基于逆向工程的电子水泵上端盖数字化检测方法.pdf

第43卷第4期 辽宁工业大学学报(自然科学版)Vol.43,No.4 2023 年 8 月 Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition)Aug.2023 收稿日期：2022-05-08 基金项目：辽宁省教育厅科学研究项目(JZL202015401)作者简介：李卫民(1965-)，男，辽宁朝阳人，教授，博士。DOI:10.15916/j.issn1674-3261.2023.04.001 基于逆向工程的电子水泵上端盖数字化检测方法 李卫民1，付松松1，刘显智2，张凯璇1，杨瀚文1，刁家宇1（1.辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001；2.锦州市检验检测认证中心，辽宁 锦州 121003）摘 要：逆向工程技术的应用能够缩短产品的设计研发周期，加快该产品技术的发展，而重构后的模型精度将影响产品的性能。为了提高重构模型的精度，采用偏差分析的检测方法来提高其精度，用非接触式扫描仪对原件及打印件进行点云数据的获取，将经 Geomagic Studio 处理后的点云数据导入 CATIA 中，运用其分析模块进行点云数据的偏差分析，经分析能够满足设计需要，并通过 3D 打印技术将其打印成型，结果与原产品完成了较好的配合，再将打印件点云数据与原件点云数据进行对比。结果表明：打印件点云数据与原件点云数据的偏差 98.98%在-1 1 mm，标准偏差为 0.303 mm，且误差满足设计误差，其工作性能能够达到原件性能，因此，可以在其数据上进行后续开发处理。关键词：电子水泵上端盖；逆向工程；点云数据；偏差分析 中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-3261(2023)04-0211-05 Digital Detection Method for Upper End Cover of Electronic Water Pump Based on Reverse Engineering LI Wei-min1,FU Song-song1,LIU Xian-zhi2,ZHANG Kai-xuan1,YANG Han-wen1,DIAO Jia-yu1（1.College of Mechanical Engineering and Automation,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China;2.Jinzhou Inspection and Testing Certification Center,Jinzhou 121003,China）Abstract:The application of reverse engineering technology can shorten the design and development cycle of the product and accelerate the development of the product technology,but the accuracy of the reconstructed model will affect the performance of the product.In order to improve the accuracy of the reconstructed model,this paper adopts the detection method of deviation analysis to improve its precision.A non-contact scanner is used to acquire point cloud data of originals and prints,to import the point cloud data processed by Geomagic Studio into CATIA,and its analysis module is used to analyze the deviation of point cloud data,which can meet the design needs after analysis.It is printed into shape through 3D printing technology,the result