1 引言

逆向工程技术是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。采用逆向工程技术,不仅能够得到实物的精确数字模型,而且还可以进一步修改并生成新的数学模型和产品工程图,从而快速实现产品的消化吸收和创新。逆向工程技术的应用,不但缩短了产品开发周期,而且提高了产品创新的成功率,它已经成为企业产品开发设计的重要途径之一。逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等诸多方面,是一个复杂的系统工程,下面介绍应用NX/WAVE进行空调分体机的形状反求,也称逆向设计。

原先用于注塑生产的空调分体机的模具是从国外进口的,在经过长期的注塑生产后,模具已经磨损,生产的塑件难以满足产品技术要求。如果重新进口整套模具,则费用昂贵,等待时间长,企业难以承受。基于当前市场激烈竞争的多种因素考虑,决定对该空调分体机进行反求设计,建立各零件的3D数字模型,并以此进行模具的重新制造。

与单零件的反求设计相比较,空调分体机整机的逆向设计不仅要考虑各零件的形状精度,而且还要考虑各零件间的装配关系,数据测量、处理与设计过程要复杂得多。

2 空调分体机的数据测量

实物的数字化是逆向设计实现的第一步,是曲面重建和模型构建的基础。因此,高效、高精度地实现空调分体机的表面数据采集,是其逆向设计的关键之一。

(1)测量设备

空调分体机的各零件为壳体注塑件,各零件表面曲面的面积不大,并且曲面形状复杂度不高,多筋条和窗口结构是构成各零件的主要特征,见图1所示。结合空调分体机的形状特点,采用三坐标测量仪(CMM)进行测量,获取的测量数据精度高,并且可根据零件形状的特征灵活地确定数据采集的位置和数量,完全可满足空调分体机的逆向设计要求。

 

图1 空调分体机的结构特点

(2)测量对象

由于空调分体机各零件的模具结构复杂,局部型腔空间范围小,限制了测量探针的移动,需要测量型腔和型芯才能获取表达零件的完整数据,这难于确保两次测量数据的基准一致而引起误差,并且使得后期数据处理工作量大且难度高。相反,直接测量空调分体机而获取数据,由于测量探针的移动、定位无限制,一次测量就可获取各零件所需的完整数据,并且所有零件的测量数据都基于同一基准,真实地反映了各零件的装配关系。

(3)测量规划

测量规划的目的是精确而又高效地采集必要的特征数据。将空调分体机的各零件按实际装配关系装配在一起,在容易变形的位置使用硬物进行紧固,以防止变形影响精度。测量前,针对各零件的外形与结构特点,预先推测可能采用的建模方法、需要哪些数据,有目的地获取零件外形和结构的特征数据,使测量数据少、齐、准。测量时,依据“从上到下、由外到内”的顺序,逐一测量空调分体机的整体外形、面罩、底座等零件,当完成了一个零件的测量后,就拆卸该零件,再依次测量下一个零件,直至获取所有零件的完整数据为止。

3 空调分体机的模型重构

空调分体机包含多个零件,结构复杂,反求设计工作量大、时间紧,采取多人并行地进行逆向设计,实现关键几何数据共享和部件间关联建模,减少重复的逆向设计工作,这是空调分体机模型重构的核心。

(1)设计机制

并行地进行空调分体机逆向设计,需要建立合理的设计机制,协调团队的设计行为和几何数据传递。设计机制的主要内容包括:设计任务的具体分工和权限分配;产品结构装配树的建立、产品关键骨络框架几何体的创建及传递路线;各零件间的几何数据关系;当遇到设计问题时的处理原则,以及协调处理;逆向设计结果的验证与更改。

(2)数据处理

采集数据的精确度和完整度将很大程度地决定重构模型的质量。由于空调分体机存在孔、槽等形状特征,使得探头无法接触测量而形成数据缺漏。此外,由于零件的尖锐边缘或其它因素,测量数据中会出现坏点。这些坏点和数据缺漏严重影响了后续模型重构的质量,因此,在空调分体机模型重构之前,需对测量数据进行必要的处理,主要包括剔除异常数据、补齐遗失点、数据对称等工作,为后续由点数据拟合或逼近为外形特征曲线做准备。

对于测量数据中存在的坏点现象,使用直观检查法和曲线检查法进行排除。对于测量数据中存在的缺漏现象,则采用曲线插值法和造型设计法进行数据修补。无论是曲线插值法还是造型设计法,得到的数据点都需要在生成曲面后,根据曲面的光顺和边界情况反复调整,以达到最佳效果。

(3)模型构建

应用WAVE技术对空调分体机进行“自上而下”的逆向设计,首先在产品装配的顶层,利用测量数据建立描述空调形状的关键特征曲线,并利用各种建模功能,生成空调分体机的骨络框架几何体,包括基准、草图、曲面、实体等,如图2所示。然后关联复制与各零件相关的骨络几何体,并向下传递给产品装配的零件层。最后,在零件层,以这些链接的骨络几何体作为各零件逆向设计的开始,并加以由测量数据建立描述零件结构特征的曲线,进行详细的结构建模。当各零件完成逆向设计后,就自动装配在一起构成空调分体机的整个产品(见图1)。

 

图2 空调分体机的骨络几何体

曲线是构造曲面的基础,而实体模型则基于曲面。空调分体机的外形和结构没有复杂的曲面,因此,利用扫描点数据逼近为参数化曲线如草图特征曲线,如图3所示,既可满足精度要求,又可便于在设计中进行验证修改。在整机外形的构建时,先利用NX建模中的曲面造型功能,如扫描面、网格面等,以及通过延伸、过渡等曲面编辑功能,得到空调分体机的曲面片体,再用曲面片体对轮廓毛坯体进行修剪和布尔运算,就可得到空调分体机的实体模型。在各零件结构的逆向设计中,先以链接的零件实体进行壳体处理,然后利用NX建模中的拉伸、偏置、修剪和布尔运算等功能,构建各零件的细节结构,针对零件结构中的相似性特点如筋槽、加强筋等,充分应用特征和形状引用功能,以实现快捷建模。

 

图3 由点逼近草图曲线

(4)数据验证

数据验证是逆向设计必不可少的环节。对于空调分体机的逆向设计,除了需要检查重构模型与实物原形的形状精度之外,还需要重点检查各零件间是否存在干涉、配合零件间的形状和尺寸是否匹配、零件中的安装定位尺寸是否满足与金属件或线路板之间的配合等。由于应用了WAVE技术采取“自上而下”的设计,各零件的数据相互关联,因此,当发现存在问题时,对父级几何体进行修改后,系统会驱动下游各部件模型的自动更新。

4 结束语

本文以应用NX/WAVE技术完成空调分体机的逆向设计为例,从实践角度说明,随着逆向工程技术的深入研究和应用,以及高质量、高精度的加工设备的投入使用,利用实物原型反求得到产品数字化模型并应用于模具制造,既满足产品要求,又节约成本,使企业摆脱了过去高端模具依赖进口的局面,大大提高了模具企业的市场竞争力。