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1、 裁 嚣 睁鳓癣藏 州市热力总公司王劫 企业新产品的开发一般情况下是在原有产品基础上的二次 开发，而更多情况下的新产品开发是没有原来产品 维罔形的， 而只有经过改进的产品实物模型，这就要用到乏维测量技术。 通过三维测量设备可以快速采集到零部件特征点的空间尺寸， 将采集到的数据应用产品逆向设计方法，可以快速地实现新产 品的开发。本文中，笔者以 维测量仪为例，介绍新产品开发过 程中利用 维测量仪进行数据采集及后期处理的基本过程。 一、产品逆向设计简述 逆向设计也称反求设计，是指用定的测量手段对实物或 模 进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法，重构实物 的CAD模 ，从而实现产品设计的过程。与
2、传统的设计制造方 法不同，逆向设计是在没有设计图纸而有样品的情况下，利用_二 维测量技术，准确快速地测量样品表面数据或轮廓外形，加以点 数据处理、曲面创建，最终实现二_J=维实体模型重构。 逆向设计在工业领域的应用主要有以下内容： 1新零件的设计，主要用于产品的改型或仿形设计。 2现成零件测量及复制，再现原产品的设计意图及重构一维 数字化模型。 3损坏或磨损零件的还原，以便修复或重制。 4产品的检测，例如检测分析产品的变形，检测焊接质量等， 以及对加1-产品与三维数字化模型之间的误差进行分析。 二 三维测量技术在产品逆向设计中的作用 零件曲面数字化是逆向工程中的关键技术，需要利用专用 设备从实
3、体中采集数据，三维测量仪(图1)可以完成产品逆向设 计中曲面数字化的任务。 坐标数据采集是从已有产晶原型表面获取i维数据点的过 程三维测量仪基于坐标测量原理，对产品曲面的测量包括点测 量和扫描测量两种数据采集模式。通常情况下对具有复杂曲面 的产品应采用扫描法进行测量，为实现扫描测量，需要定义T件 坐标系和给定扫描的“起始点”、“方向点”、“终止点”和“扫捕平 面”等。 利用j维测量仪对产品曲面进行数字化测量时，首先要对 产品ffI而的特征进行分析，须对面片进行划分和测量路径规划， 提高测量效率和数据的有效性，达到在有限的曲而信息j：构造 式和电感式两种。其压力变换元件是利用半导体的压阻效应制
4、成的硅膜片。硅膜片的一面是真空室，另一面导人进气歧管压 力。硅膜片是边长约为3mm的正方形，其中部经光刻腐蚀形成 直径约2mm、厚约50ram的薄膜，薄膜周罔有4个应变电阻，以单 臂电桥的方式连接。由于薄膜一侧是真空室，因此薄膜另一侧即 进气歧管内绝对压力越高，硅膜片的变形也就越大，其应变与压 力成正比，附着在薄膜上的应变电阻阻值随应变成正比变化，这 样就可以利用惠斯顿电桥将硅膜片的变形转换成电信号。这种 半导体压敏电阻式进气压力传感器输 的信号电压，具有随进 气歧管绝对压力的增大呈线性增大的特性，这种4个臂半导体应 变片接成差动电桥形式是目前进气压力传感器最先进的一种。 四、碰撞传感器 安全
5、气囊是一种当汽车遇到冲撞而急速时能很快膨胀的缓 冲垫，从而降低撞击对车内乘客造成的伤害，是一种被动安全装 置，具有不受约束、使用方便和美观等优点。安全气囊系统主要 包括碰撞传感器、气囊电脑、系统指示灯、气囊组件以及连接线 路。气囊组件主要包括气囊、气体发生器以及点火器等。当汽 车受到一定角度内的高速碰撞时，控制器根据传感器发 的加 速度信号，识别和判断碰撞的强度，当碰撞强度达到设计条件 时，引爆气囊的传感器迅速触动点火器引爆氮气同态粒子，形成 迅速膨胀的气袋，将人体与车内构件之间的碰撞变为弹性碰 撞。通过气囊产生变形和排气节流来吸收人体碰撞产生的动 能，从而达到保护人体的目的。以往只在高档轿车
