1 前言
许多零件、工装都是模拟量传递制造的，经过了多年的使用，许多工装及相关的标准样件、模线样板磨损非常严重，部分工装几乎无法满足制造的使用需求。通过逆向扫描及逆向建模技术，扫描工装表面，形成理论数据，依靠理论数据完成工装的修复及复制工作。实现模拟量向数字量协调的转换的同时，完成了模拟量传递工装数据的保存工作。
反向工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，以获得物体的点云数据，再利用一定的工程软件对获得的数据进行整理、编辑，并获取所需的三维特征曲线，最终通过三维曲面表达出物体的外形，使用几何建模方法，从而重构实物的CAD模型。
CATIA V5软件的逆向设计是在数字化曲面设计（Digitized Shape Editor模块）和快速曲面重建（Quick Surface Reconstruction模块）两个模块中进行的。数字化曲面设计模块主要用于逆向设计的前期处理，该模块具有数据文件的导入导出、去除噪点、设计截面线等功能。常见的扫描数据格式包括STL和IGS两种格式。STL是网格数据，需要使用软件命令导入，IGS是点云数据，可以直接拖入到CATIA窗口内打开。点云经过处理之后在使用基于网格进行设计的快速曲面重建模块中快速生成特征面、强力拟合曲面以及对比分析等命令做逆向设计的后期处理工作。
当使用一些扫描测量仪器得到一些粗糙的点云数据之后，钣金类零件逆向设计的总体思路就是导入扫描数据、优化数据、拟合中心线、生成网格、拟合出一个大于扫描数据的曲面、拟合零件边缘线、用零件边缘线切割曲面，将切割后的曲面与起初的点云数据进行分析对比，如果对比结果在公差范围之内，使用所切割后的曲面进行零件模型的设计，否则应继续优化数据优化曲面，直至分析对比结果符合公差为止。
2 逆向设计的前期工作
以蒙皮类零件为例，介绍钣金类成形零件逆向工程设计的总体思路。由于蒙皮类零件易弯曲，变形大，扫描零件数据会存在较大失真，因此目前蒙皮类零件逆向建模一般是通过扫描工装并反推零件模型。
使用一些扫描测量仪器得到一些粗糙的点云数据之后，首先要查阅工程图纸，对零件进行一下分析，理解零件的设计思想，在此基础上修复和克服扫描数据上存在的缺陷，之后进行扫描数据优化。
对扫描数据优化，作用在于减小扫描数据包含的信息量，提高之后操作步骤的处理速度，同时不对模型设计产生较大影响，其操作包括移除无效数据，点云过滤，修补网格等。在优化的过程中应尽量避免使用网格光顺操作，因为在光顺过程中，网格面与原始扫描数据会产生偏离。
图1 蒙皮通过的点云与网格
3 型面构造
型面构造介绍两种方法，一种是扫掠法，就是生成网格之后拟合截面线、优化截面线、通过截面线形成型面；另一种是强力拟合法，强力拟合法主要对于曲率变化不大的型面设计。
3.1 扫掠法
3.1.1 建立截面元素
截面元素用来创建与扫描数据相交的平面，在命令Planar Sections中使用。设计要考虑各截面线的外形较为接近，以方便进行扫掠操作，形成较好的型面。截面元素可以是面，直接用于相交；也可以是线，线的法向面作为截面。
通常，XY、YZ、XZ三个平面与扫描数据相交得到线的效果并不好，而用罗盘控制也存在操作不方便的问题。因此一般都是通过引导线的建立，来设计截面位置。
图2 通过XZ平面建立的影线
引导线的建立方法较多，对本模型，介绍两种较为简单的方法。
3.1.1.1 点云上影线创建
在数字化曲面设计模块下，通过Scan Creation工具栏中的Scan on Cloud执行。点击后，选择前后两个端点，双击左键结束选择，形成影线，由影线生成曲线。
图3 影线生成
图4 提取实线
3.1.1.2 基本曲面识别
在逆向建模过程中，由于没有外部参考基准，因此需要在扫描数据基础上建立一些基准面。快速生成基本特征面能生成的元素包括平面、圆柱、球、圆锥等，而较为常用的是平面和圆柱，平面用于建立草图或生成截面线，圆柱用于设计中心线。由于本模型可以近似为圆柱面，因此使用快速曲面重建模块下的基本曲面识别命令，选择圆柱，软件将自动生成圆柱及其轴线。
