diào)節(jié)，與其外觀貼合部分較窄外形線平坦且接近于直線，該零件外輪廓可采用直紋面進行逼近處理。具體實現(xiàn)如下：

1）點云剖面

點云處理完成之后需要對點云進行剖面處理，Mesh CreationG3曲面部分處理，點云剖面可以更好的辨識點云各個方面的特征，方便重建模型，剖面完成后需要對有空洞的曲面進行補洞，就是經(jīng)過剖面之后的機身網(wǎng)絡(luò)面。

2）截面提取

在做截面提取之前需要將點云過濾，CATIA的世界坐標(biāo)系對齊之后，能夠方便截面的提取，單擊功能按鈕打開對話框選擇偏移的參考平面，在參考平面上，出現(xiàn)一個操作器，利用該操作器可以對位置進行相應(yīng)的調(diào)整，當(dāng)位置調(diào)整完成之后便可以選擇，剪切平面的距離以及剪切平面的數(shù)量，點擊確定完成截面的提取。

3）曲面結(jié)構(gòu)的構(gòu)造

曲面提取完成之后便可以進行曲面構(gòu)造，依舊將機身作為例子，根據(jù)機身曲面相關(guān)的特點，選擇功能按鈕，彈出多截面曲線面定義對話框，選擇已編輯好的截面，編輯每個截面的方向統(tǒng)一，每條曲線的方向保持一致，否則會對曲面產(chǎn)生影響，造成扭曲的情況。

4）曲面質(zhì)量的分析

切換到自由曲面設(shè)計板塊，在工具欄中單擊按鈕選擇曲面，進行分析所創(chuàng)建的曲面品質(zhì)，要求曲面之間曲率連續(xù)，曲率變化均勻，沒有多余的拐點。斑馬線測試，也叫高光測試，是模擬一組平行光源照射，所要檢測的表面上觀察的反觀測試的效果，不同曲面質(zhì)量得到不同的反射效果，G0斑馬線在連接處毫不相關(guān)各走各的，線與線之間也沒有連續(xù)相互獨立，G1斑馬線雖然在連接處是相連的，但從表面到另一個表面會發(fā)生很大的變形，通常會在連接地方產(chǎn)生角度較小的拐角。只要斑馬線是相連的，且在相連的位置通常不會有尖銳的拐角，也不會出現(xiàn)錯位的情況。

結(jié)束語：本文詳細(xì)講述了基于逆向工程飛機曲面重建的數(shù)據(jù)采集過程和建模實現(xiàn)方法，包括點云處理技術(shù)和怎樣從點模型到線模型以及最后的曲面模型的實現(xiàn)環(huán)節(jié)，介紹了逆向工程相關(guān)基礎(chǔ)的知識，以及如何利用CATIA V5的相關(guān)逆向建模，進行飛機曲面建模。最后，著重探討了建模中如何利用軟件進行曲面質(zhì)量分析，利用斑馬線檢測曲面品質(zhì)等處理技巧。

參考文獻

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