6、选装，目前汽 车 配置的气囊数量有增多的趋势，别克1995年推出的慨念车 XP2000配备就有8个安全气囊。实验和实践证明，汽车装用安 全气囊后，汽车发生碰撞事故对驾驶员和乘员的伤害程度大大 减小。 对于各汽车制造厂生产的车辆，碰撞传感器的安装位置不 尽相同，而且碰撞传感器的不同结构的名称也不统一。根据碰 撞类型的不同，安全气囊可分为正面碰撞防护安全气囊系统、侧 面碰撞防护安伞气囊系统和顶部碰撞防护安全气囊系统。按照 安全气囊的触发机构可分为电子式和机电式两种。 电子式碰撞传感器，目前常用的有电阻应变计式和压电效 应式两种。它没有电器触点，在发生碰撞时应变电阻发生变形， 使电阻发生变化、传感器
7、输出信号电压发生变化，当电乐值超过 预定值时，气囊被触发；或者压电晶体在碰撞时发生变化而使输 出电压变化，当变化的电压达到预定值，气囊被触发。 电子控制式SRS安全气囊系统采用的碰撞传感器按功能可 分为碰撞烈度传感器和防护碰撞传感器两大类。碰撞烈度传感 器按安装位置分为前碰撞传感器和中央碰撞传感器，用于检测 汽车受碰撞程度。防护碰撞传感器又叫做安伞碰撞传感器或侦 测碰撞传感器。防护传感器与碰撞烈度传感器串联，用于防止 SRS气囊产生误爆。 随着中国汽车产业的不断发展，MEMS压力传感器应用于 汽车电子传感器的需求量会不断增大，不远的将来MEMS压力 传感器必定会有一个较大的需求量。嚼 河南科技
8、2010105-69 I 技术 鼹 ：=|三一|二|_ 一 |一 INDUSTRY TECHNOLOGY謦 。| | | 一|兰一|I| 凝 出高质量曲面的结果。由三维测量仪采集到的数据，是南许许 多多个点组成的点云，形成零件的电云冈(图2)，点云数据用 iges格式输出到三维CAD软件(如CATIA、PROE、UG等)或专业 点云处理软件(如Surface、Geomagic等)，通过数据处理T作最终 可以求得产品的曲面。CAD软件还可对产品进行二次设计等优 化设计工作，并利用自身的功能进行加工，所以CMM与PROE、 UG等软件良好配合，可高效完成产品逆向设计工作。 图1三维测量仪 图2采集
9、到的零件点云图 三、产品数据的采集 l顺I头的选择与校准。根据被测量对象的形状特点来选择 合适的测头，系统开机、程序加载后，须在程序中建立或选用一一 个测头文件。在测头被实际应用前，应当对测头进行校验或校 准。由于测头的机械位置受温度、湿度和振动等许多外界因素 的影响，在使用一段时间后其基准会发生改变，因此应对测头进 行定期校验。 2棚0量基准的确定。三维测量仪对被测产品在测量空问的 安装基准无特别要求，但要方便工件坐标系的建立。由于j维 测量仪的实际测量过程是在获取测量点的数据后，以数学计算 的方法还原 被测几何元素及它们之问的相对位置关系，因此 测量时应尽量采用对零件进行一次装卡来完成所需
10、数据的采 集，以确保工件的测量精度，减少因多次装夹而造成的测量换算 误差。根据经验，在一般情况下，直当选择 I 件的端面或覆盖面 大的表面作为测量基准，若已知被测件的加工基准面，则应以其 作为测量基准。 3坐标系的选择。在对被测零件进行测量时，坐标系的选择 至关重要。先要考虑被测件的使用情况，使坐标系位置与被测 件二T=作时的位置一致，同时应尽量考虑到被测件的设计基准和 加工基准。坐标系的选择一般可分为三步： (11产品找正。产品找正的目的是保证测量时总是垂直于被 测件表面而不是垂直于坐标轴。 (2)坐标轴的确定。一般将被测件的测量基准或某些特征线 作为坐标轴。 (3)原点的设定。原点一般设在