图5 基本曲面识别
图6 识别界面选择圆柱
将截面与相应的网格或点云相交，得到交线。
与网格相交，在每个截面上生成不连续的线，需要再次连接，与点云相交，生成连续的线。从图7可以分析得出，采用与点云相交的方法来获得截面线更适合后续建模。
图7 与网格相交和与点云相交的对比
3.1.2 截面线优化
由于所生成的截面线，扫描数据边缘不平，截面线的起点不同，端点不齐，而截面线上不同点的曲率也在变化，这将导致创建多截面曲面时，边缘质量不好，因此需要对截面线进行调整。
图8 多截面曲面创建
调整截面线的长度和线条曲率，来避免所拟合的曲面产生鼓包等现象。将生成的截面线与最初的扫描数据对照，找出影响生成曲面曲率较大的曲线，将这些曲线重新拟合，使用，“点面复制”命令，在原截面线上生成若干个点，调整个别点偏离的位置，之后使用“样条线”命令，生成曲线并分别进行光顺后，在进行扫掠操作。从图9中的对比，可以看出新曲面具有较好的表面。对于其他部位，也采用类似操作，最终形成整体曲面。
图9 新曲面与原曲面对比
3.2 强力拟合法
强力拟合法主要对于曲率变化不大的型面设计。对于本案例中零件，可以分割成左右两部分，通过“Activate”命令分别激活一部分点云，分别拟合表面，然后对两侧曲面分别裁剪，再重新桥接，形成中间过渡，最后进行接合，得到型面。
图10 强力拟合曲面
强力拟合曲面命令能实现对小曲度曲面的快速生成，这个命令的主要参数是偏差，用于控制生成曲面与扫描数据的差值，通常情况下设置在0.2mm到0.5mm之内，以保证曲面的表面质量。
4 边缘线和曲面内部线条的构造
构造零件的边缘线和内部线条需要在参考图纸的情况下所进行，边缘线生成后作为分割型面的依据，或作为工装划线的参考。
构造零件的边缘线一般采用的方法是根据点云数据创建影线，影线不是实体曲线，不能直接进行操作，需要通过Curve from Scan命令进行转化，将影线生成曲线。有时候生成的曲线曲率突变很大，并不是直接可以被引用的，需要用拟合调整截面线的方法来重新拟合边缘线。
构造曲面内部线条时，由于是薄壁零件，边缘的网格形成存在一定偏差，因此采用近似拟合的方式。首先建立不同部位的基本拟合平面，然后通过草图，在各平面绘制出对应部位的大致边缘线位置。拉伸后与型面相交得到表面线条。这种方法比较适合于设计封闭带弧度的线条。后期曲面操作，可以裁剪出零件边缘线以及化铣线。
图11 生成的边缘线和曲面内部线条
建立基本曲面后，根据生成的边线和内部线条，通过增厚命令即可生成实体，建模步骤和方法与普通建模步骤雷同。
5 测量分析
经过边缘线修剪的曲面与点云数据使用“Deviation Analysis”，命令相比照，参考面(Reference)选择面积大的对比元素，测量面(To measure)选择面积小的对比元素，可以防止无效元素的干扰。模型与原始扫描数据的偏差应在技术要求范围内，偏差通过偏离分析命令计算及统计。
当使用逆向工程技术检测生产现场零件与数字模型之间的差异的时候，不需要使用扫描的数据来构建数模，只需清除噪点，优化网格的步骤即可，使用“Cloud Reposit”下的命令来将扫描数据与理论上的数字模型对齐，再使用“Deviation Analysis”，命令查看生产现场零件的扫描数据与理论上的数字模型的对照结果。
图12 扫描数据与理论上的数字模型对照结果
结论
通过类似这样的逆向设计实现了零件由模拟量传递制造向数字量传递的成功转变，同时解决了大量工装磨损严重无法修复的问题，为此类问题的解决与处理提供了技术解决方案与技术支持力量。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：钣金类成形零件逆向工程设计总体思路的探索
相关文章
