基于Imageware的玩具汽车的逆向设计

38DIEANDMOULDTECHNOLOGYNO62012文章编号10014934201206003804O基于IMAGEWARE的玩具汽车的逆向设计张慧民苏州工业园区职业技术学院精密工程系，江苏苏州215021摘要利用逆向工程技术和IMAGEWARE、UG相结合，以玩具汽车为原型进行逆向工程的实际应用研究，介绍了逆向设计方法。采用光学系统采集图像，然后通过计算机图像处理技术抽取边缘获得轮廓数字点，利用现有CAD软件处理系统进行三维模型的构建，并对曲面重构这一关键技术进行详细分析，缩短了产品的研发周期。关键词数字化；逆向设计；IMAGEWAREUG；玩具汽车；曲面重构中图分类号TP3917文献标识码BREVERSALDESIGNOFTOYCARBASEDONIMAGEWAREZHANGHUIRAINABSTRACTUSINGREVERSEENGINEERINGTECHNOLOGY，UGANDIMAGEWARESOFTWARETOSTUDYTHEPRACTICALAPPLICATIONOFREVERSEENGINEERINGWITHPROTOTYPEOFTOYCAR，REVERSEDESIGNMETHODWASINTRODUCEDFIRSTLY，IMAGESWERECAPTUREDBYOPTICSANDTHENUSECOMPUTERIMAGEPROCESSINGTECHNOLOGIESTOEXTRACTTHEEDGEINORDERTOOBTAINDIGITALPOINTSFORTHEOUTLINEAFTERTHAT，USECADSOFTWARETOCONSTRUCTTHE3DMODE1ONEOFTHEKEYPOINTTECHNOLOGIESRECONSTRUCTINGTHESURFACEWASDISCUSSEDINDETAILINTHISPAPERWITHTHISTECHNOLOGY，THEDEVELOPMENTCYCLEWASCUTDOWNKEYWORDSDIGITIZATION；REVERSALDESIGN；IMAGEWAREUG；TOYCAR；SURFACERECONSTRUCTION引言逆向工程又称反求工程REVERSEENGINEERING，RE_1，即采用对实物原型或油泥等各类模型进行数字化测量、采样，然后根据测量及采样所得的数据通过三维几何建模方法构建CAD数字模型并实现产品的设计改进、破损零件复制及零件的仿形设计的过程。逆向设计的主要设计流程是利用精密的测量仪器如三次元、激光抄数机等设备对实物收稿日期20120502作者简介张慧民1976一，女，副教授。原型或油泥等各类模型进行三维尺寸的采样及测量。如果用激光抄数机进行采样，由于点云数据过于庞杂，首先要对点云数据进行稀释、去躁点等预处理。其次根据处理的点云提取特征点并构建特征线，拟合曲面从而得到原物体的CAD数字模型。结合快速成型、模具的设计加工或NC编程的加工得到复制品的整个过程为逆向工程。其中，逆向设计的要点是根据光影对曲面进行分割，通过分割的点云构建出曲面片，对这些曲面片进行拼接构成物体的各个面，模具技术2012NO639确保曲面光顺。在逆向设计的过程中应采用正向的没计思路进行逆向设计，即不再是单纯复制出产品的CAD模型，而是应考虑为后续的加工、开模保证可行性。通过逆向设计可以捕捉出正向设计的设计者的想法及构建约束之问的关系。具体正向与逆向设汁结合基本流程图如图1所示。图L逆向设计流程图1零件的逆向工程设计实例根据逆向工程的思路，对零件的逆向设计可以利用一些软件进行，如UG、PROE、CATIA、IMAGEWARE和OEOMAGIC等软件。本文先对机械零件进行测量，通过IMAGEWARE进行构建特征线、曲面建模，然后导入UG，通过UG建模进行实物造型的还原设计。