11、基准面_L或底平面上，若出 现多视数据问题(即从不同方向或位置测量的数据块)，还必须 通过平移、旋转进行坐标系变换，使所有测量数据具有共同的基 准和坐标系。 4数据采集规划及步骤。数据采集规划是指确定数据采集 的方法及应该采集哪些数据点而进行的前期规划，其目的是使 采集的数据正确高效。 70 河南科技201010上 数据采集的一般原则： (1)顺着特征方向移动测头，沿着法线方向采集数据； (2)重要部位精确多次采集，次要部位适当取点； (3)复杂部位密集取点，简单部位稀疏取点； (4)先采外廓数据，后采内部数据。 由于被测量零件的外部几何形状会受到诸多因素影响而产 生变形，被测量零件的现在的几
12、何形状并不是其真实的产品形 状，因此在采集数据时不仅应考虑产品的形状特征，还应考虑产 品形状的变化趋势。对于直线特征，最少采集点数为2个，同时 要注意方向性；对于圆柱、圆锥和球等曲面，最少采集4个点，同 时要注意点的分布。 对非规则形状特别是复杂自由形状，数据采集多采用扫描 式测头。扫描式测头属于非接触式测量。对于非接触式测头或 组合式测头，要特别注意工件的整体特征和流向，应该顺着零件 的特征进行扫描行程的定义，要以零件表面的法向方向进行零 件表面特征的扫描。若产品型面由多张曲面混合而成，则必须 在充分分析曲面构成的基础上，分离出多个曲面的控制点和角 点，在容易出现曲面畸变的角点位置密集取样，
13、在平滑曲面处稀 疏取样。 四、三维数据的处理 当数据采集结束后，应当进行三维数据处理工作。 1数学模型的建立。在曲线拟合中存在多种曲线数学模型， 常用B样条曲线与NURBS曲线，曲面的数学模式架构如同曲线， 主要有Rational、NURBS、Bezier等3种形式。曲面阶数与控制点 数日一致且无节点产生的曲面为Bezier曲面，若曲面控制点数目 大于或等于阶数则可称为NURBS曲面，Bezier曲面涵盖在 NURBS曲面内。对于一个复杂的曲面模型，NURBS曲面较 Bezier曲面容易描述复杂曲面。 2Imageware软件的数据处理。当前，Imageware软件是最专 业的逆向工程数据处理
14、与曲面重建软件，其处理数据的基本过 程是以下3个步骤。 (1)点云数据的评估。打开Imageware软件，导入通过三维 测量仪所得到的数据文件，查看其点云信息。 (2)数据简化。使用Space Sampling命令，在指定邻域空间 中简化点云或去除重叠点。其基本步骤是：第一步空间采 样，选菜单ModifyData reductionSpace Sampling；第二步是选 择要处理的点云；第三步设定distance tolerance。处理之后， 点云被均匀精简，但它依然具有足够的数据信息供下面的 各步处理。 (3)扫描数据的多边形化处理。其基本步骤是：首先从 Construt工具条中找到Po
15、lygon Mesh命令，然后选择Polygonize Cloud，再设定The Max Similar Distance和Neighborhood Size的 数值，点击Apply程序开始运行，这一般需要一段时间。其中参 数The Max Similar Distance为下限，若在该范围内有多个点，那 么只保留一个作为三角网格的顶点，Neighborhood Size参数是上 限，算法中与当前点的距离超出这个范围的点不列入当前点的 计算范围。邻域尺寸值通常近似取Space Sampling中设定的距 离公差值的3倍，可得到均匀高质量的网格。最后是选择渲染指 令DisplayP0intGouraudShaded进行图形的渲染，从而完成点 云数据处理过程。咽 麓 麓 誓蠢 麓 一曝 一羹 麓鹫 一
