基于逆向工程的飞机曲面重建方法研究

段云云 张云鹏 杨兵

摘 要： 二十一世纪以来，我国的经济在不断的飞速发展，社会现代化建设的脚步也越来越快，随着现在科技水平的发展，我国的很多行业都已经进入了一个新的领域，尤其是航空航天领域，我国已经取得了突破性的进展。但是在航空飞机领域，还是存在着一些问题，在逆向工程飞机的曲面重建上，包括滤波算法、点云数据简化算法和基于奇异值分解法的多是点云拼接算法，通过对数据的预处理，大部分数据噪点得以消除，数据量化进一步简化，三维的曲面扫描后再进行测量。使用现在的逆向工程曲面重建的技术对变形后的导管零件进行三维建模，这样可以获得一些很重要的参数，我国传统的逆向建立的模型技术没有考虑到制造的因素，不能直接用于制造。所以说，必须要专业的工作人员进行处理后才能使用，本文主要讲述了逆向工程的飞机曲面重建方法，可以有效的提高飞机上的空间导管的维修效果，但是这个过程中一定要对精度进行严格的控制，才能保证整体的要求。

关键词： 逆向工程;数据;曲面重建方法

【中图分类号】TP391     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.37.216

引言：逆向工程技术是消化吸收先进的技术，进行新产品开发设计创新的重要技术手段，在飞行实验领域通过逆向工程建立飞机外形结构件等零部件及工艺装备的数字化模型，能够充分发挥数字化的优势，实现智能化及集成产品数据交换，利用数字化设计数控加工，虚拟装备，有限元分析等数字化手段，将飞机的改进周期大大缩短，逆向通常包括数据采集、数据处理、cad模型重建三个主要环节，飞机机体曲面模型与一般工业模型特点存在不同。现在的新方法就是在实际的应用过程中，使用三维设备对零部件的外缘进行扫描并且输出一个三维的立体模型，而且现在通过逆向软件进行建立模型的技术已经非常成熟，但是还是不能完美的应用到飞机的曲面重建上，所以这是迫切需要解决的问题。

1 曲面重建的关键技术

1.1 点云数据采集

点云数据采用一定的测量方法和测量设备，测出实物各表面若干组点的几何坐标，激光三角法和激光束极坐标法是两种传统的非接触测量方法，可测量性是非接触测量遇到的主要问题。由于零件的几何结构和拓宽干扰的因素，部分区域的扫描数据几乎不能被测到，容易发生测量干涉的现象，通常采用多次扫描的方法。但在特殊的测量方法下，可测量的数据是有限的，一些数据也不能完全被获取，如通孔的数据。飞机机体点云数据采用两种方法相互结合。具体为激光三角测量局部，精度要求0.3毫米的曲面，例如机翼迎风面垂尾水平安定和起落架等位置，激光束极坐标法测量范围较大曲面可测性好，精度要求1毫米的曲面，利用硬件设备由全站仪手持式扫描仪三维激光扫描仪交换机工作站等。

1.2 点云数据的处理

1）对于噪点算法的点云降噪。在逆向工程中点云数据的处理数量一般都很大，并且不能避免噪点的引入，为了降低或消除噪点，提高后期建模的效率提升建模的质量必须对测量数据进行数据平滑处理，去测量噪点在大数据中的走向，在数据处理过程中，采用一定的算法，例如高斯滤波算法、中滤波算法等，滤波效果在指定区内的区域中为高斯分布，其余平均效果较小故在滤波同时，能够较好的保持原数据。平均滤波采样点的滤波窗口内数据统计的平均值，只取滤波器窗口内数据点的统计中值，这种滤波消除数据毛刺的效果比较好，在实际过程使用中，根据机体不同的分块的点云质量和后续建模要求选用不同的滤波算法。

2）对于曲率约束的数据精简。初始点云量数据过大，处理的速度比较慢，所以对初始点云数据怎样处理，使得利用较少的点云数据，被完全解释表达，为测量对象的特征信息，由于飞机机体的显著特征比较多，为了将其特征进行完整保留，在模型特征中明显和曲率变化大的部分特征的数据需要采用较多的点云表达，在曲面平坦处曲率变化不大的地方，利用较少的点云表达。

2 曲面重建的流程

由于采集得到的飞机点云数据信息量巨大，因此建模之前需要对模型进行区域划分，划分原则是根据曲面的构造方法进行，将交联的且构造方法一致的曲面发挥到一个区域中，这样有利于后期曲面提取以及曲面建模关键要素。重建的方法：首先依据装配协调关系，获取之前的已构建的飞机外形曲面，然后根据结构的位置，通过调节曲面等操作，创建曲面等，按照表面轮廓进行裁剪，最后得到的是所需要的曲面，对于飞机整体连框等结构进行调节，与其外观贴合部分较窄外形线平坦且接近于直线，该零件外轮廓可采用直纹面进行逼近处理。具体实现如下：

1）点云剖面

点云处理完成之后需要对点云进行剖面处理，Mesh CreationG3曲面部分处理，点云剖面可以更好的辨识点云各个方面的特征，方便重建模型，剖面完成后需要对有空洞的曲面进行补洞，就是经过剖面之后的机身网络面。

2）截面提取

在做截面提取之前需要将点云过滤，CATIA的世界坐标系对齐之后，能够方便截面的提取，单击功能按钮打开对话框选择偏移的参考平面，在参考平面上，出现一个操作器，利用该操作器可以对位置进行相应的调整，当位置调整完成之后便可以选择，剪切平面的距离以及剪切平面的数量，点击确定完成截面的提取。

3）曲面结构的构造

曲面提取完成之后便可以进行曲面构造，依旧将机身作为例子，根据机身曲面相关的特点，选择功能按钮，弹出多截面曲线面定义对话框，选择已编辑好的截面，编辑每个截面的方向统一，每条曲线的方向保持一致，否则会对曲面产生影响，造成扭曲的情况。

4）曲面质量的分析

切换到自由曲面设计板块，在工具栏中单击按钮选择曲面，进行分析所创建的曲面品质，要求曲面之间曲率连续，曲率变化均匀，没有多余的拐点。斑马线测试，也叫高光测试，是模拟一组平行光源照射，所要检测的表面上观察的反观测试的效果，不同曲面质量得到不同的反射效果，G0斑马线在连接处毫不相关各走各的，线与线之间也没有连续相互独立，G1斑马线虽然在连接处是相连的，但从表面到另一个表面会发生很大的变形，通常会在连接地方产生角度较小的拐角。只要斑马线是相连的，且在相连的位置通常不会有尖锐的拐角，也不会出现错位的情况。

结束语：本文详细讲述了基于逆向工程飞机曲面重建的数据采集过程和建模实现方法，包括点云处理技术和怎样从点模型到线模型以及最后的曲面模型的实现环节，介绍了逆向工程相关基础的知识，以及如何利用CATIA V5的相关逆向建模，进行飞机曲面建模。最后，着重探讨了建模中如何利用软件进行曲面质量分析，利用斑马线检测曲面品质等处理技巧。

参考文献

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