基于逆向工程技術(shù)三維實體建模與加工的研究

許志洋，丁丹，趙美云

基于逆向工程技術(shù)三維實體建模與加工的研究

許志洋1，丁丹2，趙美云1

（1.銅陵職業(yè)技術(shù)學院，安徽 銅陵 244000；2.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局321地質(zhì)隊，安徽 銅陵 244000）

：逆向工程技術(shù)因其能重構(gòu)實物特征方面的優(yōu)勢而廣泛的應(yīng)用于機械制造、醫(yī)療器械等行業(yè)，但是對三維逆向建模沒有形成統(tǒng)一有效的建模方法，特別是曲面較多的零件建模精度不理想，偏差大，在機械制造過程中難以保證其質(zhì)量。為此提出了一種貼片建模的方法，經(jīng)過精度比對效果較好；同時對于難以裝夾零件的加工也是機械制造中棘手的問題，本文提出一種落料加工法，經(jīng)過驗證能滿足加工要求，因此，研究逆向建模是十分有意義的，為從事逆向工程技術(shù)人員提供參考。

三維掃描；逆向建模；DesignX；UG

逆向工程作為一種能迅速提升產(chǎn)品質(zhì)量的手段越來越多的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中來。本文以逆向設(shè)計及加工中遇到的實際問題為研究對象，提出了一種采用貼片技術(shù)建模的方法，經(jīng)過驗證效果比較理想，同時對采用三坐標機床加工曲面零件時出現(xiàn)的難裝夾問題進行了研究，提出了采用落料加工的方法，經(jīng)驗證方法可行[1]。

1 設(shè)備搭建和標定

按照接口協(xié)議安裝好三維掃描儀并調(diào)整到合適高度，如圖1所示。打開三維掃描儀，開啟wrap軟件，根據(jù)十字光標投影到標定板上的重合情況來調(diào)整掃描儀的高度和仰角，調(diào)整后掃描鏡頭距離標定板高度范圍在600 mm左右。然后，按照標定流程對三維掃描儀進行精度標定。如圖2所示，精度等級達到0.019。

圖1 掃描儀安裝

圖2 掃描儀精度標定

2 三維數(shù)據(jù)采集

三維數(shù)據(jù)采集是逆向工程實體建模的關(guān)鍵。為獲取完整的點云數(shù)據(jù)，可采用自動拼接和手動拼接兩種

方法；基于點云自動拼接的數(shù)據(jù)采集是通過測站間重疊區(qū)域的多個標志點坐標變換參數(shù)旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣將各測站點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個全局坐標系下完成點云拼接的方法，自動拼接法主要應(yīng)用于形狀規(guī)則的實體掃描，如圖3所示正方體，先在一個側(cè)面貼上至少4個圓形標志點，要求不共線，操作過程中借助轉(zhuǎn)盤進行0～360°范圍掃描，以便獲得上5個面的點云，然后上下反轉(zhuǎn)180°，進行下底面數(shù)據(jù)采集并實現(xiàn)自動拼接，掃描時先抓住側(cè)面4個標志點，這是實現(xiàn)自動拼接的關(guān)鍵，系統(tǒng)自動進行全局坐標系變換，否則就會拼接失敗。手動拼接法是通過不同掃描視圖上公共特征點進行坐標定位，把點云數(shù)據(jù)通過平移和旋轉(zhuǎn)后進行拼合，從而方便快速地實現(xiàn)了2個不存在明確關(guān)系的點云視圖之間的準確定位。主要應(yīng)用于形狀不規(guī)則側(cè)面難以貼標志點的情況；通常是對零件上下曲面分別掃描，然后根據(jù)上下曲面公共點進行手動拼接，全局注冊、合并點云為完整的點云。如本例金魚的數(shù)據(jù)點采集方法，先借助旋轉(zhuǎn)臺采集上表點云面數(shù)據(jù)如圖4所示，再采集下表面點云數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖3 正方體貼點

圖4 金魚上面掃描點云

圖5 金魚底面掃描點云

3 點云處理

對點云數(shù)據(jù)的處理是逆向建模的核心，而點云數(shù)據(jù)是通過實物表面數(shù)字化獲得的一系列的三維空間坐標點的集合，對點云處理的干凈與否，直接關(guān)系到后期模型重構(gòu)的質(zhì)量。

對點云處理的包括刪除雜點和點云拼接。刪除雜點主要是使用軟件的套索功能手動去除。為了獲得完整點云，需要對上下點云進行拼接，拼接方法主要有兩種：一手動拼接法，二是由劉飛等提出的基于遺傳算法的點云數(shù)據(jù)拼合。手動拼接法主要是利用公共特征點重合的原理，選擇固定窗口金魚上表面的1, 2, 3三點，如圖6所示；對應(yīng)下表面浮動窗口1’，2’，3’三點，如圖7所示，對應(yīng)點重合并全局注冊，如圖8所示。遺傳算法[2-5]的求解過程如下：

