李　庆, 吴亚兰

(安徽机电职业技术学院数控工程系， 安徽芜湖 241000)



异形零件的逆向建模方法及应用

李庆, 吴亚兰

(安徽机电职业技术学院数控工程系， 安徽芜湖 241000)

摘要：提出逆向工程应用于异形零件产品建模过程中的解决方案，对关键技术的使用进行了详细说明.首先在逆向软件Geomagic中对原始数据进行处理，然后创建异形零件的三维曲面模型，最后进行误差分析.通过Geomagic Quality软件证明了重建的数字模型达到了设计要求，能够满足生产需求.

关键词：逆向工程； Geomagic； 异形零件

逆向工程技术(ReverseEngineering，RE)以产品及设备的实物、软件(图样、程序及技术文件等)或影像(图片、照片等)等作为研究对象，逆向出初始的设计意图，包括形状、材料、工艺、强度等诸多方面[1].逆向工程应用于已有零件的复制、损坏或磨损零件的还原、模型精度的提高及数字化模型检测等.目前，国内外产品设计已基本甩脱传统的图样描述方式，而直接在三维造型软件平台上进行[2].产品的现代设计三维造型软件进行建模的数据来源也由传统图样变成了三维数字化的点云信息.点云信息的获得主要依靠三维扫描技术的应用.三维扫描技术能实现非接触测量，具有速度快、精度高的优点.手板、样品、模型经过三维扫描仪的扫描，可以迅速获得其三维尺寸数据.这些数据能与CAD、CNC设备、快速成型设备共享，在功能日趋强大的CAD软件的编辑下，形成产品的数模，经过调整、修改和创新后，可以通过CNC设备、快速制模机、快速成型机迅速得到产品的原型.这项技术路线可以为企业赢得产品上市时间，大大缩短新产品研发周期.

1逆向工程的流程

逆向工程主要技术路线中的关键性技术包括数字化测量、点云处理、三维模型的建立.

1.1常用数字化测量方法

逆向工程技术路线中一个关键性技术就是三维数据即点云文件的获取，点云文件主要依靠数字化测量方式获得.逆向工程中数字化测量的主要方法有三坐标测量法、投影光栅法、激光三角形法、核磁共振和CT法以及自动断层扫描法等[3].常用的数据采集设备有传统的坐标测量机(CoordinateMeasurement Machine,CMM)、激光扫描机(Laser Scanner)、零件断层扫描机(Cross Section Scanner)以及CT(Computer Tomography)和MRI(Magnetic Resonance Imaging)等.根据测量方式不同，数据采集方法可分为接触式测量和非接触式测量两大类.

1.2点云文件编辑处理

用非接触测量方法测得的点云数据庞大，并往往带有很多的杂点、噪声点，影响后续的模型重构过程.因此，需要在曲线重构前，对数据进行必要的处理以获得满意的点云，为曲面的重构做充分的准备，即点云预处理[4].点云预处理主要包括点云过滤、点云对齐、减少噪音、填充孔、封装等工作，其工作流程如图1所示.

图1 点云文件编辑处理流程

1.3 三维曲面逆向建模

逆向工程技术发展中的核心课题，即是利用产品表面的散乱点数据重构产品CAD模型，通过对这些数据进行拟合，生成曲面或曲面片，最后通过曲面片的拼接和裁剪等曲面编辑操作，完成曲面模型的构建.这里最重要的是自由曲面的特征重建[5].

目前由点云拟合成曲面的算法共有三类：四边域的参数曲面拟合方法、三边域的曲面拟合方法、基于多面体的曲面拟合方法.以NURBS曲面为代表的四边域参数曲面拟合具有数据通用性好、算法稳定、曲面编修能力强、曲面质量好的特点，已经成为曲面拟合方式的主流[6].常用逆向建模工作流程如图2所示.