is that it matches well with the original product,then the point cloud data of the printed part is compared with the original point cloud data.The results show that the deviation of 98.98%between the printed point cloud data and the original point cloud data is-11 mm,and the standard deviation is 0.303mm,and the error satisfies the design error,so the working performance can reach the original performance,and the data can be further developed and processed.Key words:upper end cover of electronic water pump;reverse engineering;point cloud data;deviation analysis 212 辽宁工业大学学报(自然科学版)第 43 卷 水泵作为汽车的重要组成部分之一，直接影响着发动机的冷却系统，对于发动机的重要性不言而喻1。随着新能源汽车的发展，电子水泵的设计研究开始得到了重视，因为它具有传统水泵所不具有的体积小、重量轻、耐冲击、抗震能力强、控制灵敏、噪声低等优点。为了加快产品的研发，本文采用逆向工程技术，以目前最为常用的非接触式测量设备 Handyscan 3D 扫描仪作为获取电子水泵的点云数据的工具，经过 Geomagic Studio 对点云数据处理，运用 CATIA 软件对电子水泵的模型重构。通过对某电子水泵进行检测，验证了方法的可行性及模型重构的正确性。基于逆向工程的电子水泵数字化检测方法流程如图 1 所示。图 1 电子水泵上端盖数字化检测流程 1 点云数据的获取与处理 1.1 点云数据的获取 点云数据的获取，就是采用不同的测量方法来获取零件的特征进而获得三维实体模型，常见的方法可分为接触式测量和非接触式测量2。三维坐标测量仪为 20 世纪 60 年代的一种高精度测量仪器，由于其为接触式设备，所以在测量时要对其测量的数据进行补偿。不但需要定期更换测头，而且对于测量头的磨损也会导致精度的失衡。随着科技的进步，根据发出的光、声、磁的电磁波发射至物体表面并反射到接受器上的非接触式仪器映入眼帘，因其效率高、不需要进行测头半径补偿等优点，故本次以 Handyscan 3D 激光扫描仪作为获取水泵点云数据的设备。由于零件尺寸较小，在其表面粘贴标记点将会引起点云数据的特征和精度，因此将零件放置在贴有标记点的旋转转台上进行扫描。因为标记点没有粘贴在零件上，所以扫描时零件的位置不能够发生变化，否者会出现重影现象，这种现象是不可逆的。因为采用三维扫描仪对零件中有些位置的特征不易一次扫描完成，故需扫描多次。扫描的质量影响着后续的精度：非接触式激光扫描中，激光的光斑大小是影响扫描精度的重要因素之一。扫描仪通过光斑反射的信号来获取零件的位置信息及距离的测量。在一定距离的扫描中，光斑垂直入射时光斑半径如公式(1)3所示。0201DDwww(1)式中：w0为激光最小半径；为波长；D 为距离。由式(1)可知，随着距离的增加，扫描目标光斑的直径也会随之增大，相应的误差也会增大。因此扫描时应注意扫描仪与被测件的距离，此次扫描所用的设备已经进行距离校正提示，所以扫描时尽量在绿色范围内获取点云数据即可，如图 2 所示。图 2 扫描仪最佳位置 点云的完整性也影响着后续重建的精度，因此扫描时可以先扫描出大略框架，然后暂停扫描，在VXelements 中观察需要扫描的具体位置，进行缩放及窗口固定，再继续进行扫描，直至数据满足要求。1.2 点云数据的处理 本次扫描的数据需要进行拼合来确保零件的完整性，而信息的冗余使得文件体积过于庞大，从而影响数据在 Geomagic Studio 中的显示及电脑处理速度，如图 3 所示。图 3 点云数据处理数据冗余 由于无法进行进一步的处理操作，因此，本文采用数据精简的方法为在零件体曲率变化不大的第 4 期 李卫民等：基于逆向工程的电子水泵上端盖数字化检测方法 213 位置进行适量的删除数据，在其曲率较大即曲面变化较大的位置几乎全部保留。从而使在数据优化的前提下，其特征仍继续保留。