異形零件的逆向建模方法及應用

李　慶, 吳亞蘭

(安徽機電職業技術學院數控工程系， 安徽蕪湖 241000)

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異形零件的逆向建模方法及應用

李慶, 吳亞蘭

(安徽機電職業技術學院數控工程系， 安徽蕪湖 241000)

摘要：提出逆向工程應用于異形零件產品建模過程中的解決方案，對關鍵技術的使用進行了詳細說明.首先在逆向軟件Geomagic中對原始數據進行處理，然后創建異形零件的三維曲面模型，最后進行誤差分析.通過Geomagic Quality軟件證明了重建的數字模型達到了設計要求，能夠滿足生產需求.

關鍵詞：逆向工程； Geomagic； 異形零件

逆向工程技術(ReverseEngineering，RE)以產品及設備的實物、軟件(圖樣、程序及技術文件等)或影像(圖片、照片等)等作為研究對象，逆向出初始的設計意圖，包括形狀、材料、工藝、強度等諸多方面[1].逆向工程應用于已有零件的復制、損壞或磨損零件的還原、模型精度的提高及數字化模型檢測等.目前，國內外產品設計已基本甩脫傳統的圖樣描述方式，而直接在三維造型軟件平臺上進行[2].產品的現代設計三維造型軟件進行建模的數據來源也由傳統圖樣變成了三維數字化的點云信息.點云信息的獲得主要依靠三維掃描技術的應用.三維掃描技術能實現非接觸測量，具有速度快、精度高的優點.手板、樣品、模型經過三維掃描儀的掃描，可以迅速獲得其三維尺寸數據.這些數據能與CAD、CNC設備、快速成型設備共享，在功能日趨強大的CAD軟件的編輯下，形成產品的數模，經過調整、修改和創新后，可以通過CNC設備、快速制模機、快速成型機迅速得到產品的原型.這項技術路線可以為企業贏得產品上市時間，大大縮短新產品研發周期.

1逆向工程的流程

逆向工程主要技術路線中的關鍵性技術包括數字化測量、點云處理、三維模型的建立.

1.1常用數字化測量方法

逆向工程技術路線中一個關鍵性技術就是三維數據即點云文件的獲取，點云文件主要依靠數字化測量方式獲得.逆向工程中數字化測量的主要方法有三坐標測量法、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].常用的數據采集設備有傳統的坐標測量機(CoordinateMeasurement Machine,CMM)、激光掃描機(Laser Scanner)、零件斷層掃描機(Cross Section Scanner)以及CT(Computer Tomography)和MRI(Magnetic Resonance Imaging)等.根據測量方式不同，數據采集方法可分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類.

1.2點云文件編輯處理

用非接觸測量方法測得的點云數據龐大，并往往帶有很多的雜點、噪聲點，影響后續的模型重構過程.因此，需要在曲線重構前，對數據進行必要的處理以獲得滿意的點云，為曲面的重構做充分的準備，即點云預處理[4].點云預處理主要包括點云過濾、點云對齊、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

逆向工程技術發展中的核心課題，即是利用產品表面的散亂點數據重構產品CAD模型，通過對這些數據進行擬合，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，完成曲面模型的構建.這里最重要的是自由曲面的特征重建[5].

目前由點云擬合成曲面的算法共有三類：四邊域的參數曲面擬合方法、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曲面擬合具有數據通用性好、算法穩定、曲面編修能力強、曲面質量好的特點，已經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品CAD模型進行處理和加工，迅速實現產品原型的制造.不同類型的產品，其外觀和結構均有各自的特點，所以需要根據不同結構和特點考慮逆向建模的思路.在使用CAD軟件建模過程中，要靈活運用建模功能，針對不同結構創建產品數模.這要求建模人員不但要考慮產品獨特的功能結構和外觀要求，還要考慮產品的生產制造工藝.

2異形零件的三維掃描

異形零件是由五軸數控設備加工而成的，為實現批量化生產，急需三維數字化模型，工件照片如圖3所示.

圖3 工件照片

2.1三維掃描設備

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

在使用三維掃描設備掃描前，要使用標定板對設備進行標定，對工件噴涂顯像劑，最后才可調整曝光率對工件進行掃描.掃描時對中部的曲線槽作重點處理，獲得如圖4所示點云.

圖4 點云文件

2.2 點云文件編輯處理

Geomagic Studio是Geomagic公司產品的一款逆向軟件，可根據任何實物零部件通過掃描點點云自動生成準確的數字模型.作為自動化逆向工程軟件，Geomagic Studio還為新興應用提供了理想的選擇，如定制設備大批量生產、即定即造的生產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工具提供完美補充，它可以輸出行業標準格式，包括STL、IGES、STEP和CAD等眾多文件格式.Geomagic軟件點云處理功能強大，能夠滿足逆向掃描點云處理要求.

