基于Geomagic Studio 12.0的采棉部件設計

劉曉麗， 盧松濤， 張魯云

(1.河南商丘工學院機械工程學院，河南商丘 476000；2.新疆農墾科學院機械裝備研究所,新疆石河子 832000)

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基于Geomagic Studio 12.0的采棉部件設計

劉曉麗1， 盧松濤1， 張魯云2

(1.河南商丘工學院機械工程學院，河南商丘 476000；2.新疆農墾科學院機械裝備研究所,新疆石河子 832000)

為縮短產品研制周期、增強企業競爭能力，逆向工程技術也正逐步從其他產品設計制造業領域引入到我國農業機械領域。以統收式采棉機的采摘部件梳齒為測繪對象，通過逆向工程技術，采用青島雷頓數控設備有限公司生產的先進的NC(865)型三坐標測量儀進行掃描與測繪，獲取了梳齒的點云數據，然后對其進行預處理、多邊形階段處理、參數化處理，最終運用SolidWorks軟件繪制出三維模型，完成了梳齒部件的逆向設計。通過實例運用，證實了逆向工程技術在農業機械研究領域的可行性，其研究結果將對我國農業機械化的發展起到積極的推動作用。

逆向工程；梳齒；三坐標測量儀；SolidWorks

逆向工程(Reverse Engineering，RE)也稱反求工程，是相對于傳統的產品設計流程即正向工程(Forward Engineering，FE)而提出的[1]。逆向工程最初起源于精密測量和質量檢驗，是設計下游向設計上游反饋信息的回路，如利用三坐標測量機的測量數據對產品進行數學模型重構，或者直接將這些離散數據轉化為NC程序進行數控加工而獲取成品的過程[1]。其流程圖如圖1所示。

圖1 逆向工程流程Fig.1 The flow chart of reverse engineering

逆向工程所需要的軟硬件主要包含逆向設計軟件和測量設備。自20世紀90年代以來，逆向工程技術被放到大幅度縮短新產品開發周期和增強企業競爭能力的主要位置上。它不僅是對現有實體的簡單復制，還是對已有產品進一步再設計、再創造的過程[1]，主要在航空、汽車等的模具行業得到了廣泛的應用，但是在農業機械制造領域逆向工程的應用卻十分罕見。在農業機械方面，我國主要是引進國外先進的農業設備進行消化、吸收，其機械測繪方式多為手工測量，從而造成了測量數據不準確、工作強度大、測量精度不達標等諸多問題。筆者以統收式采棉機關鍵部件——梳齒為研究對象，采用逆向工程技術進行研究設計，以期對我國的農業機械化發展起到積極的推進作用。

1 梳齒的逆向設計

該研究以阿根廷生產的統收式采棉機采棉關鍵部件——梳齒為設計原型，詳盡地介紹其逆向設計過程，從而研制出符合我國國情的采棉部件。梳齒位于采摘臺的最前方，以平均15～30 mm間隙平行布置，構成梳齒總成，一端固定在固定橫架上，其形狀如“鐮刀”，手工測量總體尺寸如下：水平工作長度364 mm，傾斜工作長度504 mm，傾斜角度30°。采摘臺實物圖如圖2所示。

圖2 采摘臺實物示意Fig.2 The real figure of picking parts

1.1 獲取點云數據 該研究采用青島雷頓數控設備有限公司(LEADER)生產的NC(865)型三坐標測量機進行測量，來獲得點云數據，其實物如圖3所示。由于測量的梳齒結構呈大于90°的L形，尺寸也較大，可從多角度、多方向進行掃描，以獲得零件點云數據。對于掃描所得到的多個點云數據的拼接是點云數據是否準確的關鍵，因此有必要在掃描之前將零件上轉接的關鍵位置打上標志點，重復掃描關鍵點后，再將其作為基準點拼接到同一坐標系下[2]。為減小拼接誤差，要不斷調整點云位置。軟件運行界面如圖4所示。

圖3 三坐標測量儀 Fig.3 Three coordinates measuring instrument

圖4 Geomagic Studio 12.0運行界面Fig.4 Geomagic Studio12.0 operation interface

1.2 點云預處理 通過三坐標測量儀獲得了梳齒的三維數據后，需要在曲面重構前對點云進行必要的預處理，以獲得較精確的數據。在Geomagic Studio軟件中，通過手動點注冊來實現多視點云的拼合，將在多次掃描中所獲得的多個點云數據合并為一塊點云。在點云預處理時，主要進行刪除非連接、刪除體外弧點、降噪、封裝等[3-4]環節，使點云數據統一排布，以便于更好地呈現出梳齒的實際形狀。

其中，前期掃描的數據點中存在大量的噪聲點和離群點，為避免其對后期零件的建模和精度分析的影響，必須去除這類點云。打開Geomagic Studio 12.0軟件界面后，使用減噪聲的功能，參數選擇自由形狀，適當調整平滑系數，得到優化后的點云數據，如圖5所示。預處理完后得到梳齒的多邊形模型，接著要將構成的多邊形進行砂紙、去除特征、平面截面等處理，構成完整的多邊形模型[4-6]，如圖6所示。

