1 前言
許多零件、工裝都是模擬量傳遞制造的，經過了多年的使用，許多工裝及相關的標準樣件、模線樣板磨損非常嚴重，部分工裝幾乎無法滿足制造的使用需求。通過逆向掃描及逆向建模技術，掃描工裝表面，形成理論數據，依靠理論數據完成工裝的修復及復制工作。實現模擬量向數字量協調的轉換的同時，完成了模擬量傳遞工裝數據的保存工作。
反向工程，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，以獲得物體的點云數據，再利用一定的工程軟件對獲得的數據進行整理、編輯，并獲取所需的三維特征曲線，最終通過三維曲面表達出物體的外形，使用幾何建模方法，從而重構實物的CAD模型。
CATIA V5軟件的逆向設計是在數字化曲面設計（Digitized Shape Editor模塊）和快速曲面重建（Quick Surface Reconstruction模塊）兩個模塊中進行的。數字化曲面設計模塊主要用于逆向設計的前期處理，該模塊具有數據文件的導入導出、去除噪點、設計截面線等功能。常見的掃描數據格式包括STL和IGS兩種格式。STL是網格數據，需要使用軟件命令導入，IGS是點云數據，可以直接拖入到CATIA窗口內打開。點云經過處理之后在使用基于網格進行設計的快速曲面重建模塊中快速生成特征面、強力擬合曲面以及對比分析等命令做逆向設計的后期處理工作。
當使用一些掃描測量儀器得到一些粗糙的點云數據之后，鈑金類零件逆向設計的總體思路就是導入掃描數據、優化數據、擬合中心線、生成網格、擬合出一個大于掃描數據的曲面、擬合零件邊緣線、用零件邊緣線切割曲面，將切割后的曲面與起初的點云數據進行分析對比，如果對比結果在公差范圍之內，使用所切割后的曲面進行零件模型的設計，否則應繼續優化數據優化曲面，直至分析對比結果符合公差為止。
2 逆向設計的前期工作
以蒙皮類零件為例，介紹鈑金類成形零件逆向工程設計的總體思路。由于蒙皮類零件易彎曲，變形大，掃描零件數據會存在較大失真，因此目前蒙皮類零件逆向建模一般是通過掃描工裝并反推零件模型。
使用一些掃描測量儀器得到一些粗糙的點云數據之后，首先要查閱工程圖紙，對零件進行一下分析，理解零件的設計思想，在此基礎上修復和克服掃描數據上存在的缺陷，之后進行掃描數據優化。
對掃描數據優化，作用在于減小掃描數據包含的信息量，提高之后操作步驟的處理速度，同時不對模型設計產生較大影響，其操作包括移除無效數據，點云過濾，修補網格等。在優化的過程中應盡量避免使用網格光順操作，因為在光順過程中，網格面與原始掃描數據會產生偏離。
圖1 蒙皮通過的點云與網格
3 型面構造
型面構造介紹兩種方法，一種是掃掠法，就是生成網格之后擬合截面線、優化截面線、通過截面線形成型面；另一種是強力擬合法，強力擬合法主要對于曲率變化不大的型面設計。
3.1 掃掠法
3.1.1 建立截面元素
截面元素用來創建與掃描數據相交的平面，在命令Planar Sections中使用。設計要考慮各截面線的外形較為接近，以方便進行掃掠操作，形成較好的型面。截面元素可以是面，直接用于相交；也可以是線，線的法向面作為截面。
通常，XY、YZ、XZ三個平面與掃描數據相交得到線的效果并不好，而用羅盤控制也存在操作不方便的問題。因此一般都是通過引導線的建立，來設計截面位置。
圖2 通過XZ平面建立的影線
引導線的建立方法較多，對本模型，介紹兩種較為簡單的方法。
3.1.1.1 點云上影線創建
在數字化曲面設計模塊下，通過Scan Creation工具欄中的Scan on Cloud執行。點擊后，選擇前后兩個端點，雙擊左鍵結束選擇，形成影線，由影線生成曲線。
圖3 影線生成
圖4 提取實線
3.1.1.2 基本曲面識別
在逆向建模過程中，由于沒有外部參考基準，因此需要在掃描數據基礎上建立一些基準面。快速生成基本特征面能生成的元素包括平面、圓柱、球、圓錐等，而較為常用的是平面和圓柱，平面用于建立草圖或生成截面線，圓柱用于設計中心線。由于本模型可以近似為圓柱面，因此使用快速曲面重建模塊下的基本曲面識別命令，選擇圓柱，軟件將自動生成圓柱及其軸線。
