基于Geomagic Design X的弧面分度凸輪逆向建模

邱有永

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與制造學(xué)院，福建龍巖364021)

弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)是一種空間凸輪機(jī)構(gòu)，主要用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的間歇分度運(yùn)動(dòng)。與其它的分度機(jī)構(gòu)相比，弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)在力學(xué)性能、分度精度、承載能力等方面有不可比擬的優(yōu)越性，在印刷和包裝機(jī)械等自動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。隨著智能制造技術(shù)的快速發(fā)展，弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用也越來越多，對(duì)弧面凸輪的設(shè)計(jì)、制造、修形等也提出了新的要求。由于弧面分度凸輪的廓面是空間曲面，在正向建模時(shí)需要大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，建模周期長(zhǎng)，因此，研究凸輪的逆向建模具有重要的意義。

對(duì)于弧面凸輪的正向建模方法，不同的研究人員都有較深入的研究。如：弧面分度凸輪的三維建模與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[1]和基于齊次坐標(biāo)變換的弧面分度凸輪建模與運(yùn)動(dòng)仿真研究[2]，文獻(xiàn)中使用工程軟件根據(jù)弧面方程先對(duì)弧面凸輪廓面的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，在將坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入到三維軟件Rro/E中生成點(diǎn)云圖，通過“點(diǎn)—線—面—實(shí)體化”的方法建立弧面凸輪的三維模型。當(dāng)前，隨著三維掃描技術(shù)的快速發(fā)展，逆向工程技術(shù)在增強(qiáng)弧面凸輪的設(shè)計(jì)、建模等方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。基于Imageware 和Pro/E 的弧面凸輪逆向設(shè)計(jì)及NC 仿真加工[3]文獻(xiàn)中采用逆向工程的方法創(chuàng)建弧面凸輪，但該文獻(xiàn)中沒有詳細(xì)描述逆向建模的方法和步驟。本文以弧面分度凸輪為例，使用三維掃描儀和逆向建模軟件創(chuàng)建零件的三維模型，為弧面分度凸輪的逆向建模提供一種可借鑒的方法，為提高弧面分度凸輪的設(shè)計(jì)、建模效率等方面具有重要意義。

1 弧面分度凸輪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

1.1 弧面分度凸輪點(diǎn)云的掃描

如圖1所示的弧面分度凸輪，凸輪的分度數(shù)為10，弧面凸輪的工作輪廓分為兩部分，一部分是停歇期工作廓面，曲率變化相對(duì)較?。涣硪徊糠质欠侄绕诠ぷ骼?，這部分曲率變化相對(duì)較大。利用手持式三維激光掃描儀掃描弧面凸輪的輪廓，為保證數(shù)據(jù)掃描的完整性，在實(shí)際掃描過程中，由于零件的幾何形狀較復(fù)雜，至少需要兩個(gè)視角才能獲得全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要先在轉(zhuǎn)盤上貼標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)如圖2所示。在掃描測(cè)量過程中，先在弧面凸輪噴上顯影劑，再把弧面凸輪擺正到一定角度粘在貼有標(biāo)記點(diǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)上，防止轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中凸輪的掃描位置移動(dòng)。為提高多片點(diǎn)云之間的拼接效率和拼接精度，共選擇了凸輪的4個(gè)位置，掃描了4片點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 弧面分度凸輪

圖2 轉(zhuǎn)盤貼點(diǎn)

1.2 弧面分度凸輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

掃描完成后的數(shù)據(jù)處理是逆向過程中的很重要的一環(huán)，其點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接和三維模型的建立。數(shù)據(jù)處理的過程通常是先根據(jù)零件模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，先手動(dòng)快速刪除掃描過程中產(chǎn)生的雜點(diǎn)，在使用Geomagic軟件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)修補(bǔ)菜單中的體外孤點(diǎn)和非連接頂?shù)墓δ埽焖賱h除雜點(diǎn)；在使用減噪功能，將掃描點(diǎn)移動(dòng)至正確的位置，提高點(diǎn)云的平滑度；在使用選擇邊界功能，將邊界上的雜點(diǎn)刪除。4個(gè)位置的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖3所示。

(a)

(b)

(c)

(d) 圖3 弧面分度凸輪掃描數(shù)據(jù)

完成上述4片點(diǎn)云的數(shù)據(jù)預(yù)處理后，在使用軟件對(duì)齊菜單中的點(diǎn)云掃描拼接功能，將4片點(diǎn)云導(dǎo)入到軟件中，兩兩拼接。先手動(dòng)選中點(diǎn)云圖3b和點(diǎn)云圖3d，再選擇手動(dòng)注冊(cè)功能中的n點(diǎn)注冊(cè)功能，任意選取3個(gè)點(diǎn)以上即可，完成后，初步的拼接結(jié)果如圖4所示。在選擇全局注冊(cè)，將全局注冊(cè)的公差設(shè)置為0.002mm，采樣大小設(shè)置為40000點(diǎn)，最大迭代次數(shù)設(shè)為100，進(jìn)行全局對(duì)齊。參照以上步驟，點(diǎn)云全局對(duì)齊完成后，再使用聯(lián)合菜單中聯(lián)結(jié)點(diǎn)對(duì)象功能將多個(gè)點(diǎn)云合并為一個(gè)點(diǎn)云，點(diǎn)云的拼接結(jié)果如圖5所示。

