基于Geomagic Wrap的安全錘逆向設計

孟偉娜 ， 孫祖東 ， 牛振華

（安陽職業技術學院，河南 安陽 455002）

逆向工程（Reverse Engineering），也稱為反求工程、反向工程，它是相對于傳統正向設計而言的，將已經存在的零件（或原型）通過掃描，采集數據，生成圖樣，再制造出產品，廣泛應用于航天航空、醫學、模具制造、產品設計、文物修復等領域[1]。Geomagic Wrap是3D SYSTEMS公司發行的一款功能強大的3D建模數據處理軟件，它可以將三維掃描數據和導入的文件直接轉換為3D模型。

安全錘的逆向設計流程包括使用三坐標測量設備、三維掃描儀測得樣品安全錘的點云數據；使用Geomagic Wrap逆向設計軟件對安全錘的點云數據進行點云處理、面片編輯、曲面建模等，使用3D打印機對處理過的安全錘面片進行快速成型，或者使用CNC機床對重建安全錘模型進行加工，與樣品安全錘進行對比分析。安全錘的逆向設計過程可以總結為兩大步驟：數據采集和CAD模型重建[2]。逆向工程具體工藝流程如圖1所示。

圖1 逆向設計工藝流程

1 數據采集

數據采集是利用三坐標測量儀或者非接觸式的拍照式三維掃描儀、非接觸式的激光三維掃描儀來測量被測物品特征點的空間坐標值，是逆向工程中重要的環節。本文采用了北京三維天下的Win3DD-M單目拍照式三維掃描系統對安全錘進行點云數據采集。該系統擁有130萬像素的相機，采用非接觸式拍照掃描，單幅掃描范圍300 mm×210 mm×200 mm，該掃描系統如圖2所示。

圖2 Win3DD-M單目拍照式三維掃描系統

本文中的安全錘為金屬材質，光滑處可能會反射光線，影響正常的掃描效果。掃描前，對安全錘表面噴涂薄層均勻的顯像劑，從而獲得更加理想的點云數據。因為要求掃描零件的整體點云，還要在安全錘曲率較小的曲面上粘貼5～7個標志點[3]，使相機在盡可能多的角度可以同時看到，以方便拼接掃描，如圖3所示。

圖3 噴顯像劑和貼標志點后的安全錘

將安全錘用黑色工業油泥固定在轉盤上，確定轉盤和安全錘在掃描儀投射的十字中間，嘗試旋轉轉盤一周，保證安全錘在掃描過程中不移動。在掃描儀軟件最右側實時顯示區域檢查，以保證能夠掃描到整體；在軟件右側的實時顯示區域觀察安全錘的亮度，并通過在軟件中設置相機曝光值來調節亮度；檢查掃描儀到被掃描物體的距離，在軟件右側實時顯示區域內觀察到的白色十字與黑色十字重合，當重合時的掃描儀鏡頭與安全錘的距離約為600 mm，Win3DD-M三維掃描系統在600 mm的距離進行掃描，點云數據質量最好，將所有參數調整好即可點擊“掃描操作”，如圖4所示。將轉盤旋轉一周，翻轉或調整安全錘和轉臺的角度，以保證安全錘的所有特征都能被掃描出來。掃描結束后，點云數據如圖5所示，將安全錘的點云數據保存為.asc文件。

圖4 掃描儀軟件

圖5 安全錘點云數據

2 基于Geomagic Wrap的逆向建模

2.1 點云數據處理

掃描得到的安全錘點云數據包含雜點、噪音、孤點等多余數據，使用Geomagic Wrap的點編輯功能對點云數據進行處理。點云數據處理主要包括以下幾個步驟：

2.1.1 手動去除多余點云

從圖5中可以看出，在安全錘點云附近存在著大量無用的點云數據，這些數據可以通過選擇、刪除工具進行刪除。

2.1.2 去除體外孤點和刪除非連接項

手動不能完全刪除多余的無用數據，還存在一些與其它多數點保持一定距離的體外孤點以及與其它點組相距遙遠的非連接項，需要選擇并刪除。

2.1.3 減少噪音

點云數據中的噪音是掃描儀的誤差，將點移動至軟件統計的正確位置上來減少這個噪音，可以使點的排列更加平緩。

2.1.4 統一點云

點云數據太大，會減慢電腦的運行速度。使用統一點云功能，使平坦曲面上的點云數目減少量一致，讓點云以規定的密度減少安全錘點云數據上的點云數目。不僅可以提高電腦的運行速度，而且不改變模型的形狀。

