李　慶, 吳亞蘭

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程系， 安徽蕪湖 241000)

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異形零件的逆向建模方法及應(yīng)用

李慶, 吳亞蘭

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程系， 安徽蕪湖 241000)

摘要：提出逆向工程應(yīng)用于異形零件產(chǎn)品建模過程中的解決方案，對關(guān)鍵技術(shù)的使用進(jìn)行了詳細(xì)說明.首先在逆向軟件Geomagic中對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后創(chuàng)建異形零件的三維曲面模型，最后進(jìn)行誤差分析.通過Geomagic Quality軟件證明了重建的數(shù)字模型達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠滿足生產(chǎn)需求.

關(guān)鍵詞：逆向工程； Geomagic； 異形零件

逆向工程技術(shù)(ReverseEngineering，RE)以產(chǎn)品及設(shè)備的實(shí)物、軟件(圖樣、程序及技術(shù)文件等)或影像(圖片、照片等)等作為研究對象，逆向出初始的設(shè)計(jì)意圖，包括形狀、材料、工藝、強(qiáng)度等諸多方面[1].逆向工程應(yīng)用于已有零件的復(fù)制、損壞或磨損零件的還原、模型精度的提高及數(shù)字化模型檢測等.目前，國內(nèi)外產(chǎn)品設(shè)計(jì)已基本甩脫傳統(tǒng)的圖樣描述方式，而直接在三維造型軟件平臺上進(jìn)行[2].產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計(jì)三維造型軟件進(jìn)行建模的數(shù)據(jù)來源也由傳統(tǒng)圖樣變成了三維數(shù)字化的點(diǎn)云信息.點(diǎn)云信息的獲得主要依靠三維掃描技術(shù)的應(yīng)用.三維掃描技術(shù)能實(shí)現(xiàn)非接觸測量，具有速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn).手板、樣品、模型經(jīng)過三維掃描儀的掃描，可以迅速獲得其三維尺寸數(shù)據(jù).這些數(shù)據(jù)能與CAD、CNC設(shè)備、快速成型設(shè)備共享，在功能日趨強(qiáng)大的CAD軟件的編輯下，形成產(chǎn)品的數(shù)模，經(jīng)過調(diào)整、修改和創(chuàng)新后，可以通過CNC設(shè)備、快速制模機(jī)、快速成型機(jī)迅速得到產(chǎn)品的原型.這項(xiàng)技術(shù)路線可以為企業(yè)贏得產(chǎn)品上市時(shí)間，大大縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期.

1逆向工程的流程

逆向工程主要技術(shù)路線中的關(guān)鍵性技術(shù)包括數(shù)字化測量、點(diǎn)云處理、三維模型的建立.

1.1常用數(shù)字化測量方法

逆向工程技術(shù)路線中一個關(guān)鍵性技術(shù)就是三維數(shù)據(jù)即點(diǎn)云文件的獲取，點(diǎn)云文件主要依靠數(shù)字化測量方式獲得.逆向工程中數(shù)字化測量的主要方法有三坐標(biāo)測量法、投影光柵法、激光三角形法、核磁共振和CT法以及自動斷層掃描法等[3].常用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備有傳統(tǒng)的坐標(biāo)測量機(jī)(CoordinateMeasurement Machine,CMM)、激光掃描機(jī)(Laser Scanner)、零件斷層掃描機(jī)(Cross Section Scanner)以及CT(Computer Tomography)和MRI(Magnetic Resonance Imaging)等.根據(jù)測量方式不同，數(shù)據(jù)采集方法可分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類.

1.2點(diǎn)云文件編輯處理

用非接觸測量方法測得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)龐大，并往往帶有很多的雜點(diǎn)、噪聲點(diǎn)，影響后續(xù)的模型重構(gòu)過程.因此，需要在曲線重構(gòu)前，對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理以獲得滿意的點(diǎn)云，為曲面的重構(gòu)做充分的準(zhǔn)備，即點(diǎn)云預(yù)處理[4].點(diǎn)云預(yù)處理主要包括點(diǎn)云過濾、點(diǎn)云對齊、減少噪音、填充孔、封裝等工作，其工作流程如圖1所示.

圖1 點(diǎn)云文件編輯處理流程

1.3 三維曲面逆向建模

逆向工程技術(shù)發(fā)展中的核心課題，即是利用產(chǎn)品表面的散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)重構(gòu)產(chǎn)品CAD模型，通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，生成曲面或曲面片，最后通過曲面片的拼接和裁剪等曲面編輯操作，完成曲面模型的構(gòu)建.這里最重要的是自由曲面的特征重建[5].

目前由點(diǎn)云擬合成曲面的算法共有三類：四邊域的參數(shù)曲面擬合方法、三邊域的曲面擬合方法、基于多面體的曲面擬合方法.以NURBS曲面為代表的四邊域參數(shù)曲面擬合具有數(shù)據(jù)通用性好、算法穩(wěn)定、曲面編修能力強(qiáng)、曲面質(zhì)量好的特點(diǎn)，已經(jīng)成為曲面擬合方式的主流[6].常用逆向建模工作流程如圖2所示.