圖4 點(diǎn)云手動(dòng)拼接

圖5 弧面分度凸輪的點(diǎn)云拼接

1.3 弧面分度凸輪的點(diǎn)云封裝

點(diǎn)云封裝是將拼接完成后的點(diǎn)云由點(diǎn)對(duì)象轉(zhuǎn)換為多邊形對(duì)象。封裝完成后，由于點(diǎn)云中的曲率變化大的位置點(diǎn)較稀少，會(huì)出現(xiàn)部分孔洞和釘狀物等缺陷[4]。因此，應(yīng)先根據(jù)曲率變化修補(bǔ)孔洞，再使用快速光順功能使多邊形網(wǎng)格更光順且三角形網(wǎng)格的大小一致，再使用網(wǎng)格醫(yī)生檢驗(yàn)并自動(dòng)修復(fù)多邊形網(wǎng)格內(nèi)的缺陷，多次重復(fù)使用以上多邊形修補(bǔ)光順功能，就得到了一個(gè)比較理想的弧面分度凸輪模型，如圖6所示。

圖6 弧面分度凸輪多邊形

2 弧面凸輪的逆向建模過程

2.1 弧面分度凸輪的建模思路

依據(jù)弧面分度凸輪的輪廓形狀，首先以凸輪的中心軸為基準(zhǔn)軸線，以凸輪兩側(cè)平面的對(duì)稱中心平面為基準(zhǔn)面，以基準(zhǔn)軸線和基準(zhǔn)面的交點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，創(chuàng)建逆向建模的坐標(biāo)系，然后使用Geomagic Design X軟件手動(dòng)對(duì)齊功能，將模型的坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系對(duì)齊，再使用自動(dòng)分割功能，依據(jù)曲率和特征自動(dòng)將面片分為不同的幾何領(lǐng)域[5]。弧面凸輪的輪廓空間曲面較復(fù)雜，需要將工作廓面進(jìn)行手動(dòng)劃分，分為2個(gè)以上的曲面片，擬合完成的曲面片在使用曲面剪切、曲面放樣、曲面分割、曲面縫合等方法進(jìn)行拼接，并最終縫合為一個(gè)曲面體；在曲面創(chuàng)建過程中，可使用偏差分析功能分析擬合曲面體與面片之間的誤差。

2.2 弧面分度凸輪工作廓面的逆向建模

(1)將弧面分度凸輪的STL模型導(dǎo)入到Geomagic Design X軟件中，在使用領(lǐng)域組中的自動(dòng)劃分功能將點(diǎn)云分成多個(gè)特征領(lǐng)域，在手動(dòng)將工作廓面分割為2個(gè)領(lǐng)域，如圖7所示。

圖7 領(lǐng)域組分割

(2)創(chuàng)建基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)平面，通過對(duì)齊功能將模型的坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系對(duì)齊。

(3)使用“面片擬合”功能，選擇工作輪廓的一個(gè)側(cè)面分段擬合工作輪廓曲面，相鄰兩個(gè)曲面先使用“3D草圖”和“剪切曲面”功能，剪掉誤差較大的接觸面，在使用曲線“混合”功能，創(chuàng)建出拼接放樣曲面的引導(dǎo)線，引導(dǎo)線如圖9中的圓弧線條，最后使用曲面縫合功能創(chuàng)建出弧面分度凸輪工作廓面。在使用體偏差分析功能，設(shè)置偏差的上、下限，偏差云圖中顏色越深代表偏差越大，擬合曲面凸起或下凹；淺色代表偏差較小，擬合曲面與原始數(shù)據(jù)基本一致?；∶嫱馆喞鏀M合曲面如圖10所示。

圖8 放樣3D引導(dǎo)線

圖9 弧面凸輪廓面擬合曲面偏差圖

(4)創(chuàng)建整個(gè)弧面分度凸輪廓面，另一側(cè)的凸輪廓面采用相同的創(chuàng)建方法，頂面和底面在使用曲面偏移、分割曲面、反轉(zhuǎn)法線和轉(zhuǎn)換體等功能，創(chuàng)建出整個(gè)弧面分度凸輪廓面的實(shí)體模型，如圖11所示。從圖中可以看出，重構(gòu)的弧面凸輪廓面模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的吻合精度較高，滿足弧面分度凸輪逆向建模的要求。

圖10 弧面凸輪廓面模型和偏差圖

(5)使用“面片草圖”“拉伸”和“旋轉(zhuǎn)”等命令完成其它特征的創(chuàng)建并標(biāo)注尺寸，模型如圖12所示。

圖11 弧面分度凸輪逆向建模模型

結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，逆向工程演變成了一種能根據(jù)現(xiàn)有的物理部件通過測(cè)量實(shí)際物體的點(diǎn)云模型，在使用CAD等軟件創(chuàng)建3D虛擬模型。本文中由于弧面分度凸輪的工作廓面是空間曲面且?guī)缀螀?shù)無(wú)法獲取，先使用掃描儀對(duì)弧面凸輪進(jìn)行掃描并完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，在使用分段建模的方法對(duì)凸輪的工作廓面進(jìn)行逆向建模，最后創(chuàng)建弧面凸輪的三維實(shí)體模型。通過實(shí)例證明，逆向工程的建模方法方便、快速，很大程度降低了建模難度，達(dá)到了用戶要求，是一種切實(shí)可行的方法，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。