挖掘机斗齿的反求设计研究.doc

挖掘机斗齿的反求设计研究机20051 李乐 指导教师 王春香摘 要：本文主要针对实际生产中的挖掘机斗齿进行了逆向的研究。并且详细阐述了整个逆向的技术路线，从挖掘机斗齿的实物到工程图的生成，介绍了常用的三维测量仪器及针对斗齿的测量方法，并且分析了一般挖掘机斗齿的外形特点及相关参数。在对逆向过程的研究中，提出了一条针对斗齿的较为高效的反求路线，即从特征提取的方法入手，以三维模型的建立为主要目的提取关键形状的特征线，之后再将特征提取的结果用于三维建模软件中的模型重建。本文中描述的斗齿逆向路线已经在实际生产中实践，并且取得了较好的效果。一定程度上对斗齿逆向研究的后续设计做了铺垫。关键词：挖掘机斗齿；逆向工程；三维扫描；特征提取；参数化建模Abstract: This paper has made a research of excavator bucket teeth reverse engineering. And described in detail the technical route of the reverse engineering, excavator bucket teeth from the physical to the generation of engineering drawings, Introduced the commonly used three-dimensional measuring instruments And for the measurement method of the excavator bucket teeth, and analysis of the general shape of an excavator bucket tooth characteristics and relevant parameters. In the research process of reverse engineering, there made a more efficient Reverse route of the bucket teeth Reverse engineering. That is, from feature extraction method start, to three-dimensional model as the main purpose extract the key features of the line of the shape. Then after the results of feature extraction for the model reconstruction in the three-dimensional modeling software. Described in this paper, Bucket Tooth reverse route has been in the actual production practices, and achieved good results. A certain extent, reverse gear on the excavator bucket of the follow-up study designed to pave the way done.Key words: Excavator bucket teeth; Reverse Engineering; Three-dimensional scanning; Feature Extraction; Parametric Modeling1. 引 言此次设计的主要研究对象是针对挖掘机斗齿做逆向设计，借此研究用于改善挖掘机斗齿的使用寿命。研究对象和背景：由于挖据工作对于铲斗来说功过受力及磨损都相当严重，有些时候斗齿的使用寿命只有6个小时，磨损严重时斗齿的体积会磨损1/3以上。综合考虑磨损原因，对其影响最重要的原因是斗齿的材料原因及斗齿的形状，为了改进斗齿的性能并应用到生产，斗齿的实物逆向是要做的第一步。该逆向过程借助三维测量仪器及逆向工程软件生成数字化模型，目标是满足其外形尺寸、形状要求及配合面精度要求，即外形尺寸和实物对比差距不大于1.52mm，能够和现场铲斗正确装配并且至少达到原工作寿命。