钣金件点云数据的逆向重构技术研究

引言

      随着钣金件的应用领域越来 越广泛 ， 钣金件 的设 计成了产品开发过程 中很重要 的一环 ， 要想设计 出成 本低 、 制造简单 ，又能满足功能和外观等要求的钣 金 件 ， 就要求设计人员必须掌握钣金件的设计技巧 以及 新的设计 方法。传统 的正 向设计方法一般 首先是对 要设计的 目标进 行市场调研 ，提出市场需求 ，根据功 能和需求设计模型， 再制造 出产 品。这种方法设计周 期较长 ， 成本较高 。

为了提高市场竞争力 ， 提 出了逆 向工程这一新的 设计方式。逆向工程这一新 的设计方式 ，因具有设计周期短 、 成本较低 、 精度高等特点，近年来在众多领域 得到了广泛的应用¨J。在逆 向工程中，曲面的重构 既 是难点又是重点 ， 是整个逆向工程的核心环节。由于 逆 向的产 品通 常具有不规 则 的外 形特征 ，往往 由较 多无法直接用二 次方程描 述 的不 规则 曲面构成 ，这 直接决定 了所得点 云数 据 的复杂 、散乱程 度 ]。而 精度控制又是贯穿整个逆 向产品开发过程 的核心技 术要求。

本文 以钣金件风筒为例 ， 简单介绍 了点云数据 的 获取以及点云数据 的预处理 ， 重点探讨 了曲面进行 逆 向重构的方法 ， 并对曲面重构过程 中的精度控制方 法 做了分析介绍。
1 点云数据的获取

       对于复杂曲面的重构 ， 点云数据信息 的来源必须 以高精度的测量设备为前提 。本文采用 COMET L3D 来完成对风筒外形点云数据 的采集。COMET L3D是 由德国 St ei nbi chl e r公司创建的一款搭载创新 LED蓝 光照明技术的三维 面扫描仪 。其具有便于携带 、 数 据 采集速度快、 对测量环境要求不高等特点。能够以较 低的消耗成本提供高度精准 的数据结果 ， 最高精度 可 达 0． 02mm。

      针对风简这类 小型零／部件，为了使测量过程更 流畅， 可以借助 COMETr o t a r y自动转台对数据采集对 象进行 自动定位以及多角度测量。此外，还可以在风 筒的表面均匀喷上一层显像剂， 提高获取风筒的表面点 云数据的速度。喷粉后的风筒实物模型如图 l所示。

      COMET L3D随 附专业 的数据 采集 及优 化软 件 COMETpl us， 拥有单一测 量数据 的 自动对齐功能和 自 动去除重合点的数据精简功能L ] j， 为三维数据的扫描 和测量提供 了强大的支持 。利用该扫描仪获得的数据 不需要进行复杂的数据后处理， 经简单的预处理就能够 直接使用 J 。借助 COMET L3D所得风筒点云数据模 型如图2所示。模型中的点云数据量为6 7 4 09个

2 逆 向重构

    曲面重构是逆 向工程 中最关键也是最后 一个环 节， 对整个逆向的精度起决定性作用。曲面重构一般 可以分为基本 曲面重构 和 自由 曲面重 构两部 分 。其中基本曲面指的是规则的解析几何所构平面 ， 可 以 根据导入模型 的几何形状 直接 进行拟合 完成 构建。
 而 自由曲面往往含有较多非规则 曲面 ， 在构建时相对 复杂， 是曲面构建的难点。

    目前逆 向工程曲面重构中，主要有 以三角 网格面 为基础的近似 曲面重构和以样条 曲面为基 础的 自由 曲面重构两大类 曲面重构方 案。在三角 网格 曲面重 建算法中 ， 构造等值面的算法‘ 和 Del a una y三角剖分 算法 应用最为广泛。其 中构造等值面 的这类 方法 对点云数据的完整性要求较高，对数据点云的采样密 度 以及采样 均匀度都有一定 的要求 。而 Del a una y三 角剖分法直接 利用点云数据 集 ， 不仅对形状复杂 、采 样均匀的点集 能取得 较好 的效果 ，而且 计算 的速 度 快 。样条 曲面 主要 包括 Be z i er曲面 、B样 条 曲面 和 
NURBS曲面。在 以往学者对样条 曲面的研究下 ， B样 条 曲面在继承 Be z ei r曲面优点的基础上 ， 局部修改能 力较强 ， 根据逆向工程中点云数据密集 、 量大的特点 ，B样条曲面成为了逆向工程应用 中曲面重构的首选 。

