淺談基于Geomagic 的逆向建模及3D 打印

劉芳芳

（陜西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721001）

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是一種反向建模工程，該技術(shù)是指利用測(cè)量?jī)x器獲得已有產(chǎn)品模型的輪廓坐標(biāo)，再通過(guò)CAD 曲面重構(gòu)方法獲得產(chǎn)品數(shù)字化模型，在此模型基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品“創(chuàng)新”，最后通過(guò)傳統(tǒng)方法或快速成型機(jī)制作樣品[1]。 逆向工程技術(shù)目前已被廣泛地用于航空航天、國(guó)防、汽車(chē)制造、重工業(yè)與采礦、建筑及醫(yī)療等眾多領(lǐng)域中。

本文以貓眼件為實(shí)例，介紹模型逆向建模流程。 首先借助Wrap-Win3D 三維激光掃描儀獲取貓眼件 “點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，利用 Geomagic WraP 軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲得.stl 格式文件，其次采用Geomagic Design X 軟件在已封裝的點(diǎn)云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上完成建模，最后對(duì)模型進(jìn)行打印。 此項(xiàng)技術(shù)為復(fù)雜曲面的建模方法及3D 打印提供一定參考價(jià)值。

1 模型數(shù)字化

1.1 數(shù)據(jù)采集

圖1 貓眼件模型

在逆向掃描之前，首先要對(duì)掃描系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，以保證系統(tǒng)的掃描精度。 標(biāo)定完成之后，通過(guò)掃描采集實(shí)物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。 掃描模式一般分為拼合掃描和非拼合掃描，拼合掃描通常用于對(duì)一些較大的物體一次不能掃描全部數(shù)據(jù)，可通過(guò)貼標(biāo)志點(diǎn)，利用拼合掃描的方式完成；非拼合掃描通常用于只要掃描物體的一個(gè)面就能得到所需數(shù)據(jù)的掃描方式。 本文掃描對(duì)象為貓眼件，觀察發(fā)現(xiàn)該實(shí)物不能通過(guò)一次掃描獲得所有數(shù)據(jù)，故需要在實(shí)物上貼標(biāo)志點(diǎn)采取拼合掃描模式如圖1 所示。 粘貼標(biāo)志點(diǎn)時(shí)需注意，應(yīng)選擇曲率較小的曲面且盡量遠(yuǎn)離邊界，標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)無(wú)規(guī)律分布，保證掃描效果[2]。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

掃描完成后，在模型管理器中，通過(guò)【聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象】工具將離散點(diǎn)合并為一組數(shù)據(jù)，并保存為.asc 格式。 將保存好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic WraP 中，對(duì)非連接孤點(diǎn)刪除并降噪后，利用【封裝】命令對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行封裝計(jì)算，并將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三角網(wǎng)格模型，為了得到更好的多邊形模型，要對(duì)模型做刪除釘狀物、填充孔、網(wǎng)格醫(yī)生等進(jìn)一步的處理，最后將文件保存為.stl 格式。

2 逆向建模

Geomagic Design X 軟件具有強(qiáng)大的點(diǎn)云處理能力和建模能力，能夠與UG、solidworks 等其他三維軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，適用于零部件的逆向模型重構(gòu)，建模速度快、效率高，尤其對(duì)于型面復(fù)雜的模型設(shè)計(jì)具有顯見(jiàn)優(yōu)勢(shì)。 將貓眼件.stl 三角面片網(wǎng)格面模型導(dǎo)入Geomagic Design X，如圖2 所示。

圖2 貓眼件三角面片模型

2.1 模型重構(gòu)

從圖2 可以看出貓眼件模型由中間半球體、M 型曲面及底板、兩側(cè)曲面、表面凹槽等部分組成。 根據(jù)各組成部分結(jié)構(gòu)的差異性，通過(guò)領(lǐng)域分割逐個(gè)進(jìn)行面片擬合或進(jìn)行面片草圖的拉伸。 具體建模過(guò)程如下：