圖5 基本曲面識別
圖6 識別界面選擇圓柱
將截面與相應的網格或點云相交，得到交線。
與網格相交，在每個截面上生成不連續的線，需要再次連接，與點云相交，生成連續的線。從圖7可以分析得出，采用與點云相交的方法來獲得截面線更適合后續建模。
圖7 與網格相交和與點云相交的對比
3.1.2 截面線優化
由于所生成的截面線，掃描數據邊緣不平，截面線的起點不同，端點不齊，而截面線上不同點的曲率也在變化，這將導致創建多截面曲面時，邊緣質量不好，因此需要對截面線進行調整。
圖8 多截面曲面創建
調整截面線的長度和線條曲率，來避免所擬合的曲面產生鼓包等現象。將生成的截面線與最初的掃描數據對照，找出影響生成曲面曲率較大的曲線，將這些曲線重新擬合，使用，“點面復制”命令，在原截面線上生成若干個點，調整個別點偏離的位置，之后使用“樣條線”命令，生成曲線并分別進行光順后，在進行掃掠操作。從圖9中的對比，可以看出新曲面具有較好的表面。對于其他部位，也采用類似操作，最終形成整體曲面。
圖9 新曲面與原曲面對比
3.2 強力擬合法
強力擬合法主要對于曲率變化不大的型面設計。對于本案例中零件，可以分割成左右兩部分，通過“Activate”命令分別激活一部分點云，分別擬合表面，然后對兩側曲面分別裁剪，再重新橋接，形成中間過渡，最后進行接合，得到型面。
圖10 強力擬合曲面
強力擬合曲面命令能實現對小曲度曲面的快速生成，這個命令的主要參數是偏差，用于控制生成曲面與掃描數據的差值，通常情況下設置在0.2mm到0.5mm之內，以保證曲面的表面質量。
4 邊緣線和曲面內部線條的構造
構造零件的邊緣線和內部線條需要在參考圖紙的情況下所進行，邊緣線生成后作為分割型面的依據，或作為工裝劃線的參考。
構造零件的邊緣線一般采用的方法是根據點云數據創建影線，影線不是實體曲線，不能直接進行操作，需要通過Curve from Scan命令進行轉化，將影線生成曲線。有時候生成的曲線曲率突變很大，并不是直接可以被引用的，需要用擬合調整截面線的方法來重新擬合邊緣線。
構造曲面內部線條時，由于是薄壁零件，邊緣的網格形成存在一定偏差，因此采用近似擬合的方式。首先建立不同部位的基本擬合平面，然后通過草圖，在各平面繪制出對應部位的大致邊緣線位置。拉伸后與型面相交得到表面線條。這種方法比較適合于設計封閉帶弧度的線條。后期曲面操作，可以裁剪出零件邊緣線以及化銑線。
圖11 生成的邊緣線和曲面內部線條
建立基本曲面后，根據生成的邊線和內部線條，通過增厚命令即可生成實體，建模步驟和方法與普通建模步驟雷同。
5 測量分析
經過邊緣線修剪的曲面與點云數據使用“Deviation Analysis”，命令相比照，參考面(Reference)選擇面積大的對比元素，測量面(To measure)選擇面積小的對比元素，可以防止無效元素的干擾。模型與原始掃描數據的偏差應在技術要求范圍內，偏差通過偏離分析命令計算及統計。
當使用逆向工程技術檢測生產現場零件與數字模型之間的差異的時候，不需要使用掃描的數據來構建數模，只需清除噪點，優化網格的步驟即可，使用“Cloud Reposit”下的命令來將掃描數據與理論上的數字模型對齊，再使用“Deviation Analysis”，命令查看生產現場零件的掃描數據與理論上的數字模型的對照結果。
圖12 掃描數據與理論上的數字模型對照結果
結論
通過類似這樣的逆向設計實現了零件由模擬量傳遞制造向數字量傳遞的成功轉變，同時解決了大量工裝磨損嚴重無法修復的問題，為此類問題的解決與處理提供了技術解決方案與技術支持力量。
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本文標題：鈑金類成形零件逆向工程設計總體思路的探索
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