图2 逆向建模工作一般流程

CAM和CAE软件可以对重新建立的产品CAD模型进行处理和加工，迅速实现产品原型的制造.不同类型的产品，其外观和结构均有各自的特点，所以需要根据不同结构和特点考虑逆向建模的思路.在使用CAD软件建模过程中，要灵活运用建模功能，针对不同结构创建产品数模.这要求建模人员不但要考虑产品独特的功能结构和外观要求，还要考虑产品的生产制造工艺.

2异形零件的三维扫描

异形零件是由五轴数控设备加工而成的，为实现批量化生产，急需三维数字化模型，工件照片如图3所示.

图3 工件照片

2.1三维扫描设备

Win3DD系列三维扫描仪采用面扫描的非接触式三维光学扫描方式，可针对外观复杂、自由曲面、柔软易变形或易磨损的物体进行表面数据获取，避免了传统激光扫描仪精度低、效率差及行程限制等缺陷.

在使用三维扫描设备扫描前，要使用标定板对设备进行标定，对工件喷涂显像剂，最后才可调整曝光率对工件进行扫描.扫描时对中部的曲线槽作重点处理，获得如图4所示点云.

图4 点云文件

2.2 点云文件编辑处理

Geomagic Studio是Geomagic公司产品的一款逆向软件，可根据任何实物零部件通过扫描点点云自动生成准确的数字模型.作为自动化逆向工程软件，Geomagic Studio还为新兴应用提供了理想的选择，如定制设备大批量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动重造[7].Geomagic Studio可以作为CAD、CAE和CAM工具提供完美补充，它可以输出行业标准格式，包括STL、IGES、STEP和CAD等众多文件格式.Geomagic软件点云处理功能强大，能够满足逆向扫描点云处理要求.

可通过对齐、合并和注册拼接点云数据，以及删除体外孤点和降噪进一步优化点云数据.对于扫描的点云缺陷可以使用快捷的工具进行修补和编辑处理.最后通过封装后输出STL格式三角形面片文件.处理后的文件如图5所示.

图5 经过处理后的曲面文件

2.3曲面逆向建模

在点云构建曲面的算法中，自由建模方法主要分为三大类：一种是以B-Spline曲面为基础进行曲面构造；一种是以Bezier曲面为基础进行曲面构造；还有一种是以NURBS曲面为基础进行曲面构造.采用UG NX软件进行曲面建模.

异形零件逆向建模时，首先要进行工件加工工艺分析，初步获取各个特征成型的刀具路径和加工方式.主体部分首先使用UG NX的“截面曲线”功能，在距离底部2mm的基准平面上获得水平面内的点云信息，由取得的点云绘制出水平方向的截面轮廓.主体部分考虑用拉伸的方法创建，高度以千分尺测量得到的数据为准.在圆弧形状内侧倒3.5mm的45°斜角，建模结果如图6所示.

图6 工件主体部分的建模结果

对于工件内部台阶状的沟槽，要分析出多轴加工机床的走刀路径，在走刀路径的下刀方向求出截面形状.两个沟槽加工路径不一样，需要分成两次建模，主要思路是以“通过曲线组”功能建模为主，配合同步建模功能实现两个沟槽的建模.在图6所示的主体部分，取Z向截面，要求截面通过主体形状的圆弧中心，如图7中所示截面.在创建过程中，要注意选取截面的间距尽量大致相同，以确保形状精度.在截取四段截面点云信息后，用曲线或草图连接近似形状，创建出沟槽形状.对于创建的沟槽形状圆角，可以根据实体零件直接测量获得.沟槽两边可以使用同步建模功能进行相应编辑.使用布尔运算减的方法，获得图7所示的沟槽.

图7 工件内部沟槽的建模结果

对于工件实物图3中右侧的U型槽，创建时要选好截面，也就是以最低的沟槽底面为截面，在STL模型上获得U型槽基本形状点云信息.使用过主体圆弧圆心的Z向基准平面，截取STL模型获得U型槽底部的斜线，用扫掠功能实现U型槽建模.利用布尔运算去除多余材料时，应注意不要破坏沟槽侧壁.使用实体分割策略进行修整时，可以避免上述破坏现象.

