魯淑葉 魯佳飛

(1.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川廣元628017；2.大連中興成信機(jī)械工程有限公司 遼寧大連116000)

在瞬息萬變的產(chǎn)品市場，能否快速地生產(chǎn)出合乎市場需求的產(chǎn)品成為企業(yè)成敗的關(guān)鍵，面對只有實(shí)物樣品或模型，沒有圖紙或 CAD數(shù)據(jù)文檔，逆向工程技術(shù)專門為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的三維繪制路線，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)物模型到幾何建模的直接轉(zhuǎn)換。用逆向建模技術(shù)把實(shí)物模型快速轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，就可以大幅縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期。

1 逆向工程技術(shù)的工作流程

逆向工程也稱反求工程，反向工程，是指對存在的實(shí)物模型或零件通過接觸或非接觸測量得到相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用逆向軟件重構(gòu)CAD模型的一個(gè)過程。其具體流程如圖1所示。

圖1 逆向工程的工作流程圖

2 基于Geomagic DesignX軟件的剎車手柄逆向設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)的采集與點(diǎn)云處理

數(shù)據(jù)采集是逆向工程中的重要環(huán)節(jié)，本文的數(shù)據(jù)采集使用Handyscan3D手持式三維激光掃描儀對剎車手柄零件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，并將采集的剎車手柄數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio軟件中進(jìn)行點(diǎn)云處理，在點(diǎn)云階段，通過點(diǎn)云對齊、去除體外孤點(diǎn)和減少噪音，采樣等操作，得到光滑點(diǎn)云，如圖 2所示。然后將數(shù)據(jù)封裝成三角面片數(shù)據(jù)，再通過破洞修補(bǔ)、邊界修補(bǔ)、多邊形編輯等操作得到光滑的多邊形模型，如圖3所示。處理完數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)保存為STL格式。

圖2 優(yōu)化的點(diǎn)云圖

圖3 優(yōu)化的多邊形模型

2.2 逆向建模

本文采用軟件Geomagic DesignX逆向建模，逆向建模的一般流程是:劃分領(lǐng)域－對齊坐標(biāo)系－提取和編輯特征曲線—根據(jù)領(lǐng)域特征合理建模。

1）劃分領(lǐng)域組

將.stl文件導(dǎo)入Geomagic DesignX軟件中，使用領(lǐng)域組功能的自動(dòng)分割功能將面片劃分為多個(gè)特征區(qū)域，根據(jù)需要可以使用手動(dòng)分割進(jìn)行重新分割，結(jié)果如圖4所示。

圖4 劃分領(lǐng)域

2）坐標(biāo)系對齊

在逆向工程技術(shù)中，由于點(diǎn)云中的坐標(biāo)系大多與軟件的坐標(biāo)系不一致，在軟件中操作時(shí)不能將點(diǎn)云切換到合適的視圖，所以需將點(diǎn)云中的坐標(biāo)系與軟件中的坐標(biāo)系對齊，以方便操作。

選中“手動(dòng)對齊”功能，選擇x-y-z方式將坐標(biāo)系移動(dòng)至圓柱體的上表面，如圖5所示。擺齊對正效果如圖6所示。

圖5 “手動(dòng)對齊”功能

圖6 擺齊對正效果

2.3 剎車手柄模型的創(chuàng)建

對圖1進(jìn)行分析，剎車手柄主要由中間空心圓柱、斜面支撐部分及與圓柱相交的空心圓柱三個(gè)部分組成。根據(jù)各部分特征的形成方式，選取合適的建模方法，完成模型的重建。

1）中間空心圓柱的創(chuàng)建

中間空心圓柱部分通過回轉(zhuǎn)截面旋轉(zhuǎn)完成實(shí)體創(chuàng)建，創(chuàng)建面片草圖時(shí)，選擇右平面，獲得草圖截面，如圖7所示，繪制完成草圖截面后利用實(shí)體中的回轉(zhuǎn)功能完成中間空心圓柱部分的創(chuàng)建。如圖 8所示。

圖7 草圖截面

圖8 空心圓柱的生成

2）側(cè)面圓柱的創(chuàng)建

側(cè)面圓柱通過對草圖截面拉伸創(chuàng)建實(shí)體，創(chuàng)建面片草圖時(shí)，提取參照平面如圖9所示，繪制完成草圖截面后利用實(shí)體中的拉伸功能完成側(cè)面圓柱部分的創(chuàng)建，如圖10所示。

圖9 提取參照平面

圖10 側(cè)面圓柱的生成

3）斜面支撐部分的建模

斜面支撐部分曲面比較復(fù)雜，可以采用曲面掃描、曲面裁剪等功能結(jié)合使用完成模型的創(chuàng)建，結(jié)果如圖11所示。

圖11 斜面支撐部分的建模

4）補(bǔ)全其他特征

完成主體部分建模后，通過創(chuàng)建圓角，拉伸切除并對實(shí)體特征進(jìn)行布爾操作等操作處理完成零件的逆向建模，模型結(jié)果如圖12所示。

圖12 剎車手柄實(shí)體模型

3 實(shí)體模型的質(zhì)量分析

完成剎車手柄的模型創(chuàng)建后，使用GeomagicDesignX提供的偏差分析功能分析實(shí)體模型與點(diǎn)云之間的偏差。實(shí)體模型與掃描點(diǎn)云的誤差分析效果如圖13所示，綠色部分為誤差控制在±0.1mm以內(nèi)的區(qū)域，擬合的曲面精度合格。

圖13 誤差分析結(jié)果

4 結(jié)語

逆向工程為制造業(yè)提夠了一個(gè)全新、高效的三維制造路線，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)際物體到幾何模型的直接轉(zhuǎn)換，已成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種先進(jìn)技術(shù)的紐帶。本文以剎車手柄為例，通過使用三維Geomagic Studio軟件和Geomagic DesignX軟件完成了剎車手柄三維模型的創(chuàng)建，實(shí)例證明該方法具有點(diǎn)云采集速度快、精度高、軟件操作簡單、建模誤差小的特點(diǎn)，為復(fù)雜零件的逆向建模提供了新的思路和方法,具有較好的應(yīng)用價(jià)值。