摘 要：FARO激光掃描測(cè)量系統(tǒng)采用了一種新的測(cè)量方式，可以實(shí)現(xiàn)接觸式和非接觸式測(cè)量方法的結(jié)合。本文采用FARO測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)液力變矩器的幾何特征進(jìn)行接觸式測(cè)量，對(duì)其葉片曲面進(jìn)行非接觸式測(cè)量，并將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA軟件，重構(gòu)了液力變矩器泵輪三維幾何模型。
關(guān)鍵詞：液力變矩器 激光掃描測(cè)量 逆向工程 曲面重構(gòu)
目前，液力變矩器在汽車、工程機(jī)械、發(fā)電機(jī)械、礦業(yè)冶金機(jī)械及化工機(jī)械等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，汽車行業(yè)是液力變矩器的最大用戶。液力變矩器是汽車自動(dòng)變速系統(tǒng)的最重要部件之一，裝有液力變矩器的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)平穩(wěn)地起步、變速和變矩。
我國(guó)液力變矩器的發(fā)展主要得益于技術(shù)的引進(jìn)。一項(xiàng)引進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)分為三個(gè) 階段：第一階段是應(yīng)用；第二階段是技術(shù)吸收和消化；第三是獨(dú)立設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。因此，積極開(kāi)展技術(shù)的消化、創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液力變矩器產(chǎn)品，并不斷地改善其性能，有著廣闊的市場(chǎng)前景，對(duì)提高我國(guó)汽車工業(yè)自主開(kāi)發(fā)能力具有現(xiàn)實(shí)意義。
國(guó)內(nèi)許多液力變矩器企業(yè)已開(kāi)始運(yùn)用逆向工程方法實(shí)現(xiàn)國(guó)外產(chǎn)品技術(shù)的消化。逆向工程是一個(gè)系統(tǒng)工程，其主要目的是還原實(shí)物的數(shù)字化CAD模型。其中將產(chǎn)品的形狀和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地?cái)?shù)字化輸入電腦的測(cè)量方法，是逆向工程最重要的一個(gè)階段。采用什么樣的測(cè)量設(shè)備，運(yùn)用什么樣測(cè)量方法，可以有效、快速、精確地獲取液力變矩器物體的數(shù)據(jù)，也是國(guó)內(nèi)企業(yè)研究的課題。
1. 測(cè)量方法
為得到產(chǎn)品的形狀和幾何數(shù)據(jù)，企業(yè)常用的測(cè)量方法有兩種：一種是接觸式的，也是最傳統(tǒng)的方法，即采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量；另一種是較先進(jìn)的方法，非接觸式的掃描測(cè)量方法，非接觸掃描方式又分白光掃描和激光掃描。
1.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量
用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來(lái)掃描是一種常用、經(jīng)濟(jì)的方式。測(cè)量機(jī)的測(cè)頭分為硬測(cè)頭和觸發(fā)式測(cè)頭。在采集數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，測(cè)頭在目標(biāo)物體上不斷觸碰獲取一個(gè)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，反復(fù)在物體上采點(diǎn)，最后獲取一定數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)。該方法與工件表面的顏色和曲率關(guān)系不大，設(shè)備經(jīng)濟(jì)，成本較低。但采點(diǎn)速度慢，觸碰物體時(shí)，易劃傷表面或使表面變形，且測(cè)量點(diǎn)需要考慮測(cè)頭半徑補(bǔ)償問(wèn)題。
1.2 非接觸式測(cè)量
與傳統(tǒng)三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量獲得的點(diǎn)數(shù)據(jù)相比，非接觸式掃描儀獲取的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)不再是100、1000的數(shù)量級(jí)可以表示的，而是幾百萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。因此，稱之為點(diǎn)云。
該系統(tǒng)是用兩個(gè)不同位置CCD相機(jī)對(duì)同一個(gè)物體進(jìn)行直接拍攝，且將結(jié)構(gòu)光投影到被測(cè)物體表面，通過(guò)物體表面對(duì)光的反射捕捉點(diǎn)的信息，并通過(guò)匹配確定物體上同一點(diǎn)在兩幅圖像上的對(duì)應(yīng)位置，由視差來(lái)計(jì)算距離，見(jiàn)圖1。
圖1 白光測(cè)量
近年來(lái)，類似白光掃描原理的產(chǎn)品市場(chǎng)上有多種，國(guó)外品牌有德國(guó)的Breuckmann公司的stereoSCAN 3D和德國(guó)G OM公司的AT OS，典型代表產(chǎn)品見(jiàn)圖2，中間是普通光源，兩端是數(shù)碼攝像機(jī)，將光柵投影在被測(cè)物體表面上，通過(guò)光柵投影變化獲得被測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，見(jiàn)圖3。國(guó)內(nèi)有北京天遠(yuǎn)公司的OKIO等。
