逆向设计技术在整流罩建模中的应用

唐顺等

摘 要：以某整流罩为研究对象，在缺乏图纸和理论数据的基础上，应用基于激光跟踪仪的非接触式测量设备获取该罩体的外形点云数据。通过对测量数据的分析和研究，使用3D设计软件-CATIA及逆向设计技术完成整个整流罩的外形曲面的重构工作，并生成可用于该罩体模具设计的三维数模。

关键词：逆向合计；点云；曲面重构

引言

某整流罩的逆向设计是一项系统工程，需要涉及制造业的诸多领域。文章中介绍的整流罩逆向设计方法及过程仅仅指构建该整流罩外形曲面三维数学模型的过程。根据整流罩的表面材质、使用环境及内部蜂窝结构确定采用非接触式测量方式完成外形数据的获取，文章采用基于激光跟踪仪和Polyworks三维测量软件的T-scan对该整流罩外形进行扫描，获取点云数据。

1 某整流罩逆向设计实例

1.1 涡轮整流罩外形分析

根据罩体的安装部位，根据获取的安装部位的离散的点云面片构建安装部位外形曲线，应用CATIA中的创成式曲面模块拉伸出安装部位的外形曲面；再将该安装部位的外形曲面进行偏移，得到偏移曲面；偏移曲面是对其点云数据进行分块的基础切割曲面。

逆向设计技术是快速实现整流罩外形曲面数字化的主要途径。某整流罩在工作中损伤，根据某试验要求，迫切需要应用逆向设计对其外形进行建模，通过模型生产模具对其进行生产制造。经过分析，该整流罩属于整体件，下部通过连接法兰与某曲面相连。在逆向设计过程中需要对其整体进行扫描，通过软件将采集的数据进行分块处理，分别进行逆向设计。数据分块是根据整流罩的表面特征，将其点云分为不同的数据块分别进行逆向曲面设计，提高逆向设计效率，消除无关联数据对待处理区域的影响。

1.2 整流罩表面点云数据的采集

本次点云数据的获取采用的设备属于非接触式测量方式，也不需要在整流罩的表面喷涂显影剂或粘贴标示点，其数据采集精度可以达到20μm。由于整流罩的尺寸不大，可将三维测绘扫描仪放置某一固定的站位，翻转整流罩2次就能完成整个整流罩的表面数字化扫描工作。在软件中通过2次扫描的公共区域将点云对齐至统一坐标系下。获取的点云是以单点的三维坐标形式存储，要对其进行逆向设计，需要将其进行三角面片封装，封装成*.stl格式。STL封装是将采集的离散的点云作为三角形的顶点连接形成分片线形曲面，能够表示测点的临接关系和模型的正确全局拓扑[2]。经过软件中的统计命令可知采集的点数为498287个，封装后三角形数为977416个，整流罩的面积为1.859m2。

1.3 整流罩曲线与曲面的构建

整流罩逆向设计的目标是根据离散的数据点构造出光滑、连续的CAD模型，因此模型重建技术是逆向工程的关键技术之一。曲面重构过程实际上就是根据实物模型的点云，重建其几何和拓扑信息，再现曲面产品特征的过程。

采集的点云数据经过数据填充、数据过滤剔除噪点后的点云数据位逆向设计的基准数据。分析整流罩后，需要通过与XY平面平行的一系列截面与点云数据进行相交计算，获取截面曲线，通过放样计算、外插延伸、桥接及修饰得到罩体的外形曲面。在逆向设计过程中，要实时运用检测命令检测点云数据与构造曲面间的偏差值。如果不符合要求，就需要调整NURBS曲面的控制点，直到满足要求，这是一个反复迭代的过程，也需要大量的逆向设计经验，所需要的逆向设计技巧很多，需要在实践中根据不同的实际情况采用相应的曲面构建方法以达到满意的效果。

1.4 整流罩的三维实体模型设计

将用逆向设计方法重构的罩体外形曲面切换至CATIA的零件设计模块，应用曲面加厚命令完成罩体的实体设计过程，应用重构的安装部位的外形曲面对其进行分割，应用修饰命令中的倒角工程就可以完成该罩体的三维模型，满足罩体逆向设计要求。

2 结束语

在缺乏相关设计资料数据的前提下，根据某整流罩的重新设计需求，应用基于激光跟踪仪的三维数字化测绘设备获取该罩体的表面数据，使其表面数字化，结合逆向设计的一般程序及整流罩自身特点，分块完成该整流罩的外形及安装部位的外形曲面，并应用零件设计模块中的相关命令将曲面填充成可用于加工制造的三维实体模型，得到了十分有效的设计结果，对该整流罩的可维修性和再制造性奠定了基础。随着材料技术、数字化测量技术、逆向设计技术及计算机技术的不断发展，具有复杂外形曲面的整流罩的再制造领域将会迎来突破性的发展，将对经济的快速发展和国防现代化建设具有重要的意义。

参考文献

[1]金涛，陈建良，童水光.逆向工程技术研究进展[J].中国机械工程，2002（16）：1430-1436.

[2]谭昌柏，汪俊.逆向工程基本原理与方法[M].南京航空航天大学，2007：46-57.

[3]范欢欢，刘韶光，王宏旭.基于逆向设计的飞机腹部整流罩设计[J].机械研究与应用，2013（6）：114-115.

作者简介：唐顺（1988-），男，汉族，助理工程师，学士，主要研究方向：飞行试验设计、计划管理。

刘韶光（1984-），男，汉族，工程师，硕士，主要研究方向：试验机逆向设计、数字化装配技术、科研计划管理。