（机械制造及其自动化专业论文）混合建模的国产化配件的快速创新设计.pdf

摘要 摘要 机械零部件特别是具有复杂曲面的进口零部件在使用过程中因磨损、断裂、 腐蚀等原因，以及人为因素发生失效而需要维修或更换。对可以修复的零件， 传统的维修检验方法效率低、精度差，无法有效地指导零件修复。因此研究具 有复杂曲面的失效零件的3 d 检验方法对零件修复具有重要意义。利用3 d 检验指 导零件修复，关键是要获得零件的数字化模型。本文研究利用正、逆向混合建 模方法对失效的具有复杂曲面的零部件进行建模，为3 d 检验提供数字模型来指 导零件修复，以及为生产配件提供数字模型。本文研究内容包括几个方面： 1 ) 国产化配件特征和约束研究。对失效零件进行了分类，对其可修复性进 行了讨论，并研究了失效的复杂零件特征和约束。 2 ) 国产化配件复杂曲面零件数字化过程研究。阐述了失效的复杂曲面零件 数字化关键技术，并对数据补齐进行了研究。 3 ) 国产化配件复杂曲面几何模型重构与质量评价的研究。研究了复杂曲面 模型的重构方法；失效零件模型重构、重构模型的评价以及基于3 d 的修复零件 检验。 4 ) 正、逆向混合创新设计体系的研究。研究了复杂曲面零件混合建模体系、 流程；并对基于参数化及再设计进行研究。以i m a g e w a r e l 2 1 及u gn x 4 0 为平 台完成几类典型失效零件的模型重构，验证其可行性和适用性。 关键词：失效零件；复杂曲面；特征与约束；混合建模；3 d 检验 a b s t r a c t a b s t r a c t m e c h a n i c a lp a r t sw i t hc o m p l e xs u r f a c e s ，e s p e c i a l l yt h ei m p o r tp a r t sa n d c o m p o n e n t si nt h eu s eo ft h ep r o c e s so fw e a r ，f r a c t u r e ，c o r r o s i o na n do t h e rr e a s o n s ，a s w e l la st h ef a i l u r eo fh u m a nf a c t o r sh a p p e n e dw h i l et h en e c e s s a r yr e p a i ro r r e p l a c e m e n ti sn e e d e d t h em e t h o d so f t r a d i t i o n a lp a r t sr e p a i ra r ei n e f f i c i e n t ，p o o ri n a c c u r a c ya n dc a nn o te f f e c t i v e l yg u i d et h ep a r t sw h i c hc o u l db er e s t o r e dt or e p a i r t h es t u d yo ff a i l u r ep a r t sw i t hc o m p l e x3 dp a r t st e s t i n gm e t h o d sh a sg r e a t s i g n i f i c a n c e t og u i d et h eu s eo f3 di n s p e c t i o nr e p a i rp a r t s ，t h ek e y i st oo b t a i nt h e d i g i t a lm o d e lo fp a r t s i nt h i sp a p e rw er e s e a r c hp o s i t i v ea n d r e v e r s em i x e dm o d e l i n g m e t h o dt or e b u i l df a i l u r ep a r t sw i t ho f c o m p l e xs u r f a c em o d e l ，3 dd i g i t a lm o d e lt e s t i n g t og u i d et h ep r o v i s i o no fr e p a i r e dm o d e l ，a sw e l la st om a n u f a c t u r i n go fp a r t s i nt h i s p a p e ri n c l u d i n gf o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 ) d o m e s t i cf i t t i n g sc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n s t r a i n ss t u d y p a r t so f t h ef a i l u r ec a l t y o u tt h ec l a s s i f i c a t i o n ；i t sr e p