基于Geomagic Design銑刀盤的數(shù)字采集及逆向?qū)嶓w建模

邵俊

摘? ?要：文章利用win-3DD非接觸式掃描儀及Geomagic design軟件對(duì)銑刀盤的點(diǎn)云處理及逆向建模進(jìn)行了分析，并對(duì)建模零件與掃描點(diǎn)云進(jìn)行了數(shù)據(jù)誤差對(duì)比，結(jié)果表明精度高，誤差小。研究得出逆向工程中使用Geomagic design軟件建模能夠極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期，對(duì)制造業(yè)具有現(xiàn)實(shí)的意義。

關(guān)鍵詞：逆向;數(shù)字采集;建模

信息革命為制造業(yè)的全球化發(fā)展提供了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革與升級(jí)機(jī)遇的同時(shí)，也帶來了新的挑戰(zhàn)，目前，為了滿足消費(fèi)者需求，小批量、多品種化是產(chǎn)品開發(fā)的特點(diǎn)[1]。在工業(yè)4.0時(shí)代，如何滿足消費(fèi)者個(gè)性化需求的“私人定制”模式是今后制造業(yè)面臨的問題，這對(duì)產(chǎn)品的快速開發(fā)及迭代更新提出了巨大的挑戰(zhàn)。選擇何種模式的產(chǎn)品開發(fā)流程是當(dāng)下需探索的研究任務(wù)，逆向工程技術(shù)就是一種產(chǎn)品開發(fā)的思路及發(fā)展方向。

逆向工程技術(shù)是將實(shí)物通過各種數(shù)字化技術(shù)及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)重構(gòu)產(chǎn)品模型的過程，廣泛應(yīng)用于逆向造型、質(zhì)量檢測(cè)、文物修復(fù)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等多個(gè)方面[2]。逆向工程包含了數(shù)據(jù)采集及曲面重構(gòu)兩個(gè)部分，其中數(shù)據(jù)采集目前主要有接觸式及非接觸式兩種形式[3]。本文采用win-3DD非接觸式掃描儀采集銑刀盤點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，利用Geomagic design軟件進(jìn)行逆向造型獲得數(shù)字模型。

1? ? 零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集是逆向造型的基礎(chǔ)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的完整度及質(zhì)量好壞直接關(guān)系到后期模型重構(gòu)的精度及質(zhì)量[4]。首先，對(duì)掃描儀標(biāo)定校準(zhǔn)其掃描精度。其次，為了防止零件表面反光掃描不全，將銑刀盤噴粉處理，然后對(duì)銑刀盤進(jìn)行標(biāo)致點(diǎn)的粘貼。再次，把銑刀盤通過橡皮泥固定放置在轉(zhuǎn)盤上，確保銑刀盤與轉(zhuǎn)盤不會(huì)發(fā)生相互的位移。最后，利用激光掃描儀采用自動(dòng)拼接獲取銑刀盤的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)難以掃描部分可采用單獨(dú)掃描并手動(dòng)拼接處理，最后掃描后獲得的銑刀盤點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示。

2? ? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在測(cè)量時(shí)，由于外部環(huán)境及人為因素的影響，不可避免地會(huì)帶入很多雜點(diǎn)。首先，可以通過手動(dòng)方式刪除多余部分的點(diǎn)云。采用“非連接項(xiàng)”“體外孤點(diǎn)”刪除靠近產(chǎn)品、手動(dòng)操作不好刪除的部分，應(yīng)用“減少噪音”刪除粗糙的、不均勻的噪點(diǎn)。然后，采用全局注冊(cè)點(diǎn)云來防止后期出現(xiàn)片體分層問題。同時(shí)，可采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采樣功能，在保證零件外形不變及點(diǎn)云過渡區(qū)域如圓角、彎折部分?jǐn)?shù)據(jù)曲率不變的情況下優(yōu)化點(diǎn)云，在保證曲面信息完整的基礎(chǔ)上優(yōu)化點(diǎn)云可以提高后續(xù)曲面重構(gòu)的速度。運(yùn)用“聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象”命令把多次掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合成一個(gè)整體。最后，封裝后的點(diǎn)云通過“刪除釘狀物”“去除特征”“網(wǎng)格醫(yī)生”“光順”等命令完成三角片體的孔洞填充和表面光順，得到一個(gè)完整的三角形面片文件，如圖2所示。