目前国内外对此类逆向的研究并不多，本设计的研究属于较新的内容。该设计的技术路线：检测系统使用三维激光扫描仪。该扫面仪具有高效高精度等特点。基于实体特征的特征线提取。该处理过程主要提取对象是实体的特征线，通过对点云降噪，自由曲线拟合，标准形状的拟合的路线找到与实际形状最接近的规则特征线。考虑斗齿模型的正向设计。斗齿的设计离不开它的工作要求及工作环境等因素，对于模型的设计，应注重考虑它的形状对其工作性能的影响。针对不同的挖掘对象（如沙土，矿石，煤，鹅卵石等）应考虑其主要形状，如尖状齿尖或扁平形状等。并且考虑其工作强度在适合的位置放置板筋。同时考虑到制造的工艺过程，对于铸造生产，还要考虑其形状的热变形，在模具设计时应重点考虑。基于点云以正向建模的思路对模型重建。实物的逆向工程中药根据处理后的点云和取得的信息重建实物模型。本文中提出了一个简单而高效的实物逆向的方法，即通过扫描取得三维点云数据后，对特征特点进行判断，提取特征的主要形成要素，利用这些要素通过正向建模的方法重建实体。2. 挖掘机斗齿的逆向研究本章中详细的介绍了挖掘机斗齿的特点，并针对其外形做了详细的特征提取的方法描述，最后针对特征进行模型重建。2.1 斗齿的外形特点及工作要求 图1斗齿的外形斗齿的外形分为两部分，外表面特征和内表面特征。外表面的基本形状都是由直线，平面，或者是扫描生成的曲面。斗齿的头部一般有扁平的和尖状的。布置方式有单一形式的、上下布置的和左右布置的。部分斗齿设有肋柱，肋柱的分布一般是在齿身的中间或两边，且有上下侧布置或仅单侧布置，有些与齿面之间有较大的圆角。斗齿的安装方式一般都是内腔装套或直接卡装。具有内腔的斗齿一般都是用销钉与铲斗连接，销孔常布置于齿跟的上下侧或左右侧，销钉通常为圆形和扁平形状。卡装方式也有使用销钉的固定。由于固定和使用要求，内腔的形状一般都是锥形。挖掘机铲斗的齿尖主要作用是挖掘过程中的对象破碎、疏松，是整个机构中工作受力较大、磨损最严重的部分，所以对斗齿的强度及耐磨应有较高的要求，有特殊要求时，还要使用高强度材料贴敷到斗齿表面。2.2斗齿外形的扫描由于斗齿铸造时形状误差较大，有时候难以确定形状特征的分界。三坐标测量仪是接触型的，用它测量的主要目的是取得特征上某点的坐标。而对于铸造的斗齿，显然在测量时会耗费大量的时间，而且它的测量精度可以达到0.001mm甚至更高，在没有特殊要求时尽量避免使用。根据此斗齿的总长（250mm以上）和GB/T 6414铸造公差等级可知，此斗齿的尺寸误差一般只能控制在0.5mm左右，三维激光扫描测量仪完全可以满足精度要求。2.3扫描数据的特征提取对于扫描得来的散乱点云，需要有一个完整可行的处理方法，本节将详细的介绍使用Imageware软件对后面的图2中的斗齿的测量点云的处理过程。图2斗齿的点云特征的精确定义往往由问题或者应用类型决定。在这里它指的是使用测量得到的信息，决定每部分的形状是否属于一个标准特征。特征提取的结果是把所拥有的数据分为不同的子集，这些子集往往属于孤立的点、连续的曲线或者连续的曲面等区域。在点云的处理中，特征提取的目标一般为不同类型的曲面的划分，扫描特征中的截线与导动曲线的提取，面与面之间相交的边(如直线、园等规则图形)的提取等。1） 点云的预处理首先，刚从三维激光扫描仪测得的点云是Scanworks系统专用的bin格式的点云，为了可以在其他各个软件中通用，要将格式转换为iges格式。其次，扫描过程中会不可避免的扫描到斗齿以外的物体，所以要根据斗齿实物的外形，将不必要的点数据去掉。最后，由于激光扫描仪的测量速度快，扫描效率高，扫描到的点的数量庞大，一般都在几百万个点以上，而且便携式扫描的手动操作重复点较多，处理前必须对点云进行过滤，去掉大部分意义不大的点。在Imageware中，提供了三种点精简的方式：1）平均取样；2）空间距离过滤；3）弦高过滤。在此，使用空间距离过滤即可，并且根据制造精度，最小距离选0.5mm较为合适。理由是假设两个面仅单纯的相交，根据制造误差，如果相交位置有过渡圆弧，可以保证的最小圆弧半径必然要大于0.5mm。所以使用0.5作为最小过滤间距不会丢失特征信息。2） 特征的提取形状特征的提取中首先需要对要处理的点云进行区域的分割。对于一些形状精度要求较高或形状较为特殊的外形，通常需要手动做出提取特征的方法。其次进行约束的重构。