a i r a b l ei sd i s c u s s e d ；s t u d yt h ef a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n d c o n s t r a i n t so fc o m p l e xp a r t s 2 ) d o m e s t i ca c c e s s o r i e sc o m p l e xs u r f a c ep a r t so ft h ep r o c e s so fd i g i t a l i z a t i o n s t u d i e s d i s c u s st h ek e yo fd i g i t a lt e c h n o l o g yo nf a i l u r ec o m p o n e n t sw i t ht h ec o m p l e x s u r f a c e ，a n dr e s e a r c ht h ed a t ac l o u dt ob er e p a i r e do ff a i l u r ep a r t s 3 ) d o m e s t i ca c c e s s o r i e sc o m p l e xs u r f a c eg e o m e t r ym o d e lr e c o n s t r u c t i o na n d q u a l i t yo fe v a l u a t i o ns t u d i e s s t u d yo nt h ec o m p l e xs u r f a c em o d e lr e c o n s t r u c t i o n m e t h o d s ；f a i l u r ep a r t sr e b u i l d i n ga n dr e p a i rp a r t sm o d e le v a l u a t i o no fs m o o t h i n g r e p a i r e dp a r t sb a s e d o nt h e3dt e s t 4 ) f o r w a r da n dr e v e r s et h em i x e ds y s t e mo fi n n o v a t i v ed e s i g ns t u d i e s s t u d i e d t h ef a i l u r ep a r t sm i x e dm o d e l i n gs y s t e m ，m i x e dm o d e l i n gp r o c e s s ；t h ep a r a m e t e r so f r e - e n g i n e e r i n gr e s e a r c h b a s e do ni m a g e w a r e 12 1a n du gn x 4 0a sap l a t f o r mt o c o m p l e t et h em o d e lr e c o n s t r u c t i o no fs e v e r a lt y p e so ff a i l u r ep a r t s ，v e r i f yi t sf e a s i b i l i t y a n d a p p l i c a b i l i t y k e y w o r d ：f a i l u r ep a r t s ；c o m p l e xs u r f a c e ；c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n s t r a i n t s ；m i x e d m o d e l i n g ；3 di n s p e c t i o n i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：解砗彩签字日期：炒尸年月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：饵传矽 导师签名：卅孩形于杉 气 。 签字日期：加，年月j 罗日签字日期：少年月- s 日 一| 第1 章绪论 第1 章绪论 机械产品在使用过程中，某些零件因磨损、断裂、腐蚀等原因，以及人为 因素发生失效。为恢复机器的性能，对于失效的零部件有两种处理方法：1 ) 配 件更换；2 ) 局部失效修复。对前者往往由于机器的使用年限，维修费用和时间 性等问题造成一件难求，即没有配件可以更换，只能自己制造配件。当有大量 的设备都存在这样的问题，如进口的汽车、机床等，就需要批量的制造配件， 也即配件的国产化制造。对后者传统的维修方法是，对结构规则的零件如轴类、 缸体类零件、一般主要通过使用卡钳、游标卡尺、千分尺、百分表、量规等进 行维修检验，可以满足实际要求；而对于可以实现标准尺寸修复的具有复杂曲 面的失效零件，一般主要借助样板、木模【l 】、专用检具等进行维修检验。样板、 木模等检测手段不能对零件空间曲面形状做出全面评价，因而无法有效地指导 零件维修。