基于Geomagic Studio 12.0的采棉部件設(shè)計

劉曉麗， 盧松濤， 張魯云

(1.河南商丘工學(xué)院機械工程學(xué)院，河南商丘 476000；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)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(shè)計

劉曉麗1， 盧松濤1， 張魯云2

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

為縮短產(chǎn)品研制周期、增強企業(yè)競爭能力，逆向工程技術(shù)也正逐步從其他產(chǎn)品設(shè)計制造業(yè)領(lǐng)域引入到我國農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域。以統(tǒng)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(shù)，采用青島雷頓數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的先進的NC(865)型三坐標(biāo)測量儀進行掃描與測繪，獲取了梳齒的點云數(shù)據(jù)，然后對其進行預(yù)處理、多邊形階段處理、參數(shù)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(shè)計。通過實例運用，證實了逆向工程技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械研究領(lǐng)域的可行性，其研究結(jié)果將對我國農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展起到積極的推動作用。

逆向工程；梳齒；三坐標(biāo)測量儀；SolidWorks

逆向工程(Reverse Engineering，RE)也稱反求工程，是相對于傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計流程即正向工程(Forward Engineering，F(xiàn)E)而提出的[1]。逆向工程最初起源于精密測量和質(zhì)量檢驗，是設(shè)計下游向設(shè)計上游反饋信息的回路，如利用三坐標(biāo)測量機的測量數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進行數(shù)學(xué)模型重構(gòu)，或者直接將這些離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為NC程序進行數(shù)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(shè)計軟件和測量設(shè)備。自20世紀(jì)90年代以來，逆向工程技術(shù)被放到大幅度縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期和增強企業(yè)競爭能力的主要位置上。它不僅是對現(xiàn)有實體的簡單復(fù)制，還是對已有產(chǎn)品進一步再設(shè)計、再創(chuàng)造的過程[1]，主要在航空、汽車等的模具行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，但是在農(nóng)業(yè)機械制造領(lǐng)域逆向工程的應(yīng)用卻十分罕見。在農(nóng)業(yè)機械方面，我國主要是引進國外先進的農(nóng)業(yè)設(shè)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(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、工作強度大、測量精度不達(dá)標(biāo)等諸多問題。筆者以統(tǒng)收式采棉機關(guān)鍵部件——梳齒為研究對象，采用逆向工程技術(shù)進行研究設(shè)計，以期對我國的農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展起到積極的推進作用。

1 梳齒的逆向設(shè)計

該研究以阿根廷生產(chǎn)的統(tǒng)收式采棉機采棉關(guān)鍵部件——梳齒為設(shè)計原型，詳盡地介紹其逆向設(shè)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(gòu)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(shù)據(jù) 該研究采用青島雷頓數(shù)控設(shè)備有限公司(LEADER)生產(chǎn)的NC(865)型三坐標(biāo)測量機進行測量，來獲得點云數(shù)據(jù)，其實物如圖3所示。由于測量的梳齒結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)。對于掃描所得到的多個點云數(shù)據(jù)的拼接是點云數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵，因此有必要在掃描之前將零件上轉(zhuǎn)接的關(guān)鍵位置打上標(biāo)志點，重復(fù)掃描關(guān)鍵點后，再將其作為基準(zhǔn)點拼接到同一坐標(biāo)系下[2]。為減小拼接誤差，要不斷調(diào)整點云位置。軟件運行界面如圖4所示。

圖3 三坐標(biāo)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(yù)處理 通過三坐標(biāo)測量儀獲得了梳齒的三維數(shù)據(jù)后，需要在曲面重構(gòu)前對點云進行必要的預(yù)處理，以獲得較精確的數(shù)據(jù)。在Geomagic Studio軟件中，通過手動點注冊來實現(xiàn)多視點云的拼合，將在多次掃描中所獲得的多個點云數(shù)據(jù)合并為一塊點云。在點云預(yù)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(huán)節(jié)，使點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一排布，以便于更好地呈現(xiàn)出梳齒的實際形狀。

其中，前期掃描的數(shù)據(jù)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(shù)選擇自由形狀，適當(dāng)調(diào)整平滑系數(shù)，得到優(yōu)化后的點云數(shù)據(jù)，如圖5所示。預(yù)處理完后得到梳齒的多邊形模型，接著要將構(gòu)成的多邊形進行砂紙、去除特征、平面截面等處理，構(gòu)成完整的多邊形模型[4-6]，如圖6所示。

圖5 點云數(shù)據(jù)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(gòu) 曲面重構(gòu)是整個RE過程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一個環(huán)節(jié)，為后續(xù)的創(chuàng)新設(shè)計和加工制造等應(yīng)用提供數(shù)學(xué)模型支持。通過提取輪廓線、細(xì)分延伸輪廓線、構(gòu)造曲面片、構(gòu)造格柵、擬合曲面等環(huán)節(jié)，最終完成梳齒的曲面[4]。其中的構(gòu)造柵格圖如圖7所示。

圖7 構(gòu)造柵格示意Fig.7 Grid graph

2 梳齒的結(jié)構(gòu)設(shè)計

建立了曲面后的模型，滿足精度后可以將曲面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換”命令[1，7-8]，將曲面文件導(dǎo)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(dǎo)出梳齒的二維圖。在導(dǎo)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(shè)計。

3 結(jié)論

該研究運用RE技術(shù)，在Geomagic Studio軟件中對梳齒進行點云的預(yù)處理，以及使用SolidWorks軟件進行曲線、曲面建構(gòu)，三維模型構(gòu)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(shè)計方法，不僅能夠獲得高精度、高質(zhì)量的三維數(shù)字模型，還能夠縮短產(chǎn)品設(shè)計制造周期，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q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(nóng)業(yè)機具的精度、質(zhì)量、功能等各方面有了更高的要求。因此，常被應(yīng)用在高、精、尖行業(yè)當(dāng)中的RE技術(shù)，也逐步在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域中得到廣泛使用。該研究以采棉部件梳齒的逆向設(shè)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(yīng)用價值。

[1] 張魯云，劉曉麗，鄭炫，等.逆向工程在農(nóng)業(yè)機械化中的實例應(yīng)用[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),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(diào)遙控器面板設(shè)計與模具型腔加工[J].制造業(yè)自動化，2013，35(2)：96-99.

[4] 賈林玲.汽車發(fā)動機缸蓋排氣道的逆向設(shè)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(shè)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(yīng)用[J]．制造業(yè)自動化，2009，31(9):135-137.

[7] 劉薇娜，陳韜,楊立峰.薄壁復(fù)雜零件的逆向設(shè)計研究[J].長春大學(xué)學(xué)報,2012(12):1447-1448.

[8] 成思源，謝韶旺.Geomagic Studio 逆向工程技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)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(xué)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(nóng)業(yè)機械理論與設(shè)計的教學(xué)與研究。

2016-11-04

S 225.91+1

A

0517-6611(2016)36-0228-02