对于孔和槽，可以通过点云和手动测量工具进行检测获得数据，从而进行拉伸创建，最后进行三维图形细节部分的修整，最终形成图8所示的数字化模型.

图8 产品数字化模型

3产品的检验与对比

数模与点云的对比检测使用Geomagic Qualify软件，它是一款逆向校验软件，可以迅速通过模型比照获得产品数模和产品制造件(或原型)之间的差异.Geomagic Qualify能够以比较简明的图形比较结果显示上述差异，也就是造型或者制造的误差.该软件可应用于产品的首件检验、生产线上或是车间内检验、趋势分析、二维和三维几何形状尺寸标注等方面.Qualify软件还可以自动生成客户所订制的检测报告，以满足检测需求.

Qualify软件使用中，以原始数据的图5所示曲面为校验参考，对图8所示的数字化模型进行对比测量.根据不同颜色所示区域存在的误差，对建模过程中的参数进行修整.最好使用草图功能对点云进行拟合，以方便此时的修整和编辑.对于出入较大、又找不到相关参数调整的部位，可以使用UG NX软件的X成型功能对部分曲面进行调整，但这种方法误差较大，不主张使用太多.经过多次对比检测的输出结果如图9所示.

图9 点云与模型的图形比较结果

4结束语

异形零件结构中存在难以精确表达的曲面形状或未知设计方法的结构，通过逆向工程技术可以获得准确的数字模型，压缩了产品设计周期，提高了开发效率，改善了制造精度，避免了使用传统方式重复试制的时间和经济损失.实验和校验结果表明，逆向工程误差控制应注意的环节有：(1)三维白光照相扫描仪的自身误差；(2)喷涂显像剂时涂层的厚度和均匀性会影响点云精度；(3)点云处理时，如果为获得较好的曲面质量而将点云编辑功能中"平滑度"调的过大，会造成精度损失；(4)曲面建模时，要注意异形件的加工工艺，从加工制造的角度来考虑建模的思路，否则在建模时会造成较大精度误差；(5)做曲线截取、曲面创建时要注意公差的设置，尽可能使公差值最小，以免造成曲面误差过大.

参考文献:

[1] 田竹友,简斌.逆向工程中数据的处理[J].北京机械工业学院学报,2004,19(2):1-5.

[2] 刘伟军,孙玉文.逆向工程原理·方法及应用[M].北京：机械工业出版社,2008.

[3] 徐进,柯映林.点云部分缺失条件下边界曲面直接拟合技术[J].机械工程学报,2010,46(3): 135-137.

[4] 匡小兰,欧新良,倪问尹.散乱点云数据区域分割综述[J]. 长沙大学学报， 2010,24(05):68-72.

[5] 李新.逆向工程模型重构及工程应用若干问题的研究[D]. 南昌：南昌航空大学， 2010.

[6] 朱巍.细分曲面理论及其应用问题的研究[D]. 合肥：中国科学技术大学，2011.

[7] Dekkers E, Kobbelt L, Pawlick R,etal. A sketching interface for feature curve recovery of free-form surfaces[J]. Computer-Aided Design， 2011 (7): 771-780.

(编辑：郝秀清)

Reverse modeling method and its application for special shaped parts

LI Qing, WU Ya-lan

(Numerical Control Engineering Department, Anhui Techinical College of

Mechanical and Electrical Engineering, Wuhu 241000, China)

Abstract:By proposing a solution to reverse engineering application in special shaped parts product modeling process, the use of some key technology is described in detail in this paper. Firstly the paper introduced the processing of original data in the reverse engineering software Geomagic, then created a 3D surface model of multi axis machining parts,and finally analyed the error. Geomagic Quality software proved that the reconstruction digital model met the design requirements and could meet the production requirements.

Key words:reverse engineering; Geomagic; special shaped parts

中图分类号：TB21

文献标志码：A

文章编号：1672-6197(2015)03-0041-04

作者简介：李庆，男，skgclq@163.com

基金项目：安徽省高等学校省级自然科学研究项目(KJ2013B048)

收稿日期：2014-11-19