随着扫描设备和相应检测软件的发展，通过点云与c a d 模型进行对 齐的3 d 全尺寸检测方法得到广泛的应用，可以将零件的三维数模与其失效后点 云进行3 d 对齐、比较，直观地显示零件失效部位的待修复量，来准确地指导零 件修复i 引。运用基于3 d 对齐的方法进行维修检验；无法修复的进口零件进行配 件更换，得到零件的数字模型是实施维修检验或配件更换的前提，因此，本文 研究失效零件的模型重构方法。 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 工程背景 失效零件的修复或更换是保证产品正常使用的重要条件，搞好维修不仅可 以延长零件的使用寿命，节约资源、能源和资金，甚至可以通过利用新技术进 行改造，使其再利用【3 】，以解决进口配件难的问题。随着产品结构的日趋复杂， 维修手段的不断提高，产品维修检验成为一个急需提高的领域，如何优质、高 效、低成本地完成维修任务，已成为摆在广大工程人员面前的重要课题。 失效的具有复杂曲面的零件如：风扇、涡轮叶片、螺旋桨、模具等，如图 1 1 所示。传统的制造检验方法是利用专用样板 4 1 、检具等对零件的形状、轮廓、 孔位等进行迅速、直观地检测，但缺乏精确定量的偏差描述，因为检具仅有数 第1 章绪论 量有限的断面规，只能对关键的截面进行检验，而且这些检具只存在于生产厂 家；汽车、摩托车覆盖件模具的制造检验使用接触式三坐标测量机它具有较 高的检测精度，但探头对不规则曲面的半径补正相当困难，因而检测效率低； 对产品使用单位而占，在缺乏专用检具的情况下，如何指导可实现标准尺寸修 复的复杂曲面失效零件的快速、精确修复：不能维修的零件，以及由于使用寿 命而需要更换的配件，在无法得到配件的情况下，如何快速重构零件的c a d 模 型，从而快速加工出替代零件予以更换。基于这些问题，本文研究失效零件的 建模方法，在光学扫描获取零件点云的基础上，运用逆向工程和正向工程相结 合的建模策略，还原零件的特征及约束，尽可能按照原设计思路来建立零件完 整的数字模型，然后利用逆向工程中的数模与失效零件的点云进行3 d 对齐”l ， 比较出零件失效部位的待修复量，以便于选择适当的维修方法，从而快速、高 效的完成零件精确修复；同时，利用数字模型可咀制造出无法修复零件的配件， 以及由于超过使用年限的配件予以更换，以保证设备的正常使用。 匿鬻瓣 酗11 复杂曲面失效零件 1 i 2 课压来源 上饶市工业科技项目“异型机械配件国产化快速创新设计” 1 1 3 课匿意义 研究利用正、逆向混合建模方法对具有复杂曲面的失效零部件进行建模具 有以下重要意义： ( 1 ) 为通过3 d 检验的方法指导零件修复提供标准参考模型 基于3 d 对齐是将标准数模与失效零件扫描点云进行比较，把它们之间的差 异，以彩色图和对应的数据直观的显示出柬，帮助维修人员选择合适的维修手 段，而且可以在维修后进行质量检验，是对传统的维修检验方法改进和完善。 第1 章绪论 ( 2 ) 为快速加工替代零件提供模型 当零件由于修复困难，修复费用过大，超出使用年限等原因，不适合修复 时，如果可以重构出其三维模型，则可以快速加工出替代零件以保证产品的正 常使用，从而延长了产品寿命。同时，还可以实现复杂零件的国产化【6 1 。 ( 3 ) 为实现零件国产化创新设计提供了方法。 基于特征、约束的混合建模方法为逆向建模提供了一个明确的建模路线， 在基于特征进行点云数据分块的基础上进行特征参数提取，然后通过特征之间 的约束完成实体建模。有利于进行零件c a e 分析，为零件改进设计带来方便， 还可以对传统的汽车零部件的设计方法，借助该技术进行改造改进，在吸收消 化的同时实现民族产品的自主创新。 ( 4 ) 全尺寸检测理念的应用 点云与c a d 模型进行3 d 对齐的全尺寸检测理念得到广泛的应用，有利于 实现测量技术实现高速化、高效率化和高精度化，是现有检验方法的补充。 1 2 相关领域发展现状 1 2 1 失效零件修复几何量检验技术 零件修复检验与生产检验基本相同，但是也有区别，对生产企业而言，他 们有与设计相关的资料，并且可以运用先进的检验手段来保证产品质量满足设 计要求，常用的测量手段有：直尺、卡尺、百分表、投影仪、测量机器人、三 坐标测量机等，例如：用齿轮专用检测仪检验齿轮、凸轮专用检测仪检验凸轮； 用手工靠模测量法、接触式叶片测量法和非接触式叶片测量法检测叶片【7 】；采用 光电经纬仪对具有复杂曲面的水轮机转轮叶片进行加工检验【8 】；汽车生产厂家使 用目测、专用检具等手段检验覆盖件零件；用三坐标测量机对具有复杂曲面的 飞机零件进行抽样检验【9 】。目前，各种三坐标测量机已成为国内外制造企业主要 的检验手段，美国、德国、日本等汽车工业高度自动化的国家均已开始采用在 线检测设备，高效快速地反映产品质量问题。 对使用或维修单位而言，一般没有设计相关的资料，其检验主要依靠传统 的检验手段。例如，在水轮机叶片研究开发、制造及维修等方面主要借助叶片木 模副1 0 j ，叶片失效后，依据木模及经验进行修复。随着三坐标测量机、扫描仪、 便携式扫描仪、激光跟踪仪、光电经纬仪技术的不断发展与进步，检测技术向 3 第1 章绪论 非接触、高速度、高精度、高适应性、数字化、自动化方向发展，使得现代测 量技术不断提高。 