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CMM离线检测在逆向设计模型改进中的应用

 

 

魏双羽，刘凯

(上海第二工业大学智能制造与控制工程学院，上海 201209)

0 前言

逆向设计是指使用激光扫描传感器等测量装备对实物零件型面进行点云数据采集，然后用数值拟合方法(专业逆向设计软件内嵌算法)建立CAD模型，再用这个CAD模型制造出相应的实物零件，解决在缺乏原始设计资料的情况下，对实物零件开展备品制造、破损零件修复等工程实践。CAD模型与实物零件尺寸和形位公差要素的一致性或符合性，将决定利用逆向设计模型制造零件的质量。由于在逆向设计的点云数据采集过程中，往往会受零件表面质量问题(如粗糙度、划痕、污渍等)、制造误差(如关键配合要素制造误差等)以及测量误差等诸多外在因素影响制约，因此，在确保重要几何要素尺寸公差前提下，高质量地逆向还原其原始CAD模型一直是这个领域的热点问题。

目前，对于逆向设计模型的研究主要集中在以下三类。第一类研究采用了逆向设计软件专业模块(例如Geomagic Deign X，Geomagic Qualify等)，对反向设计模型进行拟合精度验证，此方法的优点是能够在早期验证点云拟合的几何型面偏差，当不能满足工程要求时，设计人员能够及时补充采集点云数据，采取重置数字拟合参数等措施降低逆向设计模型的几何形状偏差；但是，它不能验证不同空间拓扑结构型面间的位置关系(即空间位置误差)，例如平行、垂直、同轴、位置度等。第二类研究采用CAD/CAE集成的方法(例如PTC公司开发CREO软件等)来对逆向设计模型拟合偏差进行判断，这种方法利用了商业CAD/CAE软件强大的几何拟合和CAD模型建模的功能，对于提高CAD模型建模功能性有一定的优势；由于CAD/CAE与逆向设计软件的集成仅限于模型，所以当发现逆向设计模型的拟合精度不满足实际工程要求时，往往要返工(例如补充采集点云、在逆向设计软件中对点云进行再处理等)，在时间和逆向设计效率上存在不足；此外，这种方法也同样存在不能验证不同拓扑结构型面间的位置关系(即空间位置误差)的问题。第三类研究以分析逆向设计过程存在的综合误差为切入点，开展了三维数字化的综合误差测量研究，拟在源头解决点云质量不高的问题，但是这类研究也同样存在不能妥善解决不同拓扑结构型面间的位置关系验证问题。

对于不同结构型面间的位置约束评估(如平行、垂直、同轴、位置度等)问题，从功能上往往归属几何测量软件范畴。随着时代的发展，精密几何测量系统(例如三坐标测量系统Coordinate Measurement Machine，CMM)在制造业中广泛应用。本文作者选择了以CMM离线测量促进零件逆向设计模型改进为研究内容，从实施方法上进行了探索，并开展了工程实践。

1 逆向设计及其模型改进

逆向设计不同于正向设计，它是根据实物零件对应的点云文件，经过数值计算拟合，将计算处理后的面片进行合并、延展、过渡、相交、裁剪、缝合和倒角等，建立型面封闭的边界表达模型B-Rep(Boundary Representative)，在此基础上给出型面间配合尺寸及公差约束，最终形成CAD模型，它可为后续的零件制造提供相关的设计文件。根据逆向设计模型可能出现的问题，B-Rep模型维护与改进主要表现在3个方面：

(1)由于点云数据质量或几何对象拟合算法(包括计算参数设置不当)等原因造成的B-Rep模型的几何型面拟合精度不能满足实际工程要求的问题；

(2)B-Rep模型几何封闭性改进问题；

(3)分析并解决B-Rep模型可能存在的制造工艺性问题，特别是装配约束(如面贴合、孔轴配合等)。

综述中大部分的研究都聚焦在第一个方面的问题，部分研究讨论了第二个方面问题的解决方法，但是大部分未涉及第三个方面问题。

下面以一个二轮摩托车发动机右箱体零件(如图1所示)为例，对第二、第三方面的问题进行简要讨论。

图1 典型两轮摩托车发动机右箱体零件

1.1 B-Rep模型几何封闭性问题及改进

逆向设计形成的B-Rep模型与正向设计建立的模型不同，它没有利用特征来造型(或结构设计)的过程或步骤(例如拉伸、旋扫、蒙皮、放样等)，不会采用构造实体模型CSG(Construction Solid Geometry)来

