基于DX的油汀烘衣支架逆向設(shè)計(jì)與研究

劉先梅

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)電工程學(xué)院， 安徽 六安 237158)

目前Geomagic Design X(簡(jiǎn)稱“DX”)是當(dāng)今進(jìn)行逆向數(shù)據(jù)建模主要軟件之一，由美國(guó) Raindrop公司研發(fā)，與美國(guó)的EDS公司的Imageware，韓國(guó) INUS 公司的RapidForm，英國(guó) DELCAM 公司的CopyCAD軟件并稱制造業(yè)“四大逆向工程軟件”。 Geomagic Design X的前身就是Geomagic studio軟件，該軟件與其他計(jì)算機(jī)輔助軟件相比更高效、高精度，尤其在曲面設(shè)計(jì)上可以精準(zhǔn)地自動(dòng)生成數(shù)字模型，在逆向設(shè)計(jì)制造中起到“承上啟下”的重要作用。

所謂逆向設(shè)計(jì)，就是把對(duì)象零部件以點(diǎn)的形式掃描出來(lái)，再把所有點(diǎn)的集合即“點(diǎn)云”在逆向軟件還原出實(shí)體模型，其基本設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 逆向設(shè)計(jì)流程

以油汀烘衣架為例，通過(guò)三維掃描設(shè)備采集其完整的表面數(shù)據(jù)，使用DX軟件實(shí)現(xiàn)模型重建并進(jìn)行重合精度分析，為零件的再造提供可靠的數(shù)字模型。

1 油汀烘衣支架結(jié)構(gòu)分析

家用油汀取暖裝置如圖2所示，該油汀結(jié)構(gòu)比較小，共有九個(gè)取暖片，烘衣架上兩端各有一個(gè)支架，中間通過(guò)連桿連接，卡扣在取暖片上。

該支架多為薄壁殼體類零件，容易損壞，如圖3所示前端支架已經(jīng)斷裂，但目前市場(chǎng)上也很難買到相同的配件，為了不失油汀烘衣功能，可掃描其中完好的支架，將獲得數(shù)字模型通過(guò)利用DX軟件完成數(shù)模重構(gòu)，最后可直接快速原型。

圖2 油汀取暖裝置

圖3 殘缺的油汀烘衣支架

2 支架點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集一般是指通過(guò)照相式三維掃描儀或三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)獲取被測(cè)物體表面離散的點(diǎn)(XYZ坐標(biāo))的幾何數(shù)據(jù)過(guò)程[1]。采用Geomagic Wrap 2015點(diǎn)云處理軟件自帶的掃描采集系統(tǒng)，結(jié)合單目三維掃描儀獲取三維數(shù)據(jù)[2]。先對(duì)掃描儀的進(jìn)行對(duì)焦，也即標(biāo)定操作，考慮感光效果，要進(jìn)行顯影操作，在被測(cè)對(duì)象的外表面上噴灑顯影劑[3]，綜合分析被測(cè)支架對(duì)象結(jié)構(gòu)特征完成貼點(diǎn)操作，如圖4所示；新建一個(gè)工程文件，掃描操作時(shí)要轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤以獲取支架不同角度的正面掃描數(shù)據(jù)，當(dāng)支架正面數(shù)據(jù)采集完成后將轉(zhuǎn)盤翻轉(zhuǎn)至背面，同時(shí)翻轉(zhuǎn)支架將其背面朝上開始掃描支架的反面數(shù)據(jù)；采集完支架的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，再把這些多次掃描的數(shù)據(jù)通過(guò)“聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象”工具合并為一個(gè).asc格式的“點(diǎn)對(duì)象”，如圖5所示；最后經(jīng)去除非連接項(xiàng)、孤點(diǎn)和降噪等方法處理支架的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并封裝為.stl格式的面片對(duì)象，如圖6所示。

圖4 支架貼點(diǎn)

圖5 支架原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖6 支架面片數(shù)據(jù)

3 支架點(diǎn)云分析與模型重構(gòu)

3.1 支架點(diǎn)云分析

一般將處理后的完整數(shù)模以封裝面片形式導(dǎo)入DX軟件完成實(shí)體模型重構(gòu)或?qū)С鲞M(jìn)行3D打印，但大部分對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都不能直接打印，除非是非常規(guī)則、完整的面片數(shù)據(jù)，否則點(diǎn)云數(shù)據(jù)因采集環(huán)境、設(shè)備精度和采集方法等因素影響而失真。如圖6所示處理后的支架內(nèi)槽點(diǎn)云數(shù)據(jù)與圖7所示實(shí)物原型存在較大的誤差，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中內(nèi)槽底面輪廓不夠平整、清晰，為了保證油汀烘衣支架內(nèi)側(cè)卡槽與暖片之間的連接穩(wěn)定性及卡槽寬度精度，支架的數(shù)字模型必須經(jīng)過(guò)模型重構(gòu)來(lái)獲得，不能由封裝面片組成。