参数化特征造型技术一般遵循二维到三维的原则，并经常将某些具有代表性的平面凡何形状定义为特征，进而通过拉伸、旋转、扫掠、蒙皮等操作形成曲面或实体并以此基础来进行复杂几何形体构造。对这种由拉伸、旋转、扫成、蒙皮等特征构成的产品进行反求工程CAD建模，首先要基于测量数据提取用于产品设计的截面形状特征，并基于重建截面形状特征应用拉伸、旋转、扫掠、蒙皮等特征设计手段进行反求工程CAD模型重构。基于重构截面形状特征进行复杂实体造型可再现参数化产品设计过程及造型特征参数，因而是与产品设计意图最一致的反求工程CAD建模路线。截面形状特征约束重构可分为三个步骤实现：a) 截面数据获取。截面数据是重构截面形状特征的数据来源，不同测量设备采集数据的组织方式不同，获取截面数据的方法也就不尽相同。对散乱点云数据我们用点云切片的方法获得截面数据。b) 平面离散曲线分段。截面数据经常包含了多张曲面的平面形状特征曲线，即使同一平面形状特征也经常是分段设计的，即平面形状特征往往是直线、圆弧、椭圆、样条曲线等基本平面几何单元(反求底层提取特征)的组合。因此，在截面形状特征重构时需要按照设计意图将截面数据分为多段分别处理。c) 截面分段曲线整体约束逼近。组成截面形状特征的各段曲线之间不是简单的组合，而是满足垂直、平行、相切、尺寸与角度等几何约束关系的复合。由于产品制造误差、磨损及测量噪声的影响，分段逼近的曲线之间往往不能满足这些几何约束关系。为了再现特征曲线之间固有的几何约束关系，截面形状特征重构不能单纯追求组成它的单段曲线对测量数据的逼近误差最小，而应该是分段特征曲线在满足特定约束关系下对测量数据的整体逼近。3） 基于软件的特征提取软件的特征提取，方法更为灵活。l 数据的分割。数据局的分割主要是要从点云中挖出要处理的部分，对于特征形状较难判断的点云，在Imageware中提供了很多高级的方法以便于对点云数据进行分割。1）构造小平面，通过对每3个点创建一个三角平面直至扩散到整个点云，初步生成整个曲面，添加光源之后可以直观的判断形状边界；2）点云曲率着色，通过计算点间的弦高对点云着色，通过不同的颜色可以看出曲率的差别。l 建立坐标系。由于刚测量到点云没有定义合适的坐标，必须先确定一个适合处理的该点云的坐标系，建立坐标系的方法有很多，如通过三点确定两轴的平面或通过取某曲面的某点位置上的法向作为某轴的方向等。对于斗齿，可以用平面逼近较为平整的点云面或使用直观上较为对称的两块较平整的点云，这样寻找到两个平面即可建立坐标系，如果平面难以寻找可以通过使用标准形状对销孔形状的逼近或对其它形状突出的部分进行主要特征点的寻找。建立坐标系后可以方便的通过标准方向观察点云几其他形状。l 寻找特征线。在关键截面位置对点云进行切片采样。切片采样通过截面两侧一定厚度范围内的点的连线与截面的交点作为采样点。对于斗齿这样外形较为规则的铸造件，可以以寻找形状的特征线作为主要的点云处理路线，根据实体正向建模的路线，寻找对应的特征线及尺寸。重要特征的取得路线如下：1. 主体特征。取得斗齿整体的轮廓形状，作为第一次生成的基特征，至少要从两个相互垂直的方向提取特征线才能包括完整的轮廓。有时，因为表面的形状问题，需要多次截取，最后将点云合并处理，合并的方式可以是直接偏移点云，或将点云投影。2. 肋板特征。需要通过肋板的截面取得肋板的厚度，并且取得肋板周围的形状及位置。3. 销孔特征。如果销孔为圆孔，则提取其直径和轴心位置。如果是其他图形，则截取孔的截面线，并在另一相对截面的垂直方向提取扫描线。4. 内腔特征。首先根据内腔的形状，分别分析内腔中的每个面的形状特点，然后针对其特点找出面的主要特征线，对于这类产品，拟合面的方式遵循平面柱面自由曲面的顺序，如果最终只能使用自由曲面，则直接保留曲面。5. 其他特征。根据实体建模需要的基本特征提取其必要的信息。l 使用自由曲线对截面的采样点进行拟合，根据曲率分段。曲线的拟合尽量接近切片点云的形状。对拟合出的曲线进行曲率分析，通过曲率显示的结果判断特征的主要性质。 l 分别针对分块的点云使用常规图形进行逼近。逼近过程中要注意点云与逼近后图形的偏差，如果逼近效果不好，则需要重新对点云的曲率进行判断。l 修整拟合后的曲线段。由于误差等原因，寻找出的特征线之间可能不会构成满足要求的约束，如相切、垂直、相交等，并且考虑到可能出现信息的缺失，在形状上应进行整体的调整。