模型的生成过程及几何信息，因此，维护B-Rep模型的可用性是很重要的。

B-Rep模型采用“点(Point)→边(Edge)→环(Loop)→面(Face)→块(Lump)→体(Body)”数据结构来表示零件几何模型。其中，组成面的环(Loop)要封闭，由面组成的块(Lump)要闭合，由块(Lump)组成的体(Body)不能有破口/缝隙等缺陷。如果B-Rep模型存在破口/缝隙问题，将会影响到后续数控加工程序编制与加工检测，用逆向设计模型加工的零件质量就无法保证。

B-Rep模型几何封闭性问题解决主要是利用逆向设计专业软件(如Geomagic等)和CAD软件(例如UG、Pro/E、SolidWorks等)。主要流程如图2所示：先在Geomagic等逆向设计软件中根据需求补充点云数据，依次采用多边形边界补孔、边界松弛/光滑、轮廓线生成、构造曲面片等方法形成初步模型；然后将模型导入UG等CAD软件，运用布尔运算将处理好的面片合并、延展、过渡、相交、裁剪、缝合和倒角等处理，包括对平面、二次曲面(如圆柱、柱、球等)进行再处理，降低NURBS曲面数量，最后形成符合要求的B-Rep模型。

图2 B-Rep模型几何封闭性检查与修复流程

1.2 B-Rep模型的制造工艺性问题及改进

B-Rep模型的制造工艺性主要包括毛坯的可制造性、特征对象的机械加工性，以及具有配合约束关系的可装配性，以图1所示零件为例，图3给出了一些常见的B-Rep模型可制造性欠合理的情况。其中，图3(a)、图3(b)分别为连接型面间倒角/倒圆问题，图3(a)没有设计过渡圆角，可能会由此产生过大铸造应力，图3(b)缺乏外倒圆特征，这就需要后续通过手工或机械加工方式处理；图3(c)、图3(d)可能存在结构不合理的情况，图3(c)给出的型腔没有拔模斜度，图3(d)中特征面与拔模方向不一致，可能会造成铸造脱模困难；图3(e)、图3(f)的结构可能会造成加工困难。

图3给出的典型毛坯和机加工艺性欠合理的情况，一方面可以由经验工程师通过人机交互来发现，或者借助DFM(Design for Manufacturability)专业软件(如美国DMF Pro等)根据预设工艺知识规则自动识别。大部分工艺性欠合理的特征或结构可以在CAD软件中通过增加特征(如圆角特征、过渡连接或缝合、增加拔模斜度等)方法来解决。

图3 B-Rep模型的制造工艺性典型问题

B-Rep模型的可装配性约束包括：平行度(如箱体孔的两端“面-面”、箱体结合面间、齿轮减速器传动轴间等情况下需要满足的平行约束)、垂直度(如轴承孔与端面间、定位“面-面”间、有定位或传动关系的“轴孔-轴孔”间等情况需要满足垂直度)、同轴度(如传动轴两端轴承定位特征间的同轴度约束)等位置公差。对于这些可装配性约束则不能通过上述方法来检查和验证，而需要利用CMM离线测量方法，通过提取几何特征要素，根据国标GB/T 1182—2008形状和位置公差

、ISO 1101等，通过数值计算来验证B-Rep模型是否满足可装配性约束。

2 CMM离线检测

通常CMM软件对几何要素计算，要先建立要素的数据表示(即数据结构)方法。例如，点、圆、平面、圆柱、球、圆锥等基本几何要素。其中，点(Point，简称PT)用点(,,)和法矢方向(,,)表示；圆(Circle，CR)用圆心(,,)和圆所在平面法矢方向(,,)表示；平面(Plane，PL)用重心点(,,)和重心点的法矢方向(,,)表示；圆柱(Cylinder,CY)用轴线中点坐标(,,)和轴线矢量方向(,,)来表示；球(Sphere，SP)用球心(,,)和直径来表示；圆锥(Cone，CO)用锥顶坐标(,,)、圆锥轴线矢量(,,)、锥角以及锥高来表示,如图4所示。

图4 几何要素的数据表示

以项目组开发的精密几何检测

软件DIRECT-DMIS为例，对CMM离线检测方法进行说明。

图5(a)所示为DIRECT-DMIS离线检测窗口界面，常见测量元素有点、线、平面、圆、圆柱、圆锥、球、圆弧、椭圆、键槽、曲线与曲面；软件除提供常见尺寸公差数模比对功能外，还提供了几何要素属性提取功能(属于元素构造功能)，图5(b)给出DIRECT-DMIS的平面元素提取属性对话框。