所以本次点云数据的处理过程为：对各点云数据进行降噪和滤波；将点云数据进行拼合；点云数据的精简、补缺；零件的拟合曲面、曲线并对齐至全局坐标系。生成的 STL 文件是为了确保各点之间所建立的拓扑关系，形成有效的三角平面。但数据文件中还会有其他噪声点，噪声的产生有很多方面，主要是由测量系统本身的设备精度和周围环境（光线、震动等）所产生，因此必须对噪声点进行处理4。本次采用手动删除，折角命令是根据定义相邻多边形之间的接合角度，将现有选择从一个扩展到多个。通过折角命令将被扫入的其他物体进行选择，设置的角度使其刚好不包含零件的点云数据，如图4 所示。图 4 点云数据处理接合角度 图中区域即为无效点云数据，将其删除即可。然后再将孤立的点、非连接的点通过有界组件及反选命令进行删除。手动删除噪声点后进行高斯滤波处理，其目的是进一步消除无效的点云数据。将多次扫描的数据精简后，利用迭代最近点（ICP）算法对点云数据进行拼接5。ICP 算法是目前点云数据拼合中最广泛应用的算法，其实质是基于最小二乘法的最优匹配，它重复进行“确定对应关系的点集计算最优刚度变换”的过程，直到表示正确匹配的收敛准则得到满足，即使得误差最小。Geomagic studio 软件中包含该算法的应用，通过“手动注册”进行初步拼合，再进行“全局注册”精细拼合，经过迭代使零件模型逼近实体模型。由于本次零件是由多个点云数据拼合而成，拼合后的点云数据将有过多的冗余，因此需要再次进行点云数据的精简。尽管零件为多个数据的拼合，但仍会出现数据缺失的现象以及扫描时产生的数据重合等因素所造成的钉状物、特征等，因此可以使用“去除特征”“删除钉状物”“快速光顺”等命令的灵活运用进行修剪，在填充孔时注意不要破坏零件原有的特征。点云数据的坐标建立是通过拟合曲面、曲线与全局坐标系建立相对应的关系。为了后期偏差分析，本次将水泵上端盖的自由度完全限制。2 模型重构 模型重构是逆向工程中最为关键的操作，而不同曲线曲面拟合的方法会产生不同质量的模型，目前常用的方法有 3 种：Bezier 曲线曲面，B-Spline曲线曲面，NURBS 曲线曲面。2.1 Bezier 曲线曲面 Bezier 曲线的数学表达式如公式(2)所示。,0 0,1nn iiiC uBu Pu(2)式中：n 为阶数，Bn,i(u)为 Bezier 的基函数，Pi为控制点。Bezier 曲面的数学表达式如公式(3)所示。,00,0,1mnmniji jijS u vBu Bv Pu v(3)式中：miBu、njBv为 Bezier 基函数，Pi,j为曲面控制顶点，m、n 为 u 和 v 方向上的阶数。2.2 B-Spline 曲线曲面 B-Spline 曲线数学表达式如公式(4)所示。,0ni piiC uNu P(4)式中：Pi为控制点，p 为阶数，Ni,p(u)为 B-Spline 基函数。B-Spline 曲面数学表达式如公式(5)所示。,00,mni pi pijijS u vNu Nv P(5)2.3 NURBS 曲线曲面 NURBS 曲线数学表达式如公式(6)所示。,00/nni piii piiiC uNu w PNu w(6)NURBS 曲面数学表达式如公式(7)所示。214 辽宁工业大学学报(自然科学版)第 43 卷 ,00,00,mni pi qij ijijmnr ps qrsrsNu Nv w PS u vNu Nv w (7)式中：,r pNu、,s qNv为 u 向与 v 向的 p 次和 q次的 B-spline 基函数。在重构时，由于零件的各个特征可以由多种方法建成，但软件每个模块的命令基于软件底层算法的不同，则最终得到的模型质量也会不同，因此需要操作者要对软件命令掌握及建模方法有着较高的理解，并且将不同的拟合的方法进行反复尝试与对比，最终选择合适的操作方法进行建模。同时，在模型重构中还要求操作者具有较高的正向建模能力，重构过程中零件的特征尽可能的一次完成，避免后续修改时，产生特征消失等情况。因此在进行模型重构前，应对模型的整体特征规划出合适的建模顺序，保证其特征一次性完成。重构过程前，操作者还可根据自己的习惯将常用到的模块中的命令建立成一个新的工作台，方便后期操作且提高建模效率，缩短模型重构时间。鉴于 NURBS 造型功能强大，且兼容了 Bezier曲面和均匀 B 样条，也能精确表达圆柱、圆锥、球等规则解析曲面，所以成为现代曲面造型中最为广泛使用的方法，因此，本文模型重构所基于 NURBS曲面方法。3 偏差分析与配合分析 运用逆向设计来创建实体模型时，应当使重构模型尽可能地与原件重合，最大程度地与原设计的理念相一致，才更好的分析设计意图，吸取设计经验，因此需要将重构的模型进行偏差分析。