圖2 GOM公司的ATOS 圖3 投影光柵
該系統(tǒng)可快速地采集被測(cè)物體表面數(shù)據(jù)，且可通過(guò)變換設(shè)備角度，獲取被測(cè)物體不同角度的多幅圖像，然后通過(guò)特定的算法將不同位置的測(cè)量數(shù)據(jù)拼接起來(lái)。雖然兩幅圖形拼接后的誤差可能較小，但由于需要多次的拼接，會(huì)導(dǎo)致拼接累積誤差較大。此外，它無(wú)法精確測(cè)量如圓、圓槽和直線等的特征數(shù)據(jù)，因此，更適合獲取汽車、飛機(jī)等的外表曲面數(shù)據(jù)。
1.3 非接觸式與接觸式結(jié)合測(cè)量
2004年，美國(guó)F A RO產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，它的非接觸式與接觸式相結(jié)合的方法，給逆向工程領(lǐng)域帶來(lái)一種新的測(cè)量方法。它不僅可以實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)幾何特征元素的高精度測(cè)量功能，而且還實(shí)現(xiàn)了類似白光掃描儀的快速的捕捉點(diǎn)云的功能。
FARO的激光掃描儀是線激光掃描產(chǎn)品的典型代表，其測(cè)量原理也是三角法法則。與白光不同的是，其投影在被測(cè)物體表面上的是一條激光線，一個(gè)數(shù)碼相機(jī)拍攝圖像，提取光點(diǎn)的像素坐標(biāo)，通過(guò)標(biāo)定確定結(jié)構(gòu)光在世界坐標(biāo)系下的空間位置方程，以及世界坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，便可以計(jì)算出光點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。見(jiàn)圖4，圖5
圖4 FARO測(cè)量系統(tǒng) 圖5 線激光測(cè)量
然而，與之前白光掃描系統(tǒng)不同的是，白光系統(tǒng)在做掃描時(shí)需要在被測(cè)物體上貼上許多參考點(diǎn)，才能最終獲取物體的空間三維形狀；而FARO掃描系統(tǒng)必須利用機(jī)械手臂裝置將整個(gè)表面的光坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成在手臂上統(tǒng)一的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而獲得每一個(gè)光點(diǎn)相對(duì)于手臂坐標(biāo)系的空間X、Y、Z數(shù)據(jù)，則可得到被測(cè)物體表面完整三維數(shù)據(jù)。
盡管獲取被測(cè)物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，白光系統(tǒng)與F A R O的線激光系統(tǒng)都可以采集幾百萬(wàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但是在一些結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、不以曲面為主的產(chǎn)品零件，例如液力變矩器、變速箱等，用白光掃描儀只能獲取物體外觀的曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而一些被遮擋和隱蔽的位置，白光系統(tǒng)的兩個(gè)數(shù)碼相機(jī)無(wú)法同時(shí)觀察到，將無(wú)法獲取數(shù)據(jù)。此外，也無(wú)法精確體現(xiàn)出零件上幾何特征，如圓、槽等和加工基準(zhǔn)與曲面間的位置關(guān)系。由于FARO機(jī)械手臂的活動(dòng)自由度很大，因此可以使得在掃描物體時(shí)，方便快速靈活地操作，能克服白光系統(tǒng)的這些缺點(diǎn)。通過(guò)以上描述，表1總結(jié)出三種測(cè)量方法的特點(diǎn)。
2. 泵輪的逆向建模
運(yùn)用FA R O測(cè)量系統(tǒng)的接觸式和非接觸式結(jié)合測(cè)量的特點(diǎn)，進(jìn)行點(diǎn)云的數(shù)據(jù)采集，能有效的開(kāi)展液力變矩器產(chǎn)品的逆向建模，如圖6所示為某款液力變矩器的泵輪實(shí)物。
圖6 泵輪實(shí)物
如圖7所示為該泵輪的逆向建模流程，其中的定位實(shí)物坐標(biāo)和掃描實(shí)物兩個(gè)步驟，正是利用FARO測(cè)量系統(tǒng)的接觸式坐標(biāo)測(cè)量功能和非接觸式掃描測(cè)量功能的兩個(gè)特點(diǎn)完成的。
圖7 流程圖
2.1 泵輪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和定位
如圖8所示為采用GOM公司的白光掃描儀所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從X、Y、Z各個(gè)方向都不能體現(xiàn)泵輪的軸向視圖，即沒(méi)有得到合理的定位，這會(huì)導(dǎo)致在后期提取一些重要的特征曲線時(shí)，所依據(jù)的點(diǎn)云參照無(wú)法正確的投影。例如，無(wú)法用坐標(biāo)系三個(gè)基準(zhǔn)平面中任意一個(gè)，從點(diǎn)云模型上截取葉輪的外形的輪廓線。再者，中間軸孔的圓心位置用點(diǎn)云擬合，會(huì)有較大的誤差。而F A R O系統(tǒng)擁有三坐標(biāo)測(cè)量與激光掃描完美結(jié)合功能，一是可以對(duì)被測(cè)物體的數(shù)據(jù)坐標(biāo)自由定位；二是可以直接用測(cè)出圓、槽等特征的精確坐標(biāo)位置。
圖8 照相式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖9 FARO測(cè)量探頭