1 2 2 正向工程技术 正向工程是指新产品设计起源于由功能需求产生的概念设计，再进行详细 设计，最终建立完整的c a d 模型，继而进行分析、制造的过程。正向工程中的 c a d 技术具有参数化特征，并支持特征建模，为产品系列化设计带来了便利。 随着工业技术的提升以及经济的发展，任何通用性产品在消费者高品质要求之 下，功能上的需求己不再是赢得市场竞争力的唯一条件，产品外观成为吸引消 费者注意力的重要因素，通常设计师以手工方式塑造出模型，如木模、粘土模、 蜡模等，然后建立产品的数字化模型，但是正向软件对此类自由曲面建模能力 差，不能满足使用要求，现在的c a d c a m 系统已经集成了逆向模块，以这种 方式弥补正向设计软件曲面造型能力的不足，提高了建模的效率，缩短产品投 放市场的时间，提升了企业竞争力，但是，现有c a d 软件集成的逆向模块对非 接触式测量的点云处理困难。正向工程一般流程如图1 2 所示： 图1 2 正向工程一般流程图 1 2 3 逆向工程技术 在工程应用领域，逆向工程也称反求工程或反向工程【1 1 1 ，是根据已存在的 产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，并在此基础上对已有的产品 进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。目前，国内外有关逆向工程 的研究主要集中在产品几何形状的逆向，即由实物测量到重建产品原型的数字 模型的过程，它以构造满足一定精度和光顺性要求的几何模型为目的，经过了 基于特征的逆向工程c a d 建模，发展到以反映原始设计意图和支持产品创新设 计为目的的逆向工程c a d 建模。当前，逆向工程重建方法的缺陷在于组成模型 的曲面片不易修改，难以实现产品的创新设计。逆向工程一般流程如图1 3 所示： 4 第1 章绪论 一快速原型卜叫产品，模具l l 实物样件h 二维数据获取h 数据处理h 巫堕卜 l - - tn c 代码l 图1 3 逆向工程一股流程 逆向工程的优势在于复杂自由曲面的设计，随着全球市场竞争的加剧，逆 向工程技术被放到大幅度缩短产品开发周期【1 2 ；”】提高企业竞争力的重要位置。 出于市场的需要，逆向工程的研究取得了明显的进步，但在实际应用中仍需过 多的人工干预，依赖操作者的经验和素质，而且，要建立实体模型还需要借助 c a d c a m 技术。 逆向工程应用于工业领域：用于缩短产品开发周期，降低设计成本特别是 形状复杂的物体或自由曲面组成的物体，例如：飞机、汽车、摩托车、家用电 器、模具等。具体应用可以分为以下几类：【1 4 】1 ) 起源于物理模型的新零件的设 计；2 ) 对无法得到图纸的现有零件的复制，并直接快速生成s t l 模型，用于 快速成型( r p m ) 或模具设计。3 ) 缺乏供应的磨损、损坏【1 5 ；1 6 】零件的还原；当 零件损坏或磨损时，可以直接采用逆向工程的方法重构出c a d 模型，对损坏的 零件表面进行还原和修补，由于被测零件表面的磨损、损坏等因素，会造成测 量误差，这就要求逆向工程系统具有推理和判断能力，例如，对称性、标准尺 寸、平面间的平行和垂直等特性，最后重构出零件模型。这是由实物逆向推理 出设计思想的一种渐近过程。4 ) 对现有产品的局部修改；5 ) 产品的检测、检 验。例如，产品生产质量检验，维修检验( 产品的变形、焊接质量等) 。 逆向工程在零件修复中的应用：关于磨损或损坏零件修复的研究文献不多， 刘军、王荣霞等【l7 】研究了借助制品运用逆向工程修复受损的模具；龚振宇、刘 彦普等【1 8 】研究了将逆向工程用于缺损颌骨的修复；韩磊【1 9 】研究了逆向工程在压 铸模合模线处有变形时的模型修复方法；王艳萍、胡金星f 2 0 】运用逆向工程翻新 模具，讨论了经常遇到的模具磨损问题的解决方法：一是修修补补，二是对磨 损严重的模具进行重新制造；b a g i c 2 l 】研究了逆向工程在破损和磨损零件修复中 的应用；阮景奎、柯映林等【2 2 1 研究了汽车车身模具的数字化快速修复技术。 存在问题：没有形成统一的模型重构方法，对模型重构缺乏实际指导意义。 5 第1 章绪论 1 2 4 混合建模技术 混合建模顾名思义就是将正向设计和逆向设计结合起来，充分利用两种设 计方法的长处和优势，加快建模速度。正向工程的优势在于能够通过特征造型 和参数化设计进行实体造型，对零件特征、设计尺寸的编辑比较简便，但编辑 修改自由曲面非常困难。逆向工程的优势在于复杂自由曲面的设计和点云的强 大处理功能，提供了自由曲面重构、编辑、修改功能，但是，逆向工程要还原 原始设计参数，分析设计者的设计思想，并在此基础上进行创新设计，必然要 以正向设计的思想来分析要逆向的实物。因此，把二者结合起来，从正向设计 的角度分析实物样件，利用两者的优势快速重构出支持改进设计的数字模型。 混合建模的研究现状：邢西哲、朱天宇等【2 3 】提出，对机械类产品设计而言， 对能够确定的或可以精确表达的设计对象，用正向设计思想方法得到设计表达 式。