11设计目的由于该零件的图档保存不当丢失，而在后续使用过程中模具损坏，耽误了产品的交货期，需要根据3D图档重新开模，所以需对该零件进行逆向设计。零件分析该零件材质是光面塑料，具有反光的效果，所以进行激光抄数前要对其进行影像效果处理，喷涂显影粉，确保抄数效果。该产品的精度要求为10M，且曲面光滑，片体之间应该连接的精度为小于25M。便于导入UG进行片体缝合。12数据采集及预处理本案例通过特定的测量系统获取零件表面离散点的三维几何坐标数据，这里所采用的测量系统是国内外用于精密测量的由日本生产的柯尼卡美能达RANGE7RANGE5测量系统，该设备的测量精度是40LM。由于实物几何形状、产品边界及测量手段的影响，无论使用何种测量设备进行测量，都不可避免地会产生数据误差或数据缺失，而且RANGE7RANGE5系统由于采用线激光面扫描，单副扫描时间12S，获得3O万点云数据，测量所得的数据量庞大，所以首先要对数据进行去噪、稀释点云等预处理。图2原始点石如图2所示，由于扫描的数据含有大量的杂点且数据比较庞大，运行过程比较慢，所以，必须要对数据进行去除这些杂点或噪点，然后精简点云【一。由于玩具汽车拥有的曲面曲率变化大，本例采用按最终数据点数、按数据点相同的距离、弦偏差法等方法的结合使用对点云进行精简。最后精简完毕的点云模型如图3所示。图3点云模型点云分区的原则是以曲率变化不大的点云为整体，在整个玩具点云分割中，尽量减少点云的数量。以车轮为例，如图4所示，轮面与轮毂的点云曲率差异较大，就分别进行分割构面。图4点云分割在进行构面时，将车轮分成四部分，构成的曲面如图5所示。轮面是一张平面，轮毂通过扫描构建曲面。2个面需要拼接来保证连接精度。13提取特征点图5车轮曲面正向设计在构建物体的三维数字化模型时，通常是先构建二维的一些平面几何图形或曲线，经过扫描、构建四边面、旋转和拉伸等操作形成曲面或实体模型。而逆向设计则是分析实物的零件结构和后续的建模要求，根据实物的结构特征将各个特征的点从总点中分割出来再利用扫描或构建四边面、直纹面等命令的综合运用构建曲面。对于特征点的提取方法要根据物体的形状特点来确定，可以采用对点云数据进行切片的方法，用平面截切点云数据，求出平面与点云数据相交的点集具体特征点如图6所示。图6点云切割通过切片的方法可循到小汽车的各二维截面轮廓特征点。再分析汽车的实际特点需要构建多块曲面，并对其进行不同方位取点。图7是水平方向的特征点。图7水平切割点云14构建特征线在构建特征线之前先对提取的点进行分析，剔除不良特征点，图7中的左侧部分点由于产品在生产过程中变形形成的局部突出，所以为不良点。因此，在构建特征线时，先分析产品的缺陷再根据产品特点提取特征点，然后构建特征线。通常由点云直接拟合成线，尽量保证线条光顺，在拟合特征线时先去除杂点，根据拟合曲线的命令进行曲线的构建。图8中的曲线是根据特征点生成的，由于有杂点，所以拟合的曲线与点之间有误差，这些误差可以不必理会。因为在构建面的时候，需要调整曲面与点云的关系，曲线也需要发生变化。在重构二维截面特征线时见图9，首先从正向设计的意图出发，对截面数据点按照特征进行分段，并确定每一段数据的特征类型。这些组成截面特征线的各段曲线之间应该满足垂模具技术2O12NO641直、相切、共线、尺寸和角度等多种几何约束关系，因此除了满足单段曲线对对应数据点的逼近误差最小外，还要满足各段曲线在满足相互间约束关系的情况下，对数据点的整体逼近误差应最小。图8曲线重构图9曲线及曲面构建图15曲面重构及CAD模型构建自由曲面是逆向设计中的很难处理的部分，大部分曲面是为了产品美观或流线要求。对零件的逆向设计而言，这部分建模关键在于保证公差下的曲面误差和快速的处理速度。对于玩具小汽车而言，用一张曲面来拟合所有的数据点是根本不可行的。因此，根据逆向设计的思路在曲面重构时，通常由点到线，由线到面，先建立主曲面。