圖2 逆向建模工作一般流程

CAM和CAE軟件可以對重新建立的產(chǎn)品CAD模型進(jìn)行處理和加工，迅速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品原型的制造.不同類型的產(chǎn)品，其外觀和結(jié)構(gòu)均有各自的特點(diǎn)，所以需要根據(jù)不同結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)考慮逆向建模的思路.在使用CAD軟件建模過程中，要靈活運(yùn)用建模功能，針對不同結(jié)構(gòu)創(chuàng)建產(chǎn)品數(shù)模.這要求建模人員不但要考慮產(chǎn)品獨(dú)特的功能結(jié)構(gòu)和外觀要求，還要考慮產(chǎn)品的生產(chǎn)制造工藝.

2異形零件的三維掃描

異形零件是由五軸數(shù)控設(shè)備加工而成的，為實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，急需三維數(shù)字化模型，工件照片如圖3所示.

圖3 工件照片

2.1三維掃描設(shè)備

Win3DD系列三維掃描儀采用面掃描的非接觸式三維光學(xué)掃描方式，可針對外觀復(fù)雜、自由曲面、柔軟易變形或易磨損的物體進(jìn)行表面數(shù)據(jù)獲取，避免了傳統(tǒng)激光掃描儀精度低、效率差及行程限制等缺陷.

在使用三維掃描設(shè)備掃描前，要使用標(biāo)定板對設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，對工件噴涂顯像劑，最后才可調(diào)整曝光率對工件進(jìn)行掃描.掃描時(shí)對中部的曲線槽作重點(diǎn)處理，獲得如圖4所示點(diǎn)云.

圖4 點(diǎn)云文件

2.2 點(diǎn)云文件編輯處理

Geomagic Studio是Geomagic公司產(chǎn)品的一款逆向軟件，可根據(jù)任何實(shí)物零部件通過掃描點(diǎn)點(diǎn)云自動生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型.作為自動化逆向工程軟件，Geomagic Studio還為新興應(yīng)用提供了理想的選擇，如定制設(shè)備大批量生產(chǎn)、即定即造的生產(chǎn)模式以及原始零部件的自動重造[7].Geomagic Studio可以作為CAD、CAE和CAM工具提供完美補(bǔ)充，它可以輸出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式，包括STL、IGES、STEP和CAD等眾多文件格式.Geomagic軟件點(diǎn)云處理功能強(qiáng)大，能夠滿足逆向掃描點(diǎn)云處理要求.

可通過對齊、合并和注冊拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以及刪除體外孤點(diǎn)和降噪進(jìn)一步優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)據(jù).對于掃描的點(diǎn)云缺陷可以使用快捷的工具進(jìn)行修補(bǔ)和編輯處理.最后通過封裝后輸出STL格式三角形面片文件.處理后的文件如圖5所示.

圖5 經(jīng)過處理后的曲面文件

2.3曲面逆向建模

在點(diǎn)云構(gòu)建曲面的算法中，自由建模方法主要分為三大類：一種是以B-Spline曲面為基礎(chǔ)進(jìn)行曲面構(gòu)造；一種是以Bezier曲面為基礎(chǔ)進(jìn)行曲面構(gòu)造；還有一種是以NURBS曲面為基礎(chǔ)進(jìn)行曲面構(gòu)造.采用UG NX軟件進(jìn)行曲面建模.

異形零件逆向建模時(shí)，首先要進(jìn)行工件加工工藝分析，初步獲取各個特征成型的刀具路徑和加工方式.主體部分首先使用UG NX的“截面曲線”功能，在距離底部2mm的基準(zhǔn)平面上獲得水平面內(nèi)的點(diǎn)云信息，由取得的點(diǎn)云繪制出水平方向的截面輪廓.主體部分考慮用拉伸的方法創(chuàng)建，高度以千分尺測量得到的數(shù)據(jù)為準(zhǔn).在圓弧形狀內(nèi)側(cè)倒3.5mm的45°斜角，建模結(jié)果如圖6所示.

圖6 工件主體部分的建模結(jié)果

對于工件內(nèi)部臺階狀的溝槽，要分析出多軸加工機(jī)床的走刀路徑，在走刀路徑的下刀方向求出截面形狀.兩個溝槽加工路徑不一樣，需要分成兩次建模，主要思路是以“通過曲線組”功能建模為主，配合同步建模功能實(shí)現(xiàn)兩個溝槽的建模.在圖6所示的主體部分，取Z向截面，要求截面通過主體形狀的圓弧中心，如圖7中所示截面.在創(chuàng)建過程中，要注意選取截面的間距盡量大致相同，以確保形狀精度.在截取四段截面點(diǎn)云信息后，用曲線或草圖連接近似形狀，創(chuàng)建出溝槽形狀.對于創(chuàng)建的溝槽形狀圓角，可以根據(jù)實(shí)體零件直接測量獲得.溝槽兩邊可以使用同步建模功能進(jìn)行相應(yīng)編輯.使用布爾運(yùn)算減的方法，獲得圖7所示的溝槽.