对于不便精确表达的某一具体零件，可根据样品( 无样品时可根据初步的参 照模型) 、实际测量模型，得到曲面数据点集，然后在高端c a d 软件上通过曲面 造型实现三维建模，再进行比较、修正，逐步精确细化，得到设计对象的三维 表达式，综合应用正逆向设计方法，使设计问题得到解决的正逆向混合设计思 想。陈云、方明伦等 2 4 1 提出的正、逆向混合建模设计方法的主要思路为：采用 光学扫描系统获取实物模型的外部点云数据，经s u r f a c e r 软件处理成符合设 计师所需要的曲面、曲线、点，以i g e s 数据格式导入到u g 中，然后用u g 软 件在这些数据的基础上进行正向设计，有助于将参数化设计、虚拟仿真设计等 正向设计方法融入到逆向设计中。贾明在其博士论文中提出了逆向工程混合建 模方法【2 5 1 ，主要思想是：充分利用各种手段对模型进行分析，尽量把握原来模 型的设计意图，并将可提取的设计参数提取出来，进行再设计，将逆向设计与 正向设计结合起来，完成模型的重构。 1 3 主要研究内容、研究目标 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 国产化配件特征和约束研究 对于失效的复杂零件实物模型，其原有的设计特征和设计意图都已消失。 因此需要根据实物模型进行推断，重新制定模型的设计过程，对模型的特征和 约束进行分类和表达。 6 第1 章绪论 ( 2 ) 国产化配件复杂曲面特征数字化过程研究 失效的复杂曲面零件的数字化过程即通过特定的测量设备和测量方法将配 件的表面形状转换为离散的几何点数据，从而为国产化配件的数字化建模、评 价、改型设计和快速制造提供高质量的原始数据支持。 数字化后所得到的大规模散乱点云常常包括许多杂点和噪声点，必须经过 必要的预处理后再进行曲面重构，才能保证几何模型的质量。 ( 3 ) 国产化配件复杂曲面数字化几何模型构建与质量评价 复杂曲面模型重构是进行再设计的一个核心和关键，是后续产品修复、加 工制造、快速成型、工程分析和产品再设计的基础。复杂曲面模型构造方法的 研究是保证高质量曲面获得的关键。曲面模型质量评价检验重构曲面模型与实 物扫描点云之间的差异以及模型的光顺性。 ( 4 ) 国产化配件正向和逆向混合创新设计体系的研究 研究国产化配件混合建模体系，对规则特征部分可以提取设计参数进行正 向再设计；自由曲面部分可以提取关键曲线进行蒙皮、扫掠和旋转，无参数关 键曲线在采用最小二乘法等数学方法得到拟合曲线。 1 3 2 研究目标 本课题在研究失效零件分类的基础上，通过光栅扫描的方法获取失效零件 的点云，研究基于特征、约束的三维数据模型的建立，依托正、逆向混合建模 的思想建立零件特别是具有复杂曲面的失效零件的创新设计体系。 1 4 论文结构 本文依托正逆向混合建模的思想研究具有复杂曲面的失效零件模型重构， 在此基础上研究了混合建模的创新设计体系以指导零件建模。全文共分六章， 具体内容安排如下： 第一章绪论。介绍了论文的研究背景，问题的提出、研究内容、研究目标 以及本论文的结构。 第二章国产化配件特征与约束研究。对正向工程中的特征、约束分类表达 进行研究，并以u g 三维建模软件的建模功能为例，分析其建模特征与约束；对 逆向工程中的特征、约束进行研究，阐述了逆向工程中特征、约束与传统正向 工程中特征、约束的关系，并介绍了i m a g e w a r e 软件中的特征、约束；在研究失 7 第1 章绪论 效零件的分类，失效零件的可修复性，修复的经济性的基础上，对其特征与约 束进行了研究，最后研究了失效零件的建模方案。 第三章国产化配件复杂曲面零件数字化过程研究。首先，在分析逆向工程 数字化测量技术的基础上，对三维数字化测量设备进行选择；其次，研究失效 零件测量流程以及测量过程中应该注意的问题；再次，研究测量点云的数据处 理问题；最后，对基于特征的失效零件点云数据分割进行研究。 第四章国产化配件复杂曲面零件数字化几何模型构建与质量评价。对曲 线、曲面的基本理论进行研究，指出实际应用中各类曲线、曲面识别方法；分 析曲面重构的方法以及本文使用建模软件的选择；讨论失效零件数字模型的重 构问题。最后在分析了模型评价的基础上，对失效零件的评价问题进行阐述。 第五章国产化配件混合建模创新体系。在上述几章研究的基础上，提出了 基于特征的国产化配件混合建模框架，以及混合建模流程；在此基础上研究可 实现再设计的造型方法以及再设计流程。并对几类典型失效零件进行建模 第六章结论。对本论文的工作做出总结和展望，指出不足和需要进一步改 进的地方。 本章小结 本章为本文的绪论部分，在分析失效零件传统的修复、检测方法的基础上， 介绍了相关技术国内外研究发展现状，对论文的研究目标、研究的主要内容进 行了阐述，最后介绍了章节安排。 8 第2 章国产化配件特征与约束研究 第2 章国产化配件特征与约束研究 特征与约束的研究对零件模型的重构具有重要意义，通过对零件特征与约 束的研究，使得模型重构有一个明确的建模思路，有利于模型的后续分析及改 进设计。本章研究了传统c a d c a m 建模中的特征及约束，在此基础上将其引 入逆向建模中，对逆向建模中的特征与约束进行分析，最后，对失效零件分类， 并对其特征、约束，建模方案进行研究。 2 1 特征建模中的特征与约束 产品造型也称产品建模，它的发展经历了线框模型、表面模型、实体模型 三个阶段。