图5 CMM测量软件DIRECT-DMIS界面

根据图5(b)，以对线元素可提取中点、线矢量以及线所在平面属性；对平面元素可提取点重心坐标、面法矢、面所在平面属性；对圆元素可提取圆心坐标、圆所在平面法矢属性；对球元素可提取球心坐标属性；对圆锥元素可提取锥顶坐标、圆锥轴线矢量属性。

采用CMM离线检测对逆向设计模型位置公差进行检测验证，可以采用下面2种方法：方法一，通过提取元素属性，采用表1所示方法进行检测验证；方法二，采用CMM软件提供的位置公差

功能直接进行检测验证，如图6所示的平行度误差判断对话框。

表1 基于CMM的几何要素位置误差检测方法

图6 CMM测量软件(DIRECT-DMIS)平行度评估对话框

3 实例验证

根据图1所示实物零件，用精密型手持式自定位三维激光扫描仪CREAFORM和配套的Vxelements-3专业软件，对零件外型面进行扫描采点，然后将点云数据导入Geomagic Studio软件进行处理，用UG V10建立逆向设计CAD模型(参见图2)。

经过Geomagic、Unigraphics软件的拟合偏差检测，型面拟合误差均小于0.1 mm，达到预期RE逆向设计基本要求。根据实物零件安装要求和《机械设计手册》的相关设计要求，可以根据逆向设计模型获得2D零件图的部分视图如图7所示。下面以图7为例，说明如何用CMM离线检测方法提取发现逆向设计模型中的关键几何要素位置约束问题以及解决方法。

图7 逆向设计模型对应的2DCAD(包括尺寸公差)

3.1 CMM检测验证

根据图1模型和图7技术要求，建立零件逆向设计模型关键要素与装配有关的尺寸和形位公差要求,如表2所示。

表2 检测要素

在DIRECT-DMIS软件中导入逆向设计模型(支持STEP、IGES、UG等常见CAD格式)、人机交互拾取检测要素和测量点个数，在离线情况下，软件自动规划测量路径，进而开展要素检测，DIRECT-DMIS离线检测重要几何要素如图8所示。

图8 DIRECT-DMIS离线检测重要几何要素

检测后可得到安装轴承的2个内孔特征CY1、CY2及其属性(轴线中点坐标以及轴线方向、直径等)，以及内孔端面PL1、PL2及其属性(面法矢等)；根据上述描述的离线检测要素方法，可以得到平行度PAR1、垂直度PRP1、PRP2评价结果，具体数据见表3。

表3 平行度、垂直度评价结果

3.2 数据分析

表4 关键几何要素测量结果

表5 关键几何要素结果分析

产生原因可能有：(1)扫描采集的点云噪声大，数据一致性差；(2)实物零件本身存在制造误差；(3)使用过程中配合型面磨损造成；(4)其他因素。通过CMM离线检测验证提前发现类似问题，可以及时改进逆向设计模型，缩短逆向设计周期，另外，也避免了后续由此而开展的数控加工等无效制造活动。

3.3 逆向设计CAD模型改进

经分析，判断PL2的法矢需要修改。解决这个问题，可采用2条技术路线，最后完成逆向设计模型如图9所示。

图9 UG V10重建逆向设计模型后的效果

技术路线1是利用逆向设计模型构建方法，将当前逆向设计模型输出为STL格式的面片文件，导入到Geomagic的Wrap、Design X等专业软件中，重新补充点云数据，再采用多边形边界补孔、边界松弛/光滑、轮廓线生成、构造曲面片等方法形成初步模型；用UG等CAD软件对处理好的面片进行合并、延展、过渡、相交、裁剪、缝合和倒角等处理，最后建立符合要求的B-Rep模型。技术路线2是利用UG等CAD软件的造型功能，如拉伸、旋扫、蒙皮、放样等，重构平面PL2矢量为(0,0,1)，调用UG中“合并特征”功能，并保证B-Rep模型几何边界的封闭性。最后经过CMM离线再次检测验证，没有问题后再发布到车间。

4 结束语

在逆向工程实践中，检测逆向设计模型并提早发现模型工艺性缺陷，可以有效避免后续无效制造活动的发生和经济损失。但是，目前对逆向设计模型缺陷检测主要依赖逆向设计软件和CAD系统(如Geomagic，UG)，检测的对象仅限于型面的拟合误差评估，而对于几何型面间的装配约束(如平行、垂直、同轴等)评估却讨论得不够。由于不同拓扑结构型面间的位置关系(如平行、垂直、同轴、位置度等)计算从功能上往往归属几何测量软件范畴，因此，用CMM离线测量的方法来发现逆向设计模型中的装配约束问题，可为相应的逆向设计方法提供一种有益的补充。