圖7 工件內(nèi)部溝槽的建模結(jié)果

對于工件實(shí)物圖3中右側(cè)的U型槽，創(chuàng)建時(shí)要選好截面，也就是以最低的溝槽底面為截面，在STL模型上獲得U型槽基本形狀點(diǎn)云信息.使用過主體圓弧圓心的Z向基準(zhǔn)平面，截取STL模型獲得U型槽底部的斜線，用掃掠功能實(shí)現(xiàn)U型槽建模.利用布爾運(yùn)算去除多余材料時(shí)，應(yīng)注意不要破壞溝槽側(cè)壁.使用實(shí)體分割策略進(jìn)行修整時(shí)，可以避免上述破壞現(xiàn)象.

對于孔和槽，可以通過點(diǎn)云和手動測量工具進(jìn)行檢測獲得數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行拉伸創(chuàng)建，最后進(jìn)行三維圖形細(xì)節(jié)部分的修整，最終形成圖8所示的數(shù)字化模型.

圖8 產(chǎn)品數(shù)字化模型

3產(chǎn)品的檢驗(yàn)與對比

數(shù)模與點(diǎn)云的對比檢測使用Geomagic Qualify軟件，它是一款逆向校驗(yàn)軟件，可以迅速通過模型比照獲得產(chǎn)品數(shù)模和產(chǎn)品制造件(或原型)之間的差異.Geomagic Qualify能夠以比較簡明的圖形比較結(jié)果顯示上述差異，也就是造型或者制造的誤差.該軟件可應(yīng)用于產(chǎn)品的首件檢驗(yàn)、生產(chǎn)線上或是車間內(nèi)檢驗(yàn)、趨勢分析、二維和三維幾何形狀尺寸標(biāo)注等方面.Qualify軟件還可以自動生成客戶所訂制的檢測報(bào)告，以滿足檢測需求.

Qualify軟件使用中，以原始數(shù)據(jù)的圖5所示曲面為校驗(yàn)參考，對圖8所示的數(shù)字化模型進(jìn)行對比測量.根據(jù)不同顏色所示區(qū)域存在的誤差，對建模過程中的參數(shù)進(jìn)行修整.最好使用草圖功能對點(diǎn)云進(jìn)行擬合，以方便此時(shí)的修整和編輯.對于出入較大、又找不到相關(guān)參數(shù)調(diào)整的部位，可以使用UG NX軟件的X成型功能對部分曲面進(jìn)行調(diào)整，但這種方法誤差較大，不主張使用太多.經(jīng)過多次對比檢測的輸出結(jié)果如圖9所示.

圖9 點(diǎn)云與模型的圖形比較結(jié)果

4結(jié)束語

異形零件結(jié)構(gòu)中存在難以精確表達(dá)的曲面形狀或未知設(shè)計(jì)方法的結(jié)構(gòu)，通過逆向工程技術(shù)可以獲得準(zhǔn)確的數(shù)字模型，壓縮了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高了開發(fā)效率，改善了制造精度，避免了使用傳統(tǒng)方式重復(fù)試制的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)損失.實(shí)驗(yàn)和校驗(yàn)結(jié)果表明，逆向工程誤差控制應(yīng)注意的環(huán)節(jié)有：(1)三維白光照相掃描儀的自身誤差；(2)噴涂顯像劑時(shí)涂層的厚度和均勻性會影響點(diǎn)云精度；(3)點(diǎn)云處理時(shí)，如果為獲得較好的曲面質(zhì)量而將點(diǎn)云編輯功能中"平滑度"調(diào)的過大，會造成精度損失；(4)曲面建模時(shí)，要注意異形件的加工工藝，從加工制造的角度來考慮建模的思路，否則在建模時(shí)會造成較大精度誤差；(5)做曲線截取、曲面創(chuàng)建時(shí)要注意公差的設(shè)置，盡可能使公差值最小，以免造成曲面誤差過大.

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(編輯：郝秀清)

Reverse modeling method and its application for special shaped parts

LI Qing, WU Ya-lan

(Numerical Control Engineering Department, Anhui Techinical College of

Mechanical and Electrical Engineering, Wuhu 241000, China)

Abstract:By proposing a solution to reverse engineering application in special shaped parts product modeling process, the use of some key technology is described in detail in this paper. Firstly the paper introduced the processing of original data in the reverse engineering software Geomagic, then created a 3D surface model of multi axis machining parts,and finally analyed the error. Geomagic Quality software proved that the reconstruction digital model met the design requirements and could meet the production requirements.

Key words:reverse engineering; Geomagic; special shaped parts

中圖分類號：TB21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-6197(2015)03-0041-04

作者簡介：李慶，男，skgclq@163.com

基金項(xiàng)目：安徽省高等學(xué)校省級自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2013B048)

收稿日期：2014-11-19