三维线框模型是以直线和曲线描述三维形体的边界组成，并定义线 框模型空间顶点的坐标信息、边的定义信息以及顶点与边的连接关系。表面模 型是把由高级曲线，如b 样条曲线、n u r b s 曲线等构成的封闭区域作为一个整 体的建模方法，用于复杂曲面零件的描述，如汽车车身、飞机零部件、模具等。 实体造型是把一个封闭的空间作为实体，研究如何以形状简单、规则的基本体 素( 如正方体、圆柱、圆锥等) 为基础，通过并、差、交等集合运算以构成复 杂形状的物体。表面造型和实体造型所依据的理论不同，直到2 0 世纪8 0 年代 后期，非均匀有理b 样条技术的出现，人们才可以采用统一的数学表达式表示 构成基本体素的二次解析曲面及自由曲面，使实体造型技术和表面造型技术得 到统一。 参数化造型采用几何拓扑和尺寸约束来定义产品模型，可以动态的修改模 型，其本质是对同一结构的产品通过尺寸修改形成新的产品，从而加快产品系 列化开发的速度。特征造型则是以实体造型为基础，采用具有一定设计意义或 加工意义的特征作为造型的基本单元来建立零件的几何模型。将参数化造型的 思想应用到特征造型中，使产品的特征参数化从而形成了参数化特征建模技术。 2 1 1 特征及其分类 广义的特征是指产品开发过程中各种信息的载体，如零件几何信息、拓扑 信息、形位公差信息、材料、装配、热处理、表面粗糙度等。从形体建模的角 度来看，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素，一般由形状几何特征， 9 第2 章国产化配件特征与约束研究 尺寸公差等特征组成，如凸台、槽、孔及基本体素等。 与产品数字化设计相关的特征包括以下几类【2 6 】： ( 1 ) 形状特征。描述与零件几何形状、尺寸相关的信息，形状特征又可以 分为主形状特征和辅助形状特征。主形状特征用于构造零件的主体形状结构， 它是产品信息模型中最主要的特征信息之一。辅助特征是对主特征的局部修饰 ( 如倒角、中心孔、退刀槽等) ，它附属于主特征。 ( 2 ) 精度特征。描述零件几何形状、尺寸的许可变动量及其误差，包括尺 寸公差、形位公差和表面粗糙度。精度特征可以分为形状公差特征、位置公差 特征、表面粗糙度等。 ( 3 ) 材料特征。描述材料的类型、性能以及热处理、硬度值、表面处理等 信息。 ( 4 ) 技术特征。描述零件的性能、功能等。 ( 5 ) 装配特征。描述零件在装配过程中需要的信息。 ( 6 ) 管理特征。描述零件的管理信息，如标题栏里的零件名、图号、批量、 设计者、日期等。 基于特征造型的优点：传统的造型技术，如线框造型、曲面造型和实体造 型，只关注完善产品的几何描述能力，而特征造型主要为了更好地表达产品完 善的技术及管理信息；特征造型可以使数字化设计工作在更高的层次上进行， 设计人员可以使用产品的功能要素，如定位孔、螺纹孔等，它的引用直接体现 设计意图，所设计的图样便于修改；特征造型有助于设计意图在产品设计、分 析、加工、装配、检验各个环节的贯彻。 2 1 2 约束及其分类 从模型构建过程来看，约束是描述产品特征之间满足的几何关系，主要包 括拓扑约束和尺寸约束。拓扑约束是对产品结构的定性描述，它表示几何特征 之间的固定联系，如对称、垂直、相切等；尺寸约束则是特征之间相对位置的 定量表示，如各种距离、两线面夹角、圆的半径等【2 7 】如表2 1 所示。 1 0 第2 章国产化配件特征与约束研究 表2 1 几何约束分类 类型约束关系约束内容 平行 线一线、线平面、平面平面 垂直 线一线、线平面、平面平面 拓扑约束 相切 线一圆、圆一圆 平面平面共面、轴轴共线、点在直线上、 其它关系 点在平面上、线位于平面内 距离尺寸 点一点、点一线、点一面、线面、面一面 角度尺寸 线线、线面、面一面 尺寸约束 参数尺寸半径、直径 尺寸间的t 程关系线性关系、非线性关系 2 1 3u g 建模软件中的特征与约束 在此以正向c a d c a m 软件u g 为例分析其建模特征及约束。u g 是美国 e d s 公司推出的c a d c 舢彤c a e 于一体的参数化设计软件，是目前国内外公认 的世界一流、应用广泛的大型软件。其c a d 建模模块主要包括以下几点： ( 1 ) 实体建模包括根据要求使用各种曲线生成草图、通过( 尺寸驱动、 编辑表达式等) 编辑、扫掠实体、旋转实体、截面沿引导线扫掠等截面特征进 行建模。 ( 2 ) 特征建模包括长方体、圆柱体、圆锥、球体等二次曲面体特征；阵 列、镜像、凸台、孔、键槽、型腔、倒角、抽壳、基准面、基准轴等辅助特征。 ( 3 ) 自由曲面建模其曲面建模完全集成在实体建模之中，采用了n u r b s 、 b 样条、b e z i e r 数学基础，可独立生成自由形状体以备实体设计时使用。包括点 云生成面、直纹面、扫掠面、通过曲线组的曲面、通过曲线网格曲面、n 边曲面 等曲面特征，以及曲面桥接、剪裁等。 其中的约束包括定位尺寸、形状尺寸、平行、垂直、同心、共线、相切等 对二位草图或三维特征进行约束。曲面之间约束包括位置、切矢、曲率约束等。 