圖5 點云數據Fig.5 The point cloud data

圖6 封裝后的梳齒多邊形模型Fig.6 Stripper finger polygon model after encapsulation

1.3 曲面重構 曲面重構是整個RE過程中最關鍵、最復雜的一個環節，為后續的創新設計和加工制造等應用提供數學模型支持。通過提取輪廓線、細分延伸輪廓線、構造曲面片、構造格柵、擬合曲面等環節，最終完成梳齒的曲面[4]。其中的構造柵格圖如圖7所示。

圖7 構造柵格示意Fig.7 Grid graph

2 梳齒的結構設計

建立了曲面后的模型，滿足精度后可以將曲面數據轉換為“IGES”或“STEP”格式文件。同時啟動Geomagic Studio 12.0和三維建模軟件SolidWorks2012，通過“參數轉換”命令[1，7-8]，將曲面文件導入到SolidWorks軟件中，最終得到梳齒的三維立體模型(圖8)。

建模完成后，利用SolidWorks軟件的工程圖模塊，導出梳齒的二維圖。在導出的工程圖模式中，可對其進行再修改，也可以放在Auto CAD軟件中進行修改再設計。

3 結論

該研究運用RE技術，在Geomagic Studio軟件中對梳齒進行點云的預處理，以及使用SolidWorks軟件進行曲線、曲面建構，三維模型構建。這種融合了逆向反求理念，并將一些三維軟件融合進來的設計方法，不僅能夠獲得高精度、高質量的三維數字模型，還能夠縮短產品設計制造周期，加快產品的更新換代。

圖8 梳齒三維模型Fig.8 The three dimensional figure of the stripper finger

目前，隨著科技的進步與社會需求的不斷增加，人們對農業機具的精度、質量、功能等各方面有了更高的要求。因此，常被應用在高、精、尖行業當中的RE技術，也逐步在農業機械領域中得到廣泛使用。該研究以采棉部件梳齒的逆向設計為例進行了深入的研究，希望研究成果將對采棉機械化有重要的參考應用價值。

[1] 張魯云，劉曉麗，鄭炫，等.逆向工程在農業機械化中的實例應用[J].江蘇農業科學,2015，43(5)：379-381.

[2] 易軍，張睿.基于逆向工程的汽車后保險杠建模[J].時代報告，2013(1)：463.

[3] 李碩，肖書浩，管維龍.基于逆向工程的空調遙控器面板設計與模具型腔加工[J].制造業自動化，2013，35(2)：96-99.

[4] 賈林玲.汽車發動機缸蓋排氣道的逆向設計[J].中國科技縱橫，2013(2)：161.

[5] 張興.基于逆向工程的汽車座椅設計[J].科技資訊，2012(36):94.

[6] 胡影峰.Geomagic Studio軟件在逆向工程后處理中的應用[J]．制造業自動化，2009，31(9):135-137.

[7] 劉薇娜，陳韜,楊立峰.薄壁復雜零件的逆向設計研究[J].長春大學學報,2012(12):1447-1448.

[8] 成思源，謝韶旺.Geomagic Studio 逆向工程技術及應用[M]．北京：清華大學出版社，2010.

Cotton-picking Parts Design Based on Geomagic Studio 12.0

LIU Xiao-li1, LU Song-tao1, ZHANG Lu-yun2

(1. School of Mechanical Engineering, Shangqiu Institute of Technology, Shangqiu, Henan 476000; 2. Research Institute of Machinery and Equipment, Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Sciences, Shihezi, Xinjiang 832000)

To shorten product development cycle, enhance enterprise competition ability, reverse engineering technology is gradually introduced from other products design and manufacturing field to the field of agricultural machinery. With the picking part of unified collection type cotton-picking machine stripper finger as surveying and mapping object, by reverse engineering technology, using advanced NC (865) three coordinates measuring instrument produced by Qingdao Leighton NC Equipment Co. Ltd. for scanning and mapping, the point cloud data of the stripper finger was obtained, then pretreatment, polygons phase processing, parameterized processing were conducted, finally using SolidWorks software to draw a 3d model, the reverse design of stripper finger was completed. The feasibility of reverse engineering technology in the field of agricultural machinery research has been demonstrated through applied examples, the results play a positive role in promoting the development of agricultural mechanization in China.

Reverse engineering; Stripper finger; Three coordinates measuring instrument; SolidWorks

河南省第八批重點學科“機械制造及其自動化”資助項目(2012SJGLX289)。

劉曉麗(1983- )，女，河南商丘人，講師，碩士，從事農業機械理論與設計的教學與研究。

2016-11-04

S 225.91+1

A

0517-6611(2016)36-0228-02