1）M 型曲面主體輪廓特征通過(guò)拉伸創(chuàng)建實(shí)體，提取中間截面線草圖，對(duì)截面特征進(jìn)行拉伸并完成倒圓角特征。

2）兩側(cè)曲面部分通過(guò)領(lǐng)域分組，進(jìn)行面片擬合，并采用切割指令去除多余面片；完成面片擬合。

3）表面凹槽部分通過(guò)手動(dòng)繪制領(lǐng)域及對(duì)面片草圖拉伸，實(shí)體表面的復(fù)雜曲面完成面片擬合之后，通過(guò)實(shí)體切割、 剪切曲面功能對(duì)擬合面片進(jìn)行處理并保留剩余實(shí)體和曲面。

4） 中間球體部分通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)截面旋轉(zhuǎn)完成實(shí)體創(chuàng)建。 首先創(chuàng)建球的中心參考線，再進(jìn)入面片草圖繪制回轉(zhuǎn)截面，旋轉(zhuǎn)即可得到球體特征。

5）通過(guò)布爾運(yùn)算和倒圓角命令對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行進(jìn)一步的處理，得到與點(diǎn)云數(shù)據(jù)相同的基于Geomagic Design X 逆向建模數(shù)字化三維實(shí)體模型，輸出保存為.stp 格式，如圖3 所示。

圖3 逆向建模模型

2.2 偏差分析

Geomagic control 是一套全面的自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)，能夠?qū)a(chǎn)品原型與CAD 模型進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)[3]，并將檢測(cè)結(jié)果以圖形形式直觀呈現(xiàn)并生成報(bào)告。 本文僅對(duì)報(bào)告中的偏差分析結(jié)果進(jìn)行闡述。

將Wrap 處理后的.stl 點(diǎn)云數(shù)據(jù)與由Design X 進(jìn)行模型重構(gòu)后輸出的.stp 文件同時(shí)導(dǎo)入control 軟件當(dāng)中。通過(guò)Geomagic control 自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD 模型進(jìn)行對(duì)比，并自動(dòng)生成易解讀的偏差色譜圖。 在3D 比較分析時(shí)，將臨界值設(shè)置為±0.5mm，將名義值設(shè)置為±0.1mm。若色譜圖為綠色，表明偏差在許可范圍以內(nèi)。由圖4 擬合結(jié)果可知，顏色基本為綠色，表明偏差很小。偏差色譜分布對(duì)于數(shù)字化模型的再優(yōu)化具有指導(dǎo)意義，能夠使逆向重構(gòu)模型達(dá)到更高的精度。

圖4 曲面偏差分析色圖

3 3D 打印

通過(guò)掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與借助逆向建模獲得的CAD 模型均可保存為.stl 格式進(jìn)行打印，但為進(jìn)一步確保實(shí)際裝配精度以及模型表面的光順度，本文采用CAD 模型進(jìn)行打印。選用的打印機(jī)為UP BOX+桌面打印機(jī)，通過(guò)USB 接口將打印機(jī)與電腦進(jìn)行連接，借助UP studio 軟件對(duì)打印模型進(jìn)行設(shè)置。 打印具體操作步驟為：

將重構(gòu)的CAD 模型輸出為.stl 格式并導(dǎo)入U(xiǎn)P BOX+打印機(jī)中；采用適當(dāng)比例對(duì)模型進(jìn)行縮放，將模型合理放置平臺(tái)中心；設(shè)置打印層高為0.1mm，選用網(wǎng)格填充方式完成模型切片處理并打印。 切片效果與打印實(shí)體分別如圖 5、圖 6 所示。

圖5 切片效果圖

圖6 打印件

4 結(jié)論

本文主要介紹了基于 Geomagic 系列軟件的貓眼件逆向建模，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與數(shù)字化模型進(jìn)行了偏差比對(duì)，結(jié)果表明兩者之間偏差很小，建模精度較高，最后，對(duì)重構(gòu)模型進(jìn)行打印，為后期模型的裝配奠定基礎(chǔ)。 從整個(gè)過(guò)程可以看出，逆向建模操作簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，建模誤差??；3D 打印時(shí)效高，能夠短時(shí)間獲得所需零件的實(shí)體模型。 由此可知，對(duì)于部分結(jié)構(gòu)破損或只有實(shí)物而沒(méi)有數(shù)據(jù)的模型，可以借助逆向工程完成零件的再制造再創(chuàng)新，提高復(fù)雜模型產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)水平，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，應(yīng)用前景廣泛[4]。