2 2 逆向工程中的特征与约束 逆向工程是在消化、吸收现有技术的基础上进行更高水平的再设计过程， 1 1 第2 章国产化配件特征与约束研究 它并非对产品仅仅进行简单的复制，而是从数字化点云中分析、推断原型的设 计意图，并在此基础上进行创新设计，因此，逆向建模时在分析实物零件的造 型方法、设计思想、使用环境等的基础上进行原始设计参数还原是实现再设计 的前提条件。由于传统的建模方法，无论三角域曲面或四边域曲面建模，都是 以构造满足一定精度和光顺性要求的c a d 模型为最终目标，掩盖了零件之中固 有的特征及约束信息，因而不能支持产品的创新设计，因此将特征建模技术的 思想应用于实物产品的逆向建模可以提高建模效率，提高建模精度，支持模型 的修改能力。 2 2 1 逆向工程中特征的定义、分类 逆向工程是从模型重建的角度出发，通常只考虑与造型相关的几何特征， 目的在于还原模型的各种几何特征以及它们之间的约束关系，实现更高特征层 次上的模型重构。基于特征的模型表示法更自然，符合产品的设计思路，重构 模型能更好地反映样件的结构特点，能很好地与c a d 系统集成，可以通过修改 驱动特征的参数实现变形设计。 ( 1 ) 从实物逆向的角度考虑，特征可以定义为：从测量数据点云中提取产 品的几何特征和特征间的约束关系，再现产品的原始设计意图。特征技术的应 用就是要根据特征信息，将测量数据按照特征进行分块，并重构特征曲面，最 后建立逆向特征模型，由于大多数的机械产品外形是按照一定的几何特征设计 制造的，因此，逆向工程中的特征就是通过抽取蕴含在测量数据中的这些特征， 重建基于特征表达的参数化c a d 模型。 ( 2 ) 逆向工程中特征的分类：国内外学者对逆向c a d 的特征分类进行了 研究，b e s l 和j a i n 2 8 ；2 9 】根据高斯曲率和平均曲率将曲面分为八种类型：顶面、迷 向、顶面、凹坑、山脊、山谷、鞍脊、鞍谷。s h a h t 3 0 】提出了特征分类的指导原 则“特征分类必须依据特征在模型设计中所担当的功能角色。华中科技大学 孙世为【3 l 】从特征表达的角度将特征分为：解析式表示的图形；几何定义的图形； 自由曲面特征；用户自定义特征。t a m a sv a r a d y 3 2 】根据当前大多数c a d 系统所 提供的曲面设计手段进行分类，符合正向设计中常用的曲面设计手段，分别为 二次曲面特征、过渡曲面特征和自由曲面特征，并对各大类曲面特征进行进一 步的细分，如图2 1 所示。 1 2 第2 章国产化配件特征与约束研究 特征曲面 二次曲面 il过渡曲面li 自由曲面 霾ll 霾fl 曩li 蓁蓁ll 差ll 垂 l 囊il 蒌 图2 1 特征曲面分类 t h o m p s o n 3 3 1 、j a m e ss t 3 4 】等研究了基于加工特征的机械零件重构方法，该 方法只适合简单的加工特征模型重构。w e r g h i l 3 5 1 、f i s h e r 3 6 】等研究了曲面拟合过 程中加入约束条件进行同步拟合的方法，这种方法可以建立更准确的曲面模型， 但在不知道曲面片之间的约束就无能为力了。单东日f 3 7 】从实物逆向的角度将特 征分为底层提取特征和高层组合特征及造型特征3 个层次，各个特征层次之间是 相互关联的有机整体，高层特征是底层特征的组合，相反地，底层特征是高层 特征的分解。底层特征是直接由测量数据提取的点、线、面等简单的几何要素， 是构成高层组合特征的基本几何单元；高层特征是由底层提取特征组合而成的 截面形状特征或特征体素，或可以直接用于特征造型的参数曲线、曲面；b r e p 单元体素特征是具有特定工程意义的c a d 系统中的特征，它是通过反求得到的 高层特征按照特定规则( 如拉伸、过渡、形变、组合及复合等) 设计而成的， 或是b r e p 单元体素特征空间的简单映射。高层特征中的c s g 基本体素可以看作 是由二次曲面包围而成的，截面特征可以看作是满足约束关系的平面曲线之间 的组合。其中的特征包括：特征面、特征线、特征点，通过它们之间的约束完 成模型的重构的流程，如图2 2 。 1 3 第2 章国产化配件特征与约束研究 ! 登际- ： 江 l 2 d 点 孙憾 直 线 平 取特 l 皿 球 圆圆 i 柱 锥 面面 l 面面 i - 。- _ 。_ - - - - - _ 纯 自 次 由 曲 曲 面 面 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 曲面特征 图2 2 逆向工程中的特征 2 2 2 逆向工程中的约束 逆向工程中的几何约束是指各个特征元素之间的约束关系，反映了特征单 元之间的形状和位置关系，一般分为特征内部约束【3 8 1 和特征外部约束。特征内 部约束反映特定的几何形状特性，如柱面的轴线矢量和半径大小等；特征外部 约束反映几何形状的位置关系，根据特征几何性质可分为：同心，位置约束， 相对距离约束以及其他约束，如单位矢量约束等。按特征层次来分，可以分为 特征曲线之间的约束和特征曲面之间的约束。特征曲线之间的约束，如线间平 行、垂直、相切等拓扑关系，以及线间满足的线一线垂直、线一圆相切、圆弧 之间相切等；特征曲面之间的约束如圆柱面、圆锥面、圆环面等二次曲面及平 面之间平行、垂直、相切、距离、夹角等约束关系。