可通過對齊、合并和注冊拼接點云數據，以及刪除體外孤點和降噪進一步優化點云數據.對于掃描的點云缺陷可以使用快捷的工具進行修補和編輯處理.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 經過處理后的曲面文件

2.3曲面逆向建模

在點云構建曲面的算法中，自由建模方法主要分為三大類：一種是以B-Spline曲面為基礎進行曲面構造；一種是以Bezier曲面為基礎進行曲面構造；還有一種是以NURBS曲面為基礎進行曲面構造.采用UG NX軟件進行曲面建模.

異形零件逆向建模時，首先要進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的基準平面上獲得水平面內的點云信息，由取得的點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建，高度以千分尺測量得到的數據為準.在圓弧形狀內側倒3.5mm的45°斜角，建模結果如圖6所示.

圖6 工件主體部分的建模結果

對于工件內部臺階狀的溝槽，要分析出多軸加工機床的走刀路徑，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現兩個溝槽的建模.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.在截取四段截面點云信息后，用曲線或草圖連接近似形狀，創建出溝槽形狀.對于創建的溝槽形狀圓角，可以根據實體零件直接測量獲得.溝槽兩邊可以使用同步建模功能進行相應編輯.使用布爾運算減的方法，獲得圖7所示的溝槽.

圖7 工件內部溝槽的建模結果

對于工件實物圖3中右側的U型槽，創建時要選好截面，也就是以最低的溝槽底面為截面，在STL模型上獲得U型槽基本形狀點云信息.使用過主體圓弧圓心的Z向基準平面，截取STL模型獲得U型槽底部的斜線，用掃掠功能實現U型槽建模.利用布爾運算去除多余材料時，應注意不要破壞溝槽側壁.使用實體分割策略進行修整時，可以避免上述破壞現象.

對于孔和槽，可以通過點云和手動測量工具進行檢測獲得數據，從而進行拉伸創建，最后進行三維圖形細節部分的修整，最終形成圖8所示的數字化模型.

圖8 產品數字化模型

3產品的檢驗與對比

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

Qualify軟件使用中，以原始數據的圖5所示曲面為校驗參考，對圖8所示的數字化模型進行對比測量.根據不同顏色所示區域存在的誤差，對建模過程中的參數進行修整.最好使用草圖功能對點云進行擬合，以方便此時的修整和編輯.對于出入較大、又找不到相關參數調整的部位，可以使用UG NX軟件的X成型功能對部分曲面進行調整，但這種方法誤差較大，不主張使用太多.經過多次對比檢測的輸出結果如圖9所示.

圖9 點云與模型的圖形比較結果

4結束語

異形零件結構中存在難以精確表達的曲面形狀或未知設計方法的結構，通過逆向工程技術可以獲得準確的數字模型，壓縮了產品設計周期，提高了開發效率，改善了制造精度，避免了使用傳統方式重復試制的時間和經濟損失.實驗和校驗結果表明，逆向工程誤差控制應注意的環節有：(1)三維白光照相掃描儀的自身誤差；(2)噴涂顯像劑時涂層的厚度和均勻性會影響點云精度；(3)點云處理時，如果為獲得較好的曲面質量而將點云編輯功能中"平滑度"調的過大，會造成精度損失；(4)曲面建模時，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，否則在建模時會造成較大精度誤差；(5)做曲線截取、曲面創建時要注意公差的設置，盡可能使公差值最小，以免造成曲面誤差過大.

參考文獻:

[1] 田竹友,簡斌.逆向工程中數據的處理[J].北京機械工業學院學報,2004,19(2):1-5.

[2] 劉偉軍,孫玉文.逆向工程原理·方法及應用[M].北京：機械工業出版社,2008.

[3] 徐進,柯映林.點云部分缺失條件下邊界曲面直接擬合技術[J].機械工程學報,2010,46(3): 135-137.

[4] 匡小蘭,歐新良,倪問尹.散亂點云數據區域分割綜述[J]. 長沙大學學報， 2010,24(05):68-72.

[5] 李新.逆向工程模型重構及工程應用若干問題的研究[D]. 南昌：南昌航空大學， 2010.

[6] 朱巍.細分曲面理論及其應用問題的研究[D]. 合肥：中國科學技術大學，2011.

[7] Dekkers E, Kobbelt L, Pawlick R,etal. A sketching interface for feature curve recovery of free-form surfaces[J]. Computer-Aided Design， 2011 (7): 771-780.

(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

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6197(2015)03-0041-04

作者簡介：李慶，男，skgclq@163.com

基金項目：安徽省高等學校省級自然科學研究項目(KJ2013B048)

收稿日期：2014-11-19