基于Geomagic軟件的凸輪軸逆向設(shè)計(jì)及檢測分析

摘 要：探討了3D掃描技術(shù)在凸輪軸逆向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，針對凸輪軸的特殊結(jié)構(gòu)和復(fù)雜形狀，提出了一種基于Geomagic軟件的凸輪軸逆向設(shè)計(jì)方法。該方法首先利用3DScanGO Laser復(fù)合式掃描儀全面掃描凸輪軸，獲取精確的幾何形狀和尺寸數(shù)據(jù)；隨后，使用Geomagic Wrap軟件處理掃描數(shù)據(jù)，并利用Geomagic Design X軟件重構(gòu)凸輪軸的三維模型；最后，通過PolyWorks軟件對重構(gòu)的凸輪軸三維模型進(jìn)行檢測與分析。

關(guān)鍵詞：3D掃描；數(shù)據(jù)處理；模型重構(gòu)；模型檢測

中圖分類號：TP391.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Reverse design and inspection analysis of camshaft based on Geomagic software

SUN Ben， MIAO Zhuangzhuang， YANG Haixia*

（Wuxi Institute of Technology， Wuxi 214121 Jiangsu， China）

Absrtact： In this paper， the application of 3D scanning technology in the reverse design of camshafts is discussed， and a reverse design method of camshafts based on Geomagic software is proposed for the special structure and complex shape of camshafts.In this method， the camshaft is scanned with a 3DScanGO Laser composite scanner to obtain accurate geometry and dimensional data， then the scan data is processed by Geomagic Wrap software， the 3D model of the camshaft is reconstructed by Geomagic Design X software， and finally the 3D model of the reconstructed camshaft is inspected and analyzed by PolyWorks software.

Key words：3D scanning; data processing; model refactoring; model detection

0 引 言

隨著工業(yè)制造技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，逆向工程作為一種重要的技術(shù)手段，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和檢測等領(lǐng)域。凸輪軸作為內(nèi)燃機(jī)等機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵零部件之一，其設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量直接影響到發(fā)動機(jī)的性能和穩(wěn)定性。因此，凸輪軸的設(shè)計(jì)和檢測工作顯得尤為重要。

本文以某型號凸輪軸為例，首先使用3DScanGO Laser復(fù)合式三維掃描儀對凸輪軸進(jìn)行了三維掃描，獲取實(shí)物的精確幾何表面信息并生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后借助Geomagic Wrap軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成完整、高精度的凸輪軸面片模型；隨后，通過Geomagic Design X軟件，將面片模型轉(zhuǎn)換為可編輯的三維模型，為后續(xù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供可操作的幾何數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；最后，采用PolyWorks軟件對建立的三維模型進(jìn)行檢測分析，以驗(yàn)證逆向重構(gòu)的精度。

1 三維數(shù)據(jù)采集

采用華中科技大學(xué)無錫研究院生產(chǎn)的3DScanGO Laser掃描儀，設(shè)備采用線結(jié)構(gòu)光進(jìn)行掃描，是一種利用雙目視覺原理來獲得空間三維點(diǎn)云的儀器。在工作時借助于掃描當(dāng)前幀的標(biāo)記點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)庫進(jìn)行匹配，從而獲得掃描儀和被測物體的空間位置，并通過激光發(fā)射器發(fā)射激光，照射在被掃描工件表面，再由相機(jī)捕捉反射光，經(jīng)計(jì)算得到工件的外形數(shù)據(jù)。

1.1 貼標(biāo)志點(diǎn)

根據(jù)掃描儀的工作原理，在凸輪軸的表面貼上反光標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)的粘貼位置應(yīng)避免沿著一條直線排列，并且也要避免貼在工件的邊界處，確保在拼合掃描時，每個面至少有4個公共標(biāo)志點(diǎn)，凸輪軸標(biāo)志點(diǎn)粘貼如圖1所示。

1.2 工件掃描

將貼好標(biāo)志點(diǎn)的工件放在和掃描儀適配的轉(zhuǎn)臺上，觀察標(biāo)志點(diǎn)位置，并調(diào)整工件的擺放位置，保證每次掃描都有至少4個公共標(biāo)志點(diǎn)，如圖2所示。

首先將工件和轉(zhuǎn)臺上的標(biāo)志點(diǎn)全部掃描出來，選中轉(zhuǎn)臺上的所有標(biāo)志點(diǎn)作為背景標(biāo)志點(diǎn)。

然后開始掃描工件，可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺來掃描各個方向的工件表面，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺時需暫停掃描儀的掃描，防止影響工件的掃描數(shù)據(jù)。掃描結(jié)束后，將掃描出的數(shù)據(jù)保存并新建項(xiàng)目，將工件翻面，保證至少4個公共標(biāo)志點(diǎn)后，再次掃描并保存數(shù)據(jù)。

1.3 標(biāo)志點(diǎn)拼合

獲取3份點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，用掃描軟件中的標(biāo)志點(diǎn)拼合功能將3份點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合成一份，完成的凸輪軸點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖3所示。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

