逆向工程在小導管數(shù)字化構建與虛擬裝配中的應用

郭廣鑫，李 澍，郭逸婧，李 莉，王 建，王 哲，侯杰然

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.上海無線電設備研究所，上海 201109；3.上海神添實業(yè)有限公司，上海 200090；4.上海目標識別與環(huán)境感知工程技術研究中心，上海 200090）

0 引言

逆向工程是在構建汽車、飛機等數(shù)字樣機中廣泛應用的一種技術。在管路逆向工程方面，研究對象主要為汽車排氣岐管[1，2]、航空導管[3]設計、制造與維修環(huán)節(jié)[4-8]等。在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)涉及的自由曲面擬合、測量點數(shù)據(jù)擬合算法研究等[9，10]已經(jīng)形成一批研究成果，針對通徑100 mm左右大導管、鑄鐵件等的CATIA曲面整形[11]已經(jīng)投入工程應用。針對小通徑航天鋁合金多段彎曲小導管逆向，面向數(shù)字化制造的導管逆向建模方法[12]具有較強的理論可行性，但文獻中僅給出基于CATIA的三維模型逆向重構方法，未明確方案與進行對比試驗。

長征七號火箭作為我國新一代中型運載火箭的主力型號之一，以打造數(shù)字火箭為目標，在型號研制中廣泛應用數(shù)字化技術，全面提高設計、制造水平。但在產(chǎn)品全三維下廠中，雖然設計花費了大量時間，將三維管路進行了建模和標注，但由于車間現(xiàn)有加工能力有限，仍有一部分管路采用了現(xiàn)場取樣方式，由此導致三維模型和實際產(chǎn)品的不一致。為解決上述問題、確保數(shù)字樣機的正確性，為后續(xù)模裝干涉檢查及有限元仿真等工作提供可信數(shù)據(jù)支撐，本文重點開展小導管逆向數(shù)字化構建及虛擬裝配技術研究，為運載火箭增壓輸送管路三維模型狀態(tài)管控做好技術儲備。

基于高效、低成本的約束條件，本文在分析逆向工程基本原理的基礎上，在方案設計之初考慮從試驗多方案設計及可行性驗證方面提出了小導管逆向?qū)嵤┓桨?，并在新一代中型運載火箭長征七號上采用先進的逆向建模手段成功實現(xiàn)了測壓小導管數(shù)字化構建與虛擬裝配，有效支撐了產(chǎn)品研發(fā)。

1 逆向工程基本原理

逆向工程是利用三坐標測量機或激光掃描儀對產(chǎn)品進行掃描或測量，得到實物樣品的點云數(shù)據(jù)，導入軟件進行模型重構和裝配。主要包括逆向測量、數(shù)據(jù)處理、實體重建、虛擬裝配等步驟，如圖1所示。

圖1 逆向建模流程圖

逆向測量一般采用非接觸式技術或接觸式測量技術，實現(xiàn)被測物體整體測量數(shù)據(jù)的獲取。逆向建模的基本原理是按點-曲線-曲面原則，以實物點云作為參照，對樣件進行重構還原。一般采用專用逆向軟件或?qū)I(yè)CAD軟件，如CATIA、Pro/E等。

為保證逆向建模的效率和精度，設計合理的逆向建模方案是本文研究的關鍵。本文提出了兩種方案，并利用小導管樣件對兩種方案進行了實例驗證。以下為具體方案內(nèi)容。

2 小導管逆向構建與虛擬裝配方案

小導管逆向構建與裝配方案有兩種：

（1）專用設備+關鍵特征擬合：基于專用的彎管類零件測量設備，獲取管件中心軸的空間走向曲線，結合游標卡尺等工具測量獲得的管件直徑，通過掃掠建立管件模型，最終與兩端的標準連接件裝配，形成完整的管件三維實體模型。

（2）三維掃描+曲面擬合：基于三維激光掃描與曲面擬合逆向建模方法，獲取管件外表面的曲面造型，最終還原為管件的三維實體零件圖。

為了選取專門針對管路的、效率更高、成本更低的方案，本文對上述兩種逆向建模方法進行對比試驗。

3 小導管逆向工程試驗

3.1 試驗對象

選取新一代運載火箭工程研制現(xiàn)場取樣獲得的燃箱測壓小導管作為本文的試驗管件。

圖2 煤油測壓小導管

開展上述兩種逆向建模方法的對比試驗：

3.2 方案一：彎管零件測量設備+CATIA

3.2.1 設備概述

關節(jié)臂測量機體積小、重量輕、移動方便；測量范圍大、死角少，對被測量零件本身材質(zhì)無要求；可做在線檢測，適合車間使用；具有觸發(fā)式測頭，紅外線測頭，激光測頭等多種測頭，適于針對異型管與不規(guī)則曲面尺寸做全面的對比分析及逆向工程數(shù)據(jù)反求。

管件測量系統(tǒng)提供了獨特的檢測手段，可以檢測管件長度、形狀、位置、彎曲半徑、彎曲修正數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)以多種方式輸出。

圖3 關節(jié)臂測量機與管件測量系統(tǒng)

