基于精度控制的叶片模具型面逆向重构研究

范钧，王雷刚

(1.宿迁学院机电工程系，江苏宿迁223800;2.江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江 212013)

基于精度控制的叶片模具型面逆向重构研究

范钧1，王雷刚2

(1.宿迁学院机电工程系，江苏宿迁223800;2.江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江 212013)

逆向重构的精度会直接影响逆向产品的质量。结合ATOS扫描系统，通过对逆向重构过程中每个环节的精度控制及误差分配进行分析，探讨了逆向重构过程中精度控制的方法，实现了对叶片模具型面逆向重构的精度控制。

模具型面;精度控制;逆向工程;曲面重构

逆向重构是逆向设计过程中的重要组成部分，而精度控制又是该项技术中的核心问题。基于逆向重构的精度控制定性分析方面的研究［1－5］较少，定量分析方面的研究［6－7］更少，而结合逆向重构全过程的精度控制定量分析方面的研究极少。作者基于误差分配与曲面评定原则，结合ATOS扫描系统，通过对逆向重构过程中每个环节的精度控制及误差分配进行分析，探讨了叶片模具型面逆向重构过程中，精度误差定量分析方法，实现了对水泵叶片模具型面逆向重构的精度控制。

1 逆向重构过程精度分析

1.1 逆向重构过程精度

逆向重构是逆向工程中的一个重要组成部分。逆向重构过程分为两个阶段:第一阶段为数据采集阶段;第二阶段为模型重建阶段。逆向重构过程的精度控制由数据采集阶段精度控制、模型重建阶段精度控制两部分组成。逆向重构过程精度控制分布如图1所示。

图1 逆向重构过程的精度控制分布图

1.2 逆向重构过程误差分配

1.2.1 误差分配

误差分配是误差合成的逆问题，即在总误差给定的前提下，确定出各分项误差。逆向工程中产生的各种误差是随机的，满足正态分布规律。总误差分配公式［8］如式 (1)所示:

式中:Δi(i=1，2，…，n)就是各种分项误差。

1.2.2 逆向重构过程误差分析

逆向重构过程中，总误差分配主要由数据采集误差、模型重建误差两部分组成。逆向重构过程误差分配如图2所示。

图2 逆向重构过程误差分配图

2 叶片模具型面的逆向重构精度分析

2.1 叶片模具型面

叶片模具活块如图3所示，该活块需要逆向重构的点云型面分布如图4所示。

图3 叶片模具活块

图4 点云型面1和型面2

2.2 数据采集误差分析

2.2.1 原型误差分析

原型产品设计误差为0.02 mm，制造误差为0.01 mm;由于原型产品是直接从工厂获得的全新原型，使用误差可以忽略，即使用误差为0。原型误差计算方法如公式 (2)所示:

根据公式 (2)，原型误差为0.022 4 mm。

2.2.2 测量误差分析

ATOS扫描系统在扫描过程中，测量误差分配主要由测距误差和坐标系误差两部分组成。测距误差主要是由扫描仪整体精度产生的尺寸误差。坐标系误差主要由坐标系设定产生的偏置误差和坐标系堆叠产生的偏移误差两部分组成。由坐标系设定产生的偏置误差为0.016 mm。坐标系堆叠产生的偏移误差分布如表1所示。

表1 坐标系堆叠产生的偏移误差分布 mm

2.3 数据预处理误差分析

数据预处理误差是指对测量数据进行去噪、平滑、精简、重定位等操作，有时会损失特征点的有用信息，从而引入误差。由于对水泵叶片点云进行了微小的去噪、平滑、精简等操作，这些操作引入的误差，一般控制在0.01 mm;重定位操作时，由于新建坐标系与系统坐标系完全重合，重定位引入的误差可以忽略不计。因此，水泵叶片点云数据预处理误差为0.01 mm。

2.4 逆向重构过程精度分析

逆向重构过程精度要求控制在0.1 mm。逆向重构过程精度控制因素分析过程如图1所示。根据图2，逆向重构过程误差计算方法如公式 (7)所示:

其中，模型重建误差计算方法如公式 (8)所示:

结合公式 (7)和公式 (8)，由于数据采集误差和模型重建误差中的数据预处理误差恒定，逆向重构精度的控制可以通过调整模型重建误差中的曲面重构误差来实现。结合数据采集误差和模型重建误差中的数据预处理误差的具体数值，曲面重构误差只要小于0.086 0 mm，叶片模具型面逆向重构精度就可以得到控制。

3 叶片模具型面逆向重构的精度控制

3.1 曲面重构误差分析

3.1.1 曲面片拟合误差分析

在逆向工程中，可以把点云看作理想轮廓面，重构曲面看作实际轮廓面，轮廓度公差值等于两倍的重构误差［8］。

曲面片拟合计算方法如公式 (9)所示。

曲面片1拟合误差如图5所示。根据公式 (9)，曲面片1拟合误差为0.038 3 mm。

图5 曲面片1拟合误差

曲面片2拟合误差如图6所示。根据公式 (9)，曲面片2拟合误差为0.068 2 mm。

图6 曲面片2拟合误差

曲面片间拟合总误差如公式 (10)所示:

根据公式 (10)，曲面片间拟合总误差为0.069 3mm。

3.1.2 曲面片间拼接误差分析

曲面片间拼接误差计算方法如公式 (11)所示:

曲面片间拼接误差如图7所示。根据公式(11)，曲面片间拼接误差为0.016 6 mm。

图7 曲面片间拼接误差

3.1.3 曲面重构总误差

曲面重构总误差计算方法如公式 (12)所示:

根据公式 (12)，曲面重构总误差为0.071 4 mm，小于0.086 0 mm，即叶片模具型面逆向重构精度得到了控制。

4 结论

精度控制是逆向重构过程中的关键问题。基于对逆向重构过程中每个环节的精度控制及误差分配进行分析，通过对水泵叶片模具曲面重构的误差进行调整，实现了对该模具型面逆向重构的精度控制，为今后基于逆向工程的叶片及其模具设计精度控制提供了依据。

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Study on Reverse Reconstruction of the Die Face of the Blade Based on Precision Control

FAN Jun1，WANG Leigang2
(1.Department of Mechanical and Electronic Engineering，Suqian College，Suqian Jiangsu 223800，China;2.School of Material Science and Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China)

The precision of reverse reconstruction has direct influences on the quality of the reversed products.Combining with ATOS scanner system，the precision control and the error distribution of every aspect during the reverse design processwere analyzed.Themethod of precision control during reverse reconstruction was analyzed.The reverse reconstruction of the die face of the blade based on precision controlwas realized.

Die face;Precision control;Reverse engineering;Surface reconstruction

TP391

A

1001－3881(2013)9－074－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.09.021

2012－04－05

范钧 (1979—)，男，硕士，讲师，主要从事基于逆向工程的机械零部件及模具CAD/CAE/CAM方面的研究。E －mail:fanjun@sqc.edu.cn。