用NX/WAVE进行空调分体机逆向设计

　　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。