首先打開Geomagic Wrap軟件，導(dǎo)入保存的點(diǎn)云文件，采樣比率100%，單位：mm。點(diǎn)擊著色點(diǎn)，觀察其幾何形狀。

2.1 刪除體外孤點(diǎn)

在使用體外孤點(diǎn)檢測命令時，將敏感度設(shè)置為85%即可。敏感度越高，選擇的體外孤點(diǎn)數(shù)量就會增加，反之則減少。點(diǎn)擊“應(yīng)用”后，在右側(cè)視圖中，被選中的體外孤點(diǎn)會變?yōu)榧t色?？梢酝ㄟ^點(diǎn)擊“Delete”鍵來刪除這些體外孤點(diǎn)。若在操作后沒有數(shù)據(jù)變?yōu)榧t色，說明在這次操作中已沒有符合該敏感度要求的體外孤點(diǎn)。

2.2 刪除非連接項(xiàng)

使用非連接項(xiàng)命令，數(shù)值默認(rèn)即可，點(diǎn)擊確定。被選中的非連接項(xiàng)數(shù)據(jù)將會變紅，然后點(diǎn)擊Delete鍵刪除。非連接項(xiàng)命令能夠識別出與數(shù)據(jù)主體沒有相連接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.3 減少噪音

在執(zhí)行減少噪音命令時，將迭代次數(shù)設(shè)定為4次，偏差限制值設(shè)定為0.04mm。執(zhí)行操作后，點(diǎn)擊應(yīng)用按鈕。被選中的數(shù)據(jù)將變?yōu)榧t色，可使用Delete鍵將其刪除。“減少噪聲”命令能夠?qū)⒄`差點(diǎn)調(diào)整到正確位置，修正掃描儀誤差，并使數(shù)據(jù)排列更為平滑，如圖4所示。

4.4 封裝

使用封裝命令使點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榍逦梢姷拿嫫瑪?shù)據(jù)，其由多邊形網(wǎng)格面組成，使其能更為方便地調(diào)整掃描數(shù)據(jù)的三維數(shù)據(jù)，如圖5所示。

2.5 網(wǎng)格醫(yī)生

使用“網(wǎng)格醫(yī)生”命令，面片上出現(xiàn)的紅色區(qū)域是小孔洞，點(diǎn)擊“應(yīng)用”，小孔洞將被填補(bǔ)上。“網(wǎng)格醫(yī)生”可以自動識別并修復(fù)多邊形網(wǎng)格內(nèi)的缺陷。同時，通過使用“填充全部孔”命令，可以使其成為完整的模型。

2.6 銳化向?qū)?/p>

使用“銳化向?qū)А泵詈?，點(diǎn)擊“計(jì)算”，然后調(diào)整圖形，使相鄰的兩個面被紅色銳化線分開。調(diào)整完畢后，點(diǎn)擊“抽取”，再點(diǎn)擊“下一步”。接著，對銳化線進(jìn)行調(diào)整，確保銳化線能夠準(zhǔn)確覆蓋模型需要銳化的部分，同時，在缺少的地方進(jìn)行補(bǔ)充，多余的部分進(jìn)行刪除。完成調(diào)整后，點(diǎn)擊“下一步”。

根據(jù)圖形調(diào)節(jié)延伸因子，若有銳化線相近的情況，將延伸因子設(shè)置為0.2左右，否則使用默認(rèn)值即可。點(diǎn)擊“延伸”，然后點(diǎn)擊“下一步”，此時可調(diào)整銳化范圍（一般情況下不需要調(diào)整）直接點(diǎn)擊“下一步”。接著點(diǎn)擊“更新格柵”，再點(diǎn)擊“銳化多邊形”，此時數(shù)值保持默認(rèn)即可，待銳化成功后，繼續(xù)操作，如圖6所示。

3 三維模型重構(gòu)

Geomagic Design X是一款功能強(qiáng)大的逆向工程軟件，它能夠快速而準(zhǔn)確地將實(shí)物物體的掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAD模型。該軟件具有自動化處理功能，可高效處理大量的掃描數(shù)據(jù)。

3.1 分割領(lǐng)域

首先，打開Geomagic Design X軟件，并導(dǎo)入保存的面片模型文件。使用“領(lǐng)域模塊”命令，點(diǎn)擊“自動分割”，對面片模型進(jìn)行分割，保持其他設(shè)置為默認(rèn)，然后點(diǎn)擊“OK”，等待分割完成。

接下來，調(diào)整已完成分割的領(lǐng)域面片。選擇同一表面的領(lǐng)域，按住Shift鍵，用鼠標(biāo)左鍵選擇領(lǐng)域，然后點(diǎn)擊菜單欄中的“合并”，將兩個或多個領(lǐng)域合并為一個。再點(diǎn)擊“分割”，選取面片模型作為分割對象，用鼠標(biāo)點(diǎn)選兩個點(diǎn)來劃分一條分割線，將一個領(lǐng)域分成兩個，點(diǎn)擊“OK”完成分割。此時左側(cè)導(dǎo)航欄將顯示“領(lǐng)域組1”。