然后建立过渡曲面，最终获得整个自由曲面。因此，玩具汽车的曲面构建见图9，利用扫描命令扫出曲面，然后根据曲面与点云进行进一步调整。该玩具共由多个部分组成，对于复杂的自由曲面。一般首先按照实物所具有的结果特点将产品的不同区域分为主曲面和过渡曲面，并将测量数据点分割。对于不同的主曲面区域。分别拟合出不同的曲面，然后应用曲面求交或曲面问过渡的方法。构建过渡曲面并与激光抄数取得的点进行比较见图10。图10点云与曲面拟合图最终将不同的曲面连接起来构成一个完的曲面，需要对构建的曲面进行曲面的光顺及曲面与点云的拟合对比。从视觉的角度，要，呆证点云和曲面之间若隐若现，使得跟点效果良好。其中，产品的逆向设除了在视觉上跟点效果良好，也需要保证曲面的质量，曲面要光顺、平滑，曲线的曲率梳应该变化平稳“见图11。可以通过斑马纹等效果观察零件的曲面质量。图11曲军梳通过对每个曲面和点云进行了误差比对分析见图12观测最大误差，通过颜色可以判断出出现最大误差的颜色为蓝色和红色，但是出现的区域及所在的位置分别为蓝色出现在产品的边缘，是由于产品实体的变形导致的，而红色所分布的范围较小是由于具有杂点可以忽略不计。因此，建模后产品的误差是35“M，满足逆向设计要求的10FFM，此产品的误差满足要求。图I2误差分析图下转第6O页60DIEANDMOULDTECHNOLOGYNO62012参考文献1王荣滨模具钢气体渗碳质量与缺陷分析及措施J模具制造，20051271732邓春明，刘敏，周克崧，等超音速火焰喷涂涂层的摩擦磨损性能研究J表面技术，2007，36122243范会玉化学复合镀镍磷聚四乙烯碳化硅的研究D哈尔滨哈尔滨工业大学，2002E4彭文屹，张德元TIN涂层的性能及其对冷挤压模寿命的影响J材料保护，1999，32826275林松盛，代明江物理气相沉积PVD硬质薄膜及在工模具上的应用J模具工程，2006，126367E6张叶成，张津PCVD技术在模具强化中的应用与进展J模具工业，2008，34264677ZHAOTIEJUN，ZHAOMINGYANG，ZHAOWENZHENPLASMAARCSURFACEHARDENINGROBOTTECHNOLOGYJJOURNALOFXIAMENUNIVERSITYNATURALSCIENCE2002，41S1I718JIANGJINGHUA，JIANGJIANQINGAPPLICATIONOFLOWTEMPERATURELIQUIDSULFURIZATIONCATALYZEDWITHRAREEARTHONCRL2IMPACTINGDIEJJOURNALOFRAREEARTHS2007，254220226上接第41页将曲面导入UG软件进行造型分析嘲，对片体缝合或偏体增厚来生成实体。经生成的实体，运用MOLDWIZARD模块进行注塑模具设计见图13。图L3玩具汽车产品实体图2逆向过程中出现的问题及解决方法1抄数时遇到了比较棘手的问题是零件是金属质感且零件外观很少存在平面，当多角度扫描点云后拼合时易出错。因此，抄数前应准备喷洒显影剂解决反光带来的问题。同时在表面进行贴合标志点，为后续点云拼合做准备。2由于该零件的曲面在IMAGEWARE中完成的，因此，导人UG软件后容易遇见的问题是缝隙过大无法缝合成实体。解决这一问题的方法是可以在UG软件中重新裁剪并补面进而实现缝合成实体。3零件在构建过程中遇到渐消面的处理，对设计提出很高的要求，设计者能够在渐消面的衔接处达到自然过渡，拼接面要能满足公差要求。如果不能达到要求需要重新补面，多个面拼接无缝隙。3结论在缺少零件图档的情况下，结合IMAGEWARE与UG软件，成功地完成了玩具汽车的逆向设计。避免了数据处理和3D造型设计软件之间数据传输过程中数据丢失及失真等问题。简化了模型的设计难度，为模具设计提供了3D模型，方便了坏损模具的制作及修复，缩短了开发