2.1.5 封裝

點云數據處理完畢后，需要將點云封裝為三角面網格，從而將處理點云對象改變為處理多邊形對象，為安全錘的3D模型建模做好準備。點云處理結束后如圖6所示。點云數據封裝后的三角面網格，如圖7所示。三角面網格保存為.stl文件，stl文件可以直接使用3D打印機進行快速成型。

圖6 處理結束后的點云

圖7 封裝后的安全錘三角網格

2.2 安全錘3D模型重建

安全錘點云數據處理完畢并封裝后使用Geomagic Wrap的“精確曲面”功能進行安全錘的3D模型重建，包含多邊形處理、刪除釘狀物、去除特征、砂紙、曲面重建等步驟。

2.2.1 多邊形網格處理

封裝后的安全錘三角面網格如圖7所示，包含很多數據缺失的地方，使用填充孔功能，選擇合理的填充方案，將缺失的數據補齊?？滋畛浜蟮亩噙呅尉W格如圖8所示。

圖8 填充后多邊形網格

2.2.2 刪除釘狀物

刪除釘狀物功能可以自動檢測并展平多邊形網格上的單點尖峰，提高多邊形網格的光滑程度。

2.2.3 去除特征

進行模型三維掃描的時候，因為標志點、用于固定模型的工業油泥會在點云數據上留有凹凸不平的痕跡，使用去除特征功能可以刪除這些痕跡并根據多邊形網格的曲率自動填平，提高多邊形網格的表面質量。

2.2.4 砂紙

可以手動清除局部較小的不光滑網格，提高光順度。

2.3 安全錘曲面重建

點擊精確曲面圖標，進入曲面重建階段。可以使用自動曲面或者按探測輪廓線、構造曲面片、構造柵格、去面片編輯、曲面擬合這些步驟進行曲面重建。對于曲面較為復雜的模型，建議使用分步驟進行擬合曲面，可以根據實際需要進行曲面曲率的編輯，獲得更好的曲面質量。本文使用自動曲面功能來擬合曲面。

打開自動曲面化對話框，選擇幾何圖形類型為機械、指定曲面片計數為1500、調節曲面細節值為中值、曲面擬合適應性公差設置為0.05，單擊應用后開始自動擬合曲面。擬合后的安全錘曲面如圖9所示。

圖9 擬合后的安全錘曲面

2.4 曲面偏差分析

曲面擬合結束后，使用Geomagic Wrap的偏差功能，可以生成一個以不同顏色區分擬合后的曲面和點云數據間的3D偏差圖，如圖10所示。

圖10 安全錘偏差分析圖

從圖10中可以看出擬合后的安全錘曲面標準偏差為0.0151 mm，最大距離偏差為+0.2245 mm及-0.1148 mm，平均距離偏差為0.0027 mm[4]。擬合后的曲面模型基本上都在綠色偏差范圍內，表明擬合后的曲面與點云數據的偏差很小。最后，將重建的安全錘曲面另存為.igs或.stp等格式文件，可以使用CREO、UG、SolidWorks等CAD設計軟件進行進一步修改，也可以使用PowerMill、MasterCam等CAM軟件進行數控編程，再用CNC機床加工。

3 結語

逆向工程技術可以有效地縮短產品生產周期，降低產品的研發成本，現已經廣泛應用于很多行業。本文利用Win3DD-M三維掃描系統和Geomagic Wrap 軟件，快速有效地實現了安全錘的重新建模，并進行了偏差分析，分析結果表明偏差在合理范圍之內。