      具体应用中， 选择以上两种曲面重构方案的依据 主要是点云数据 的分布排列情 况。点云数据若呈 现 规则有序的分布状态 ， 则可 以采用 B样条 曲面模 型。与之相 比， 以三角形网格 曲面为基础的曲面重构对曲 面边界的适应性更强 ， 更为灵活 ，更适 用于不规则点 云数据场。

    本文借助三维软件 CATI A，完成对风筒 的逆 向重 构 。该软件针对基本 曲面和 自由曲面两种 曲面类 型 提供了不 同的 曲面构造模块 。快速 曲面重建模块 为 曲面的重建提供了四种方法 ， 基本曲面可 以根据导入 模型的几何形状在该模块下直接进行拟合完成构建。
     为了后续进行多个面之间的剪裁 ，在基本平面 的拟合 过程 中， 通常在保证原始数据 面尺寸 的情况下 ，将拟 合平面多拉伸出一部分。应该指出的是， 采用逆向工 程对产 品进行设计时 ， 应充分考虑原设计 的意图 ， 最 大程度地与原设计 的理念相一致 ， 在此基础上 ，对原 设计进行表面的包裹 ， 这样才能使逆向出来 的模型 比 较合理 。对于风筒上 表面三个基本平 面直接拟合 后 的结果如图 3所示。

     CATI A不仅具有良好的曲面拟合功能 ，而且还有 比较完善 的精度控制 和检测功能 。现有的数据模型 不仅是曲面重构的根据，同时也是衡量重建后所 得的 曲面模型质量好坏的标准 。 。为了保证整个模型的 逆向精度 ，在每次拟合完曲面之后 ，可以对其进行 反 复的调整和质量分析。对图3拟合曲面进行精度检测 的精度检测 云图 如图 4所示 。最 大偏差 为 一0．1 45
 mm， 单面拟合精度较高。
 
    对于 自由曲面的构建 ， 应在构建前根据曲面 的边 界和曲率变化对曲面进行合理规划。具体内容包括：
 对点云数据模型的特征线和边界线提取 ， 对曲面的分 块等。CATI A V5提供 了生成 曲线 的多种方式 ，为后 续 的曲面构造奠定 了 良好 的基 础。特征线和边界 的 提取 ， 可以利 用 CATI A 软件 中的 QSR模块来 实现。此外 CATI A中的创成式设计 (Ge ner i c Sha pe Des i gn，GSD)模块 ， 拥有完整的曲线操作工具和基础的曲面构 造工具 ， 不仅可以完成 曲线操作 ，同时还具有扫描 、 边界填充 、 修复 、 拉伸 、 桥接 、 旋转 、 投影和倒角功能。以 风筒上盖的边界线提取 为例 ， 如 图 5所示。同样也可 以对所提取的特征曲线的曲率的连续性 以及它与点云 之间的误差作严格检查 ， 以保证整个逆向重构的精度。 

     钣金件是一种针对通常在 6mm以下金属薄板的 综合冷加工工艺产品，其显著的特征就是同一零件厚 度一致 。在对风筒端盖 的其 中一个表 面进行 高质量 的重构之后，即可通过简单的拉伸偏移来 实现整个钣 金件的设计 。而且对于钣金件 的精度要求一般不高，使用逆向工程则可以快 速地实现保证精度要求前提 下的模型重建 。通过逆 向重构得到了较高精度的风 筒三维模型 ， 如图6所示 ， 对应整体精度检测结果如图 7所示 ， 基本偏差控制在 ±0． 52mm之间 ， 个别区域 因 扫描时点云数据获取不全或者扫描时引人 的坏点 ， 导 致最大偏差较大 ， 但最大偏差 出现的位置为圆孔或者 边缘处 ， 不影响整体精度。所以对 于整个风筒的曲面 重构而言， 具有较高 的精度 ， 符合设计要求。
 


3 结语

     本文运用逆 向工程技术对钣金件风筒进 行 了模 型的逆向重构， 最终得到较高精度的重构数字模型。
 通过逆向工程将 已有三维模型转换为计算机能够识 别的工程设计模型 ， 在吸收先进技术基础上进行再创 新 ， 设计 出适合市场 的产品。从而缩短产 品的研发周 期 ， 降低了产 品的设计成本 ，达到增强企业核心竞争 力的目的。