首先，在泵輪上獲取平面、直線、圓3個(gè)特征元素。圖9表示FARO系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，圖10表示系統(tǒng)的坐標(biāo)定位軟件，圖11表示在實(shí)物上獲取哪些特征在測(cè)量結(jié)果圖形上對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，并可以看到，泵輪的裝配軸孔的軸向?yàn)樽鴺?biāo)系Z軸。
圖10 FARO測(cè)量軟件圖11 對(duì)應(yīng)測(cè)量特征
泵輪的坐標(biāo)定位后，即可開(kāi)始用FARO系統(tǒng)的激光掃描功能對(duì)泵輪實(shí)物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)果如圖12所示。
圖12 FARO系統(tǒng)定位后獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)
從圖中可以看出，泵輪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)已經(jīng)合適定位。這也解決了后期逆向工程建模時(shí)的定位問(wèn)題，并且可快速?gòu)狞c(diǎn)云提取特征。
2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理
由于掃描過(guò)程中產(chǎn)生了一些噪音點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此，利用Geomagic軟件中強(qiáng)大的點(diǎn)云處理功能，剔除這些數(shù)據(jù)，并且最后生成三角形網(wǎng)格數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖13，并以STL的文件格式輸出。
圖13 三角形網(wǎng)格圖14 CAITA點(diǎn)數(shù)字形狀編輯器模塊
CATIA軟件可以在點(diǎn)云模塊和建模模塊之間互操作，這也是許多設(shè)計(jì)人員采用CA I TA作為逆向工程首選軟件的原因之一。本文主要采用四個(gè)模塊：數(shù)字形狀編輯器、自由形狀、創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。
啟動(dòng)CATIA數(shù)字形狀編輯器模塊，見(jiàn)圖14，同時(shí)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，效果見(jiàn)圖15。
圖15 導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖16 重構(gòu)曲面
2.3 曲面重構(gòu)
葉片曲面是建液力變矩器模的關(guān)鍵。用傳統(tǒng)的線構(gòu)面的方式，很難模擬出與實(shí)物接近的曲面，而自由形狀曲面能自由設(shè)計(jì)任何形狀的曲面。采用一個(gè)U V線6×6階曲面片通過(guò)調(diào)整曲面控制點(diǎn)，控制曲面整體與點(diǎn)云模型之間的偏差，獲得形狀接近點(diǎn)云模型的曲面。最終構(gòu)造出實(shí)物的整體模型，見(jiàn)圖16。
圖17 偏差分析圖18 光順性分析
2.4 曲面評(píng)價(jià)
判斷重新設(shè)計(jì)好的曲面是否滿足要求主要依據(jù)兩方面：一是要求曲面到點(diǎn)云的精度；二是要求曲面的光順性。從精度方面評(píng)價(jià)，泵輪的點(diǎn)云模型是否90%以上的數(shù)量點(diǎn)與曲面之間的偏差在±0.1mm以內(nèi)。從光順性方面評(píng)價(jià)，斑馬條紋狀圖形在曲面上是否光順。
2.5 模型生成
在上述評(píng)價(jià)都滿足后，運(yùn)用創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊，將曲面修剪成葉片形狀，最后通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊，將曲面轉(zhuǎn)換成實(shí)體，完成最后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖19是重構(gòu)后泵輪的實(shí)體模型。
圖19 泵輪模型
3. 結(jié) 語(yǔ)
利用FA R O激光掃描系統(tǒng)作為逆向工程前期重要的測(cè)量工具，解決了以前白光掃描和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)特征測(cè)量和掃描測(cè)量的難題。
（1）用FARO系統(tǒng)測(cè)量功能定位液力變矩器的坐標(biāo)，并獲取一些特征的精確尺寸，例如變矩器有效直徑、中間軸孔直徑與坐標(biāo)。
（2）用FARO激光非接觸式測(cè)量功能采集葉片曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用于逆向建模?！?/p>
參考文獻(xiàn):
[1] 馬文星. 液力傳動(dòng)理論與設(shè)計(jì)[ M ]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.4.
[2] 李有義等.液力變矩器葉珊系統(tǒng)測(cè)量方法[ J ]. 工程機(jī)械, 1999(7):31-34.
[3] 趙罡.反求工程技術(shù)在液力傳動(dòng)中的應(yīng)用研究[ D ]. 吉林大學(xué), 2003.
[4] 陸忠東. 基于Pro/Engineer Wildfire的液力變矩器反求設(shè)計(jì)[ J ].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào). 2007,10(4):269-271.