通过创成式外形设计模块中的表面提取命令，将重构好的三维数字模型的表面提取出来，如图 5(a)所示。将提取出的面通过快速曲面重建模块(Quick Surface Reconstruction)中 的 变 化 分 析 命 令(Deviation Analysis)来进行误差检测，分析其精度是否在所要求的公差带范围内，如图 5(b)所示，由偏差分析结果可知，该零件的误差范围为-1.381.15 mm，其中99.94%在-11 mm 内，标准误差为 0.169 mm，其精度满足要求，而出现最大误差点的位置为深孔处，其位置是因点云数据获取时不能完全扫入造成曲面不完整，但今后再设计创造时，其孔的大小也会根据分析随之更改，故不影响设计需要。故本次模型重构具有较高的精度，且满足设计要求。将电子水泵各个部件导入 SolidWorks 中，对零件进行校验，零件模型中是否有错误面或间隙，如图 5(c)所示，确认无误后，按照实际的配合条件进行装配，然后进行配合分析，即“评估”中的“干涉检查”，如图 5(d)所示。(a)零件提取 (b)偏差分析 (c)模型检测 (d)干涉检测 图 5 分析与检测 4 3D 打印与精度对比 本次所使用的 3D 打印设备为 FORTUS 360mc 3D 打印机，主要用于零部件/模型件的单件或小批第 4 期 李卫民等：基于逆向工程的电子水泵上端盖数字化检测方法 215 量的快速成型制造等，如图 6 所示。图 6 FORTUS 360mc 3D 打印机 3D 打印机的主要参数如表 1 所示。表 1 FORTUS 360mc 3D 打印机主要参数 品牌型号 Stratasys FORTUS 360mc 3D 可达精度 0.127 mm 和每 mm0.0015 mm 的较大者 打印材料 ABS、PC-ABS、NYLON 网络通讯 10/100 base T 连接；以太网连接 将在 CATIA 中将重构模型导出为打印文件(文件格式为 STL)，在 Insight 中进行切片处理，观察每层喷头轨迹是否完整填充，此情况往往出现在曲率变化极大或宽度过窄处，对于轨迹较差的层面可进行用户自己选择轨迹和喷头轨迹间隔来修缮7。确认无误后即可打印，打印成品件如图 7 所示。图 7 打印件与原件 将打印出来的零件再进行点云数据获取、点云数据处理操作。最后将原件点云数据模型与打印零件的点云数据模型导入到 CATIA 中，通过快速曲面重建模块(Quick Surface Reconstruction)中的变化分析命令(Deviation Analysis)来进行误差检测，如图 8 所示。图 8 偏差分析 由数据可知 98.98%点云数据误差在-11 mm，标准偏差为 0.303 mm，而出现最大误差位置点在深孔及数据较难获取位置，因其位置每次扫描到的程度不同而造成其现象，上节也分析到其位置不影响设计需求。故经比较其误差满足工程设计上的误差范围，且满足一定的配合精度，因此具有一定的互换性，配合结果如图 9 所示。图 9 装配结果 6 结论 以汽车电子水泵为例，对逆向技术的思想加以运用和扩展，增加了对装配体的分析和 3D 打印实体与原件偏差分析，通过分析数据的结果可以判断是否能够满足原件的性能要求，为产品设计优化提供了有效的数据基础。该方法不仅对该产品提供了可行参考方案，同时对于其他产品的设计也提供了思路。参考文献：1 韩晓莹,李乐,杜艳阳.浅谈高效率汽车水泵的设计研究J.山东工业技术,2019(9):59-60.2 李卫民,赵文川,马平平,等.基于 COMETL3D 三维结构光扫描仪的逆向技术研究J.机床与液压,2017,45(20):30-34.3 邵毅翔.基于逆向工程及 3D 打印技术的误差分析应用研究D.上海:华东理工大学,2017.4 锦锋.逆向工程中的点云处理D.杭州:浙江大学,2005.5 管官,顾文文,杨蕖.基于逆向工程的船用螺旋桨数字化检测方法J.船海工程,2018,47(5):23-26.6 BESL P J,MCKAYND.A method for registration of 3D shapesJ.IEEE transaction on pattern analysis and machine intelligence,1992,14(2):239-256.7 张宇,龚亚军,曾保平,等.基于逆向工程的离心泵三维建模及数值模拟J.舰船科学技术,2016,38(23):94-97.8 姚层林.3D打印技术在汽车设计中的运用与发展分析J.内燃机与配件,2021(20):195-196.责任编辑：陈 明