逆向工程中的约束实质是 对正向建模约束的还原，对它的研究是为了再现正向设计中产品的c a d 模型特 1 4 网剖 囤二固二圆竺 第2 章国产化配件特征与约束研究 征之间的约束。 2 2 3i m a g e w a r e 软件中的特征约束 i m a g e w a r e 是著名的逆向工程软件，应用于汽车制造、航空、家电、模具等 设计领域。作为u g 软件中专门为逆向工程设计的模块，i m a g e w a r e 是传统正向设 计的重要补充。i m a g e w a r e 的特点是拥有弹性的曲面建构方式、动态的曲面编辑、 实时的曲面质量分析、有效的曲率连续控制、多样的曲面检测工具以及可建构 高品质的c l a s sa 曲面。其曲面特征造型分类如下： ( 1 ) 截面特征 由尺寸约束的直线、圆弧等曲线通过位置连续、切线连续、 曲率连续等约束连接成的截面，关键在于由点云切片识别截面线类型，如蒙皮 曲面、旋转曲面、扫掠曲面。 ( 2 ) 二次曲面圆柱面、圆锥面、球面；曲面之间的过渡面等。 ( 3 ) 自由曲面边界构面、点云构面、点云与边界构面、混成曲面、桥接 曲面等。 曲线、曲面之间的约束关系主要有几何约束和拓扑约束。拓扑约束有线一 线、线一面之间垂直约束、位置约束、切矢约束、曲率约束等；几何约束有各 种曲线的尺寸约束。 2 3 失效零件的特征与约束 2 3 1 失效零件及其分类 机械零件在使用过程中，由于设计、材料、工艺及装配等原因，使其丧失 规定的功能，无法继续工作的现象称为失效。机械设备和零部件的三种主要失 效形式断裂、腐蚀和磨损。2 0 0 4 年底由中国工程院和国家自然科学基金委 共同组织的北京摩擦学科与工程前沿研讨会的资料显示，磨损损失了世界一次 能源的三分之一，机电设备的7 0 损坏是由各种形式的磨损引起的f 3 9 j ，因此， 磨损修复是零件修复的主要内容。 2 3 1 1 按零件材料来分 韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂，即零件断裂之前，在断裂部位出现较 为明显的塑性变形。在工程结构中，韧性断裂一般表现为过载断裂，即零件危 险截面处所承受的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。 1 5 第2 章国产化配件特征与约束研究 最显著的特征是伴有大量的塑性变形【4 0 1 ，韧性材料制件如不锈钢叶轮。 工程构件在很少或不出现宏观塑性变形( 一般按光滑拉伸试样的1 l r 5 ) 情况下发生的断裂称作脆性断裂，因其断裂应力低于材料的屈服强度，故又称 作低应力断裂1 4 1 1 。脆性材料如铸铁叶轮、船用铸铁件( 汽缸盖、汽缸套和增压器 壳体裂纹，铸铁活塞环槽磨损、各种铸铁壳体锈蚀) ，变速箱缸体、桥壳、泵壳 体等。 2 - 3 1 2 按失效批量来分类 设备在使用过程中，由于断裂、磨损、变形、使用寿命等原因而需要修复 或更换配件，一般会出现以下两种情况： ( 1 ) 某一设备的零件由于断裂、磨损等原因造成的失效，能修复的则进行 修复；无法修复的零件以及由于使用年限、材料疲劳等问题，无修复价值的零 件，对这种情况无配件可用时只能自制配件。 ( 2 ) 大量设备由于维修费用、使用年限等原因，需要更换配件。在配件昂贵、 无配件可用，以及无法获得配件情况下，特别是大量进口设备出现同样的问题时， 需要批量制造配件，以保证进口汽车、机床等设备的正常使用。 2 3 1 3 按失效形式来分类 机械零件有多种不同的失效形式，概括起来可分为两类，整体失效和表面 失效。 ( 1 ) 机械零件受力的整个截面上出现断口或过大的残余应力变形，使零件 丧失规定的功能称为整体失效。主要的整体失效形式有1 4 2 j ： 断裂失效：是指物体在机械力、热、腐蚀等单独或联合作用下。使其本身 连续遭到破坏，从而发生局部开裂或分成几部分的现象。如叶轮、叶片的断裂、 各类轴、曲轴的断裂、齿轮断齿。 变形失效：由于受力的作用而使零件的尺寸或形状发生改变的现象称为变 形。如曲轴和连杆、气缸体、底盘、机架、机床床身等的变形。 ( 2 ) 机械零件的工作表面丧失规定的功能称为表面失效。主要的表面失效 形式有： 磨损失效：当相对滑动的表面出现过多的材料移失时就会造成零件的磨损 失效，如齿轮磨损、凸轮磨损、汽缸磨损、气缸套磨损、机床导轨的磨损。 表面疲劳：在循环力的作用下，零件的工作表面出现疲劳现象，齿轮齿面 和滚动轴承滚动体表面出现点蚀、剥落等。 表面腐蚀：金属受周围介质的作用而引起的损伤现象。腐蚀总是从金属表 1 6 第2 章国产化配件特征与约束研究 面开始，然后或快或慢的往里深入，并使表面外形发生变化，出现不规则的凹 洞、斑点等破坏区域。例如金属零件表面布满微小的凹坑，其晶界被氧化，导 致表面大面积腐蚀而失效。此外，在特殊情况下，因流体的作用而出现的腐蚀 如柴油机缸套外壁、水泵零件、水轮机叶片、液压泵等的气蚀、冲蚀等。 表面电蚀：在特定的条件下，两金属零件表面之间出现电弧或电火花，使 表面形成许多凹坑，破坏了零件表面的规定功能，这就是电蚀失效。一般出现 在滚动轴承和高速齿轮中。 2 3 2 零件可修复性 由以上对失效零件的分类可知：对脆性断裂、磨损的零件由于变形小，如 果破损不严重，