3? ? 逆向模型重構(gòu)

三維逆向產(chǎn)品重構(gòu)是逆向工程的核心，也是產(chǎn)品再設(shè)計(jì)和加工制造的依據(jù)，在逆向建模過程中，最重要的是確立模型、重構(gòu)思路，尋找合理的重構(gòu)方式。尤其是復(fù)雜曲面重構(gòu)最為關(guān)鍵。曲面重構(gòu)主要包括代數(shù)曲面重構(gòu)、參數(shù)曲面重構(gòu)兩種，代數(shù)曲面重構(gòu)的原理是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)首先擬合成曲線，通過曲線完成曲面重構(gòu)。參數(shù)曲面重構(gòu)是直接由點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合完成曲面重構(gòu)[5]。這兩種方法的運(yùn)用要參照零件結(jié)構(gòu)具體問題具體分析。

目前，在逆向行業(yè)內(nèi)，逆向建模可采用的軟件非常多，本文之所以采用Geomagic design軟件，是因?yàn)樵撥浖且豢顚ｉT用于逆向造型的軟件，新開發(fā)的CAD建模技術(shù)完善了曲面建模功能[6]。Geomagic design軟件界面簡(jiǎn)潔、模塊清晰，曲面重構(gòu)功能強(qiáng)大，提供了多種數(shù)據(jù)參數(shù)化的工具，解決了3D掃描數(shù)據(jù)的局限性，且操作方便易上手。

把銑刀盤三角形面片文件導(dǎo)入到Geomagic design軟件后，對(duì)其結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，確立模型重構(gòu)思路如下：（1）對(duì)齊零件。銑刀盤主體是一個(gè)回轉(zhuǎn)體的結(jié)構(gòu)，可采用通過圓柱領(lǐng)域來拾取產(chǎn)品的圓柱軸，確立其中心位置，再通過拾取上表面的平面領(lǐng)域拾取一個(gè)基準(zhǔn)面，通過手動(dòng)對(duì)齊選擇平面及圓柱軸線來對(duì)齊銑刀盤零件。（2）創(chuàng)建主體結(jié)構(gòu)。通過面片草圖拾取零件的外輪廓截面線，利用截面線繪制封閉草圖環(huán)線，如圖3所示。退出草圖后采用回轉(zhuǎn)體命令得到零件主體，如圖4所示。（3）創(chuàng)建細(xì)節(jié)特征。應(yīng)用“面片擬合”“圓形陣列”“草圖繪制”“拉神”“剪切曲面”等命令把主體多余部分切割掉，并對(duì)產(chǎn)品圓角及倒斜角部分進(jìn)行處理，最后得到的零件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4? ? 曲面偏差分析

為了檢查逆向造型結(jié)果的準(zhǔn)確度，通常會(huì)對(duì)造型后的實(shí)體與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)[8];在Geomagic design軟件中可以直接應(yīng)用體偏差命令分析造型的誤差范圍。偏差設(shè)定值為（±0.08） mm。圖6所示右側(cè)偏差顯示條向上表示正偏差逐漸增大，向下表示負(fù)偏差逐漸增大。模型顯示的區(qū)域?yàn)榫G色，表示產(chǎn)品與點(diǎn)云之間擬合狀態(tài)良好，在設(shè)定的偏差±0.08 mm范圍內(nèi)[7]。從圖6可以看出，大部分區(qū)域的擬合公差在﹣0.08～0.08 mm區(qū)間內(nèi)，表明采用Geomagic design軟件進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)的曲面與銑刀盤模型數(shù)據(jù)偏差在合理范圍內(nèi)。

5? ? 結(jié)語

本文利用三維激光掃描儀及Geomagic design軟件對(duì)銑刀盤進(jìn)行了逆向建模。通過該方法得到的零件模型精度基本在±0.08 mm內(nèi)，誤差小，精度高。利用Geomagic design軟件對(duì)產(chǎn)品模型重構(gòu)的實(shí)踐表明逆向造型在產(chǎn)品開發(fā)及建模上具有非常大的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)單易操作，對(duì)產(chǎn)品的快速更新迭代提供了設(shè)計(jì)保證。文中采用的建模方法為今后能夠快速、高效完成實(shí)物建模提供了保障，Geomagic design軟件在逆向方面的研究應(yīng)用提供了參考數(shù)據(jù)及分析方法。

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