圖7 支架原型

3.2 支架模型重構(gòu)

3.2.1 曲面劃分

由于點(diǎn)云一次性生成符合要求的曲面，不僅生成起來(lái)有一定困難，而且即便生成了也不能保證其光順性，必須分別構(gòu)造曲面，再通過(guò)橋接、過(guò)渡、裁剪等細(xì)節(jié)特征處理而最終生成全部曲面。劃分曲面片的質(zhì)量直接決定最終面質(zhì)量的高低以及曲面設(shè)計(jì)的效率，優(yōu)化曲面片劃分的方法如下[4]：

(1)處于曲率變化較小或均勻位置，面片可以劃分得少一些。盡管有的曲面較大，只要其曲率變化均勻，可將其視為同一個(gè)曲面。

(2)處于曲率變化較大或不均勻的地方，如圓弧與直線過(guò)渡連接處，應(yīng)將曲面分解為幾個(gè)曲面片，然后再進(jìn)行拼接，否則易形成皺紋面。

(3)劃分的曲面片控制點(diǎn)越少越好，但前提是要保證控制點(diǎn)能夠控制曲面的形狀。

(4)盡量劃分成四邊形曲面，減少三角形退化曲面。

(5)保證劃分后的曲面片全部為單凸或單凹。

綜述所示，結(jié)合DX常用領(lǐng)域塊劃分方法，劃分曲面領(lǐng)域塊，可以采用自動(dòng)分割的方式，但效果不是很理想，有時(shí)會(huì)把一個(gè)平面上的點(diǎn)云劃分成多個(gè)領(lǐng)域，大都根據(jù)逆向建模過(guò)程采用手動(dòng)劃分。支架模型的數(shù)據(jù)分割結(jié)果如圖8所示的支架領(lǐng)域分布。

3.2.2 支架模型重構(gòu)

支架三角面片模型導(dǎo)入DX后，由于掃描坐標(biāo)系與建模坐標(biāo)系不統(tǒng)一，為方便后續(xù)的特征建模，首先創(chuàng)建基準(zhǔn)特征，以便對(duì)齊坐標(biāo)系，可以采用3-2-1對(duì)齊方式，如圖9所示。經(jīng)分析模型結(jié)構(gòu)，該支架無(wú)復(fù)雜曲面，在滿足精度的前提下，盡量使用基礎(chǔ)造型工具。可以先繪制面片草圖，結(jié)合應(yīng)用實(shí)體拉伸合并、切割工具創(chuàng)建支架主體結(jié)構(gòu)及完整CAD模型結(jié)構(gòu)(.STP格式)，如圖10和圖11所示，尤其側(cè)面四個(gè)托板和肋板等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，可分別獨(dú)立創(chuàng)建后布爾求和，再線性陣列，這樣能大大提高逆向建模效率。

圖8 領(lǐng)域劃分

圖9 對(duì)齊坐標(biāo)系

圖10 支架主體

圖11 支架CAD模型

4 支架重構(gòu)模型精度檢測(cè)

數(shù)模重構(gòu)主要考慮重構(gòu)精度的問題，即重構(gòu)的數(shù)字模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)或面片數(shù)據(jù)的體偏差[5]，用途不同的重構(gòu)數(shù)模其重構(gòu)精度的要求也不同，誤差大小決定了再生模型的構(gòu)造質(zhì)量。油汀烘衣支架主要是起穩(wěn)定支撐作用，只要在體偏差云圖上顯示的模型顏色處于淺黃色和淺藍(lán)色之間色系均為合格。

將三維掃描所得的STL格式面片數(shù)據(jù)模型與前面重構(gòu)地實(shí)體模型做對(duì)比分析驗(yàn)證模型重合精度。依次把支架的STL數(shù)據(jù)與STP實(shí)體模型導(dǎo)入Geomagic control 2015，將STL數(shù)據(jù)設(shè)置為“TEST”對(duì)象，STP實(shí)體模型為“REF”對(duì)象；通過(guò)對(duì)齊選項(xiàng)中“最佳擬合對(duì)齊”方式，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行全局對(duì)齊；還應(yīng)該對(duì)支架CAD模型的復(fù)雜形面做出“注釋”，分析支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其中坐標(biāo)A004、A005、A006為支架的主要應(yīng)力集中區(qū)，此處為重合精度檢測(cè)的重要部位,需分別進(jìn)行注釋操作，分析結(jié)果如圖12和表1所示；最后可在“報(bào)告”模塊下，創(chuàng)建PDF格式的模型對(duì)比檢測(cè)報(bào)告。

綜合分析檢測(cè)報(bào)告中的重合精度偏差云圖和具體誤差數(shù)值，支架的逆向設(shè)計(jì)誤差在允許范圍內(nèi)，符合支架逆向設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

圖12 支架的重合精度云

表1 支架的重合誤差數(shù)值表