基于上述設備的特點，本文采用了在關節(jié)臂測量機上加裝專業(yè)的管件測量系統(tǒng)（見圖3），通過獲取管件中心軸的空間走向曲線，結合游標卡尺等工具測量獲得的管件直徑，掃掠建立管件模型，最終與兩端的標準連接件裝配，形成完整的管件三維實體模型，如圖4所示。

圖4 管件測量數(shù)據(jù)示意圖

3.2.2 建模流程

利用管件軸線結合卡尺測量的基本流程如圖5所示。通過管件測量系統(tǒng)獲得軸線的空間走向曲線，再以建立的圓端面沿軸線掃掠建模。該方法簡易、高效、精確。

圖5 管件軸線測量與端面掃掠逆向建模流程

3.2.3 建模與裝配過程簡介

通過關節(jié)臂與管件測量系統(tǒng)進行檢測，經(jīng)軟件處理后獲得管件的軸線空間走向曲線。再在管的一端建立與曲線垂直的平面，并在平面上繪制管的內(nèi)外徑（經(jīng)測量樣管的外徑為6.00 mm），最后使所繪制的輪廓曲線圖沿掃描得到的中心線進行實體掃掠得到實體模型，具體過程如圖6–圖8所示。

圖6 管中心走向曲線

圖7 管截面輪廓曲線

圖8 掃掠得到的管三維模型

由于樣管上的螺母和接頭都是標準件，所以在構建完成小導管的模型后只需與相應代號的連接件組裝即可獲得管件的完整三維模型，如圖9所示。

圖9 完整的管裝配圖

3.3 方案二：激光掃描儀+RapidForm

3.3.1 設備概述

手持式激光掃描儀（圖10）工作原理是通過轉(zhuǎn)動裝置的掃描運動，完成對物體的全方位掃描，接著進行數(shù)據(jù)整理，通過一系列去除野點、離散稀疏等處理獲取目標表面的點云數(shù)據(jù)。因目標物體為高反光物體，在管件表面噴涂顯像劑（圖11），并在表面粘貼設置了一系列標記點用來完成產(chǎn)品空間定位。

圖10 手持式激光掃描儀

圖11 顯像劑

3.3.2 掃描流程

基本流程如圖12–圖14所示。通過正面掃描，反面掃描，整體掃描，把正反面的數(shù)據(jù)拼接到整體數(shù)據(jù)中形成完成點云數(shù)據(jù)。為了保證拼接的準確性，在被測物體上設置定位標定點，利用軟件對標定點進行識別，掃描過程中軟件自動跟蹤標定點進行擬合拼接，通過多次掃描擬合拼接，形成最終的結果點云數(shù)據(jù)。

圖12 正面掃描

圖13 整體掃描

圖14 數(shù)據(jù)拼接

3.3.3 建模及裝配過程簡介

通過掃描儀進行檢測，經(jīng)軟件自動擬合生成管徑，導出STP格式并導入Creo1.0（ProE4.0系統(tǒng)也適用），利用自由曲線命令捕捉導入?yún)⒖季€，獲得管件的軸線空間走向曲線。再在管的一端建立與曲線垂直的平面，并在平面上繪制管的內(nèi)外徑（經(jīng)測量樣管的外經(jīng)為6.00 mm）。最后使所繪制的輪廓曲線圖沿掃描得到的中心線進行實體掃掠得到實體模型，具體過程見圖15–圖18。

圖15 自動擬合生成管徑

圖16 導出STP格式文件

圖17 導入Creo1.0生成中心軸曲線

圖18 掃掠生成管路實體模型

經(jīng)軟件處理后獲得管件軸線的空間走向曲線，再以建立的圓端面沿軸線掃掠建模。同樣，由于樣管上的螺母和接頭都是標準件，在構建完成小導管的模型后與相應代號的連接件組裝即可建立管件的完整三維模型。

上述兩種方法不僅簡易、高效、精確，且實施簡單可行。試驗表明，逆向建模偏差不超過0.1 mm，均滿足小導管數(shù)字樣機建模精度要求。相比而言，前者適用于空間較開敞的操作環(huán)境或固定工位，以便放置體積較大的關節(jié)臂測量機與管件測量系統(tǒng)；后者則攜帶方便，對空間要求相對較低，允許在狹小和窄環(huán)境中實施。同時，兩者都需要開展大量的設備啟動、精度校準等前期準備及數(shù)據(jù)后處理工作。

4 結束語

利用逆向工程技術已經(jīng)在汽車、航空、航天、電子等很多領域得到了充分地成功應用。本文提出的小導管逆向構建與裝配實施兩種方案，均能支持新一代中型火箭增壓輸送系統(tǒng)三維模型更新，不僅速度快、效率高，且能進一步推廣應用到其他的航天型號產(chǎn)品。逆向建模技術在小導管數(shù)字化構建與虛擬裝配上的成功實施，證明了逆向工程方法的可行性，不僅能確保數(shù)字化設計與裝配的正確性，也能為管路局部改裝驗證提供了很好的技術手段，有效支持設計與生產(chǎn)，為型號研制帶來可觀的效率。