该步骤一般放在建模软件中在建模之前处理图3特征线提取的结果2.4参数化建模及基于提取特征的斗齿模型重建三维建模中不同的建模方法对建模的效率影响各不相同，目前使用最普遍的建模方法就是参数化建模。PTC公司（Parametric Technology Corporation）的主要代表产品Pro/ENGINEER将参数化设计思想发挥到了极致，所有特征的相关性和模型的统一性使参数化三维设计更易于发挥。1） 复杂三维模型的构建目前的CAD市场上，对于这类复杂的三维模型的创建有两法方法。第1种方法是布尔运算，这种方法是通过对一些基本的三维模型做布尔运算（并、交、差）形成的。布尔运算方法的优点是，造型能力强，无论什么样形状的实体模型，它都能创建；但这种方法的缺点也有不少：A）用CAD软件创建的三维模型都要进行生产、加工和装配，来获得真正的实物（即产品）。所以CAD软件在创建三维模型时，从创建的原理、方法和表达方式上，应该有强烈的工程意义。但布尔运算从创建原理到表达方式上，工程意义不是很明确，因为它强调的是点、线、面、体这些没有什么工程意义的术语。b）这种方法的图形处理计算非常复杂，需要较高配置的计算机硬件。第2种方法是“特征添加”的方法。这是由PTC公司较早地提出来的，并将它运用到Pro/ENGINEER软件中。“特征”或“基于特征”这些术语目前在CAD领域中频频出现。在创建三维模型时，这是一种更直接，更有用的表达方式。对于“特征”的定义多种多样：1）“特征”是表示与制造操作和加工工具相关的形状和技术属性；2）“特征”是需要一起引用的成组几何或者拓扑实体；3）“特征”是用于生成、分析和评估设计的单元；一般来说，“特征”构成一个零件或者装配件的单元。虽然从几何形状上看，它包含作为一般三维模型基础的点、线、面或者实体单元，但更重要的是，它具有工程制造意义，也就是说，基于特征的三维模型具有常规几何模型所没有的附加的工程制造等信息。2） 基于特征的Pro/ENGINEER三维建模Pro/ENGINEER是基于特征的全参数化软件，其创建的三维模型是一种全参数化的三维模型。“全参数化”有三层含义，即：特征截面几何的全参数化、零件模型的全参数化、装配组件模型的全参数化。截面的全参数化是指Pro/ENGINEER自动给每个特征的二维截面中的每个尺寸赋参数并排序，通过对参数的调整即可以改变几何的形状和大小。每一个截面二维图都有自己独立的编号。零件的全参数化是指Pro/ENGINEER自动地给零件中特征间的相对位置尺寸、外形尺寸赋参数并排序，通过对参数的调整即可改变特征间的相对位置关系、特征的几何形状及大小。基本特征的全参数化三维建模的优势在于，同一零件的特征，在任何一处被改动后，所有的其他地方都会随之发生相应的改变，也就是说，整个工程是完全相关的。例如，在工程图中更改尺寸后，其零件图、装配图等中的尺寸也会发生相应的改变。3） 基于提取特征的斗齿模型重建对于斗齿的模型重建可以依照下面的路线：a）建立平面。在之前的特征提取中可以专门为后续的建模提供以下必要的信息，如根据建立的坐标系创建以下平面或直线。然后在实体建模软件中根据专门留下的必要信息或某些主要的截面线建立标准平面。b）绘制草图。根据已经导入的特征信息，创建草图，并且将特征线作为草绘参照绘制出必要的轮廓图形。c）生成实体特征。根据提取的特征属性，使用拉伸、扫描等方法将草图生成实体特征。d）完成其他特征或信息，如圆角，关键位置的截面等。 图4斗齿模型重建的结果3. 斗齿三维模型的实际应用通过斗齿的逆向生成三维模型后，可以进一步生成模具模型或生成工程图以供工厂生产使用。模具的生成可以使用Pro/ENGINEER作进一步的处理，工程图的生成可以将三维数据导出到二维图纸。1）工程图的生成在Pro/E中完成三维模型的重建之后，应该考虑生成工程图的布局，并且考虑到需要截面视图的时候，应根据视图方向建立用于生成截面的基准平面。虽然在Pro/E的图纸操作中可以进行图纸编辑，但是它的尺寸标注没有达到AutoCAD的人性化程度，而且在工程图中需要简明的表达，此时推荐将已经布置好视图的工程图导入到AutoCAD中进行编辑，AutoCAD提供了比Pro/E更全面的平面绘图功能。从Pro/E的工程图转到AutoCAD中需要处理的内容：1）删除不必要的线条；2）修改线条特性；3）增加尺寸标注；4）完善工艺信息。从这里也能看出，工程图不仅要表达工件的形状尺寸特性，还要表达工件生产的工艺特性