魯淑葉 魯佳飛

(1.四川信息職業(yè)技術(shù)學院 四川廣元628017；2.大連中興成信機械工程有限公司 遼寧大連116000)

在瞬息萬變的產(chǎn)品市場，能否快速地生產(chǎn)出合乎市場需求的產(chǎn)品成為企業(yè)成敗的關(guān)鍵，面對只有實物樣品或模型，沒有圖紙或 CAD數(shù)據(jù)文檔，逆向工程技術(shù)專門為制造業(yè)提供了一個全新、高效的三維繪制路線，實現(xiàn)了從實物模型到幾何建模的直接轉(zhuǎn)換。用逆向建模技術(shù)把實物模型快速轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，就可以大幅縮短產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)周期。

1 逆向工程技術(shù)的工作流程

逆向工程也稱反求工程，反向工程，是指對存在的實物模型或零件通過接觸或非接觸測量得到相應(yīng)的點云數(shù)據(jù)，根據(jù)測量的點云數(shù)據(jù)利用逆向軟件重構(gòu)CAD模型的一個過程。其具體流程如圖1所示。

圖1 逆向工程的工作流程圖

2 基于Geomagic DesignX軟件的剎車手柄逆向設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)的采集與點云處理

數(shù)據(jù)采集是逆向工程中的重要環(huán)節(jié)，本文的數(shù)據(jù)采集使用Handyscan3D手持式三維激光掃描儀對剎車手柄零件進行點云數(shù)據(jù)的采集，并將采集的剎車手柄數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio軟件中進行點云處理，在點云階段，通過點云對齊、去除體外孤點和減少噪音，采樣等操作，得到光滑點云，如圖 2所示。然后將數(shù)據(jù)封裝成三角面片數(shù)據(jù)，再通過破洞修補、邊界修補、多邊形編輯等操作得到光滑的多邊形模型，如圖3所示。處理完數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)保存為STL格式。

圖2 優(yōu)化的點云圖

圖3 優(yōu)化的多邊形模型

2.2 逆向建模

本文采用軟件Geomagic DesignX逆向建模，逆向建模的一般流程是:劃分領(lǐng)域－對齊坐標系－提取和編輯特征曲線—根據(jù)領(lǐng)域特征合理建模。

1）劃分領(lǐng)域組

將.stl文件導(dǎo)入Geomagic DesignX軟件中，使用領(lǐng)域組功能的自動分割功能將面片劃分為多個特征區(qū)域，根據(jù)需要可以使用手動分割進行重新分割，結(jié)果如圖4所示。

圖4 劃分領(lǐng)域

2）坐標系對齊

在逆向工程技術(shù)中，由于點云中的坐標系大多與軟件的坐標系不一致，在軟件中操作時不能將點云切換到合適的視圖，所以需將點云中的坐標系與軟件中的坐標系對齊，以方便操作。

選中“手動對齊”功能，選擇x-y-z方式將坐標系移動至圓柱體的上表面，如圖5所示。擺齊對正效果如圖6所示。

圖5 “手動對齊”功能

圖6 擺齊對正效果

2.3 剎車手柄模型的創(chuàng)建

對圖1進行分析，剎車手柄主要由中間空心圓柱、斜面支撐部分及與圓柱相交的空心圓柱三個部分組成。根據(jù)各部分特征的形成方式，選取合適的建模方法，完成模型的重建。

1）中間空心圓柱的創(chuàng)建

中間空心圓柱部分通過回轉(zhuǎn)截面旋轉(zhuǎn)完成實體創(chuàng)建，創(chuàng)建面片草圖時，選擇右平面，獲得草圖截面，如圖7所示，繪制完成草圖截面后利用實體中的回轉(zhuǎn)功能完成中間空心圓柱部分的創(chuàng)建。如圖 8所示。

圖7 草圖截面

圖8 空心圓柱的生成

2）側(cè)面圓柱的創(chuàng)建

側(cè)面圓柱通過對草圖截面拉伸創(chuàng)建實體，創(chuàng)建面片草圖時，提取參照平面如圖9所示，繪制完成草圖截面后利用實體中的拉伸功能完成側(cè)面圓柱部分的創(chuàng)建，如圖10所示。

圖9 提取參照平面

圖10 側(cè)面圓柱的生成

3）斜面支撐部分的建模

斜面支撐部分曲面比較復(fù)雜，可以采用曲面掃描、曲面裁剪等功能結(jié)合使用完成模型的創(chuàng)建，結(jié)果如圖11所示。

圖11 斜面支撐部分的建模

4）補全其他特征

完成主體部分建模后，通過創(chuàng)建圓角，拉伸切除并對實體特征進行布爾操作等操作處理完成零件的逆向建模，模型結(jié)果如圖12所示。

圖12 剎車手柄實體模型

3 實體模型的質(zhì)量分析

完成剎車手柄的模型創(chuàng)建后，使用GeomagicDesignX提供的偏差分析功能分析實體模型與點云之間的偏差。實體模型與掃描點云的誤差分析效果如圖13所示，綠色部分為誤差控制在±0.1mm以內(nèi)的區(qū)域，擬合的曲面精度合格。

圖13 誤差分析結(jié)果

4 結(jié)語

逆向工程為制造業(yè)提夠了一個全新、高效的三維制造路線，實現(xiàn)了從實際物體到幾何模型的直接轉(zhuǎn)換，已成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種先進技術(shù)的紐帶。本文以剎車手柄為例，通過使用三維Geomagic Studio軟件和Geomagic DesignX軟件完成了剎車手柄三維模型的創(chuàng)建，實例證明該方法具有點云采集速度快、精度高、軟件操作簡單、建模誤差小的特點，為復(fù)雜零件的逆向建模提供了新的思路和方法,具有較好的應(yīng)用價值。