3.2 建立草圖

使用草圖命令，在菜單欄點(diǎn)擊“面片草圖”，選擇凸輪軸面片的側(cè)邊平面，然后拖動矢量箭頭，使圖上可以展示一個較為完整的軸的圓形草圖，找到合適的位置后，點(diǎn)擊“OK”完成。接著，在菜單欄點(diǎn)擊“自動草圖”，將之前生成的粉色草圖變?yōu)榭删庉嫷乃{(lán)色草圖，完成草圖選擇后點(diǎn)擊“OK”，最后點(diǎn)擊菜單欄中的“退出”，如圖7所示。

3.3 模型拉伸

選擇菜單欄上方的模型模塊，點(diǎn)擊菜單欄中創(chuàng)建實(shí)體區(qū)域中的“拉伸”，基準(zhǔn)草圖為“草圖1（面片）”，方向中的方法為“到領(lǐng)域選擇要拉伸到的平面領(lǐng)域，點(diǎn)擊“OK”，模型創(chuàng)建完成。

再次選擇一個相鄰平面，創(chuàng)建后一區(qū)域草圖，創(chuàng)建“草圖2”對其進(jìn)行拉伸操作，生成模型。對第二個拉伸出來的模型，在拉伸中的結(jié)果運(yùn)算區(qū)域選擇“合并”，重復(fù)上述步驟，創(chuàng)建并合并每個區(qū)域的模型，使凸輪軸的軸向特征全部表達(dá)出來，如圖8所示。

4 模型檢測與分析

PolyWorks是InnovMetric軟件公司開發(fā)的專業(yè)三維測量和逆向工程軟件，它能夠提供直觀的數(shù)據(jù)、可視化工具和報(bào)告生成功能，輔助用戶實(shí)時查看和分析三維數(shù)據(jù)，并生成詳細(xì)的報(bào)告和文檔。

4.1 導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)

打開PolyWorks軟件，進(jìn)入到Inspector Premium界面，為檢測做好準(zhǔn)備，點(diǎn)擊“輸入”，輸入三角化模型，選中已保存的模型文件，參數(shù)對象為“毫米”，名稱為“對齊組1”。點(diǎn)擊“輸入”，輸入CAD模型，選中“凸輪軸”模型文件，導(dǎo)入即可。

4.2 對齊

選擇對齊，選擇最佳擬合數(shù)據(jù)至參考對象，數(shù)值為默認(rèn)即可。

4.3 生成數(shù)據(jù)色譜圖并注釋

點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)彩圖”，選擇數(shù)據(jù)對象至參考對象曲面的偏差，其余數(shù)值默認(rèn)。將最大距離設(shè)定為2mm，點(diǎn)擊“確認(rèn)”生成色譜圖。在數(shù)據(jù)彩圖中，點(diǎn)擊“創(chuàng)建點(diǎn)注釋”，以不同顏色區(qū)分。首先選擇出現(xiàn)最大誤差的兩種顏色并加以注釋，然后再選擇其他9點(diǎn)進(jìn)行注釋，盡量包含各種顏色，如圖9所示。

4.4 生成偏差數(shù)據(jù)報(bào)告表格

點(diǎn)擊“報(bào)告”，點(diǎn)擊“創(chuàng)建表格”，點(diǎn)擊“從當(dāng)前數(shù)據(jù)的所有彩圖點(diǎn)注釋”，生成上述注釋點(diǎn)的偏差數(shù)據(jù)，如表1所示。

4.5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上11組數(shù)據(jù)的偏差計(jì)算，得到的平均偏差為0.61mm。在選擇標(biāo)注點(diǎn)時，多選取了偏差較大且靠近每個面邊緣的點(diǎn)，整體區(qū)域更傾向于顏色較深的綠色，即誤差低于0.25mm。因此，整個零件的平均偏差相對較低，表明逆向設(shè)計(jì)的模型與實(shí)際掃描得到的完好凸輪軸工件的契合度較高。

5 結(jié) 論

本文以某型號凸輪軸為樣本，通過綜合應(yīng)用多種軟件工具，實(shí)現(xiàn)了凸輪軸的逆向重構(gòu)，并驗(yàn)證了其精度和可靠性，為后續(xù)復(fù)雜零件逆向設(shè)計(jì)的研究和實(shí)踐提供了借鑒，本文得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1） 在逆向設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合掃描軟件ScanViewer和3DScanGO Laser系列復(fù)合式三維掃描儀對凸輪軸進(jìn)行三維掃描，可以獲得精確的實(shí)物幾何表面信息，并生成可靠的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（2） 使用Geomagic Wrap軟件處理獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)是關(guān)鍵的一步。通過這一步驟，可以生成完整且高精度的凸輪軸面片模型。

（3） 借助Geomagic Design X軟件可以快速將面片模型轉(zhuǎn)換為可編輯的三維模型，從而為后續(xù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供精確的可操作的幾何數(shù)據(jù)。這種轉(zhuǎn)換可以為人們提供更直觀、更高效的工作方式。

（4） 使用PolyWorks檢測軟件對建立的三維模型進(jìn)行檢測分析能夠準(zhǔn)確評估逆向設(shè)計(jì)的精度，并生成差值報(bào)告。

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