圖6 金魚上表面雜點清除

圖7 金魚底面雜點清除

圖8 金魚正反面點云拼接

（4）再令

4 點云的面片封裝

點云處理好之后，要對其實施封裝、漏洞填補、表面光順處理等操作，如圖9所示，封裝表面處理的好壞直接影響到逆向?qū)嶓w建模精度。目前采用NURBS曲面建模的效果最好[6]，表面光順，誤差小。采用樣條曲線的擬合算法，階次取3次，其算法如下：

曲面方程：

封裝后的NURBS曲面效果如圖9所示。

5 實體建模

逆向工程最終是要建立三維實體，復(fù)原原有參數(shù)信息。先將封裝后的三角面片導(dǎo)入到Design X中找正對齊，建立坐標系，如圖10所示。

領(lǐng)域劃分，通常的做法根據(jù)曲率半徑的不同采用自動分割的方法，但是考慮到金魚軀干部分鱗片較多，曲率半徑各不相同，自動分割法領(lǐng)域多而雜，很難進行逆向建模，本文采取人為劃分區(qū)域的方法，根據(jù)金魚的特點劃分成多塊區(qū)域，如圖11所示。

三維實體建，先選擇一塊領(lǐng)域，采用區(qū)域放樣命令擬合曲面，其他區(qū)域采用同樣方法，將魚的表面貼成面片，如圖12所示；然后將面片尺寸放大,面片之間采用空間樣條曲線修剪，然后曲面連接，最后縫合成實體如圖13所示。

圖9 金魚點云封裝三角面片

圖10 逆向軟件中金魚位置找正

圖11 金魚的領(lǐng)域分割

圖12 金魚表面貼片

6 實體加工

采用三坐標數(shù)控銑床對于曲面三維實體進行加工，其難點是反面加工時如何對零件進行裝夾，通常采用的方法是增設(shè)工藝凸臺，如圖14所示。這種方法能解決三坐標數(shù)控銑床進行零件反面加工時零件裝夾的難題，但是加工后的凸臺會留在零件表面破壞了曲面的形狀，即使后期采用鉗工去除凸臺修磨曲面也不能很好的反映真實的設(shè)計情況。為解決這個問題本文提出了一種新的加工方法即落料法：使用虎口鉗裝夾零件毛坯，進行正面加工，反面加工時同樣采用虎口鉗裝夾，重點是限制加工區(qū)域，只選擇所加工的曲面，加工范圍限定在毛坯尺寸范圍內(nèi)，關(guān)鍵是加工深度設(shè)置少與最大分型面1mm用于與周圍毛坯連接，如圖15所示，粗加工之后進行再精加工，最后用直徑較小的立銑刀沿輪廓周邊切下零件，這種方法能很好的解決反面曲面加工的問題，在實際加工中取得較好的效果。

（1）粗加工，主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，進給速度1500mm/min，如圖16所示，底面和側(cè)面余量1mm，內(nèi)外公差0.08mm，如圖17所示，圖18為粗加工仿真結(jié)果。

（2）半精加工，主軸轉(zhuǎn)速4000r/min，進給速度1500 mm/min，如圖19所示，底面和側(cè)面余量為0.3 mm，內(nèi)外公差為0.03 mm，如圖20所示，圖21為半精加工仿真結(jié)果。

圖13 金魚三維實體模型

圖14 工藝凸臺設(shè)計

圖15 反面加工方法

圖16 金魚粗加工切削參數(shù)

圖17 金魚粗加工余量

圖18 金魚粗加工仿真效果

圖19 金魚半精加工切削參數(shù)

圖20 金魚半精加工加工余量

（3）精加工，主軸轉(zhuǎn)速5000r/min，進給速度為650mm/min，如圖22所示，加工余量為0mm，內(nèi)外公差為0.03mm，如圖23所示，圖24為精加工仿真結(jié)果。

圖21 金魚半精加工效果

圖22 金魚精加工切削參數(shù)

圖23 金魚精加工加工余量

圖24 金魚精加工效果

（4）反面加工采用落料加工的方法，如圖25所示。

圖25 金魚落料加工軌跡

7 結(jié)束語

（1）采用領(lǐng)域手動分割、面片擬合、實體縫合進行逆向三維建模的方法，能有效解決曲面形狀較為復(fù)雜零件建模的問題，對獲取曲面特征有重要意義。

（2）采用落料加工實體的方法，能夠很好的解決三坐標機床加工曲面零件的裝夾問題，對實際生產(chǎn)有指導(dǎo)作用。

[1] 張欣宇. 基于逆向工程的汽車外形設(shè)計方法的應(yīng)用研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2008

[2] 李緒武，劉飛. 基于三維掃描工程建模胡面部整形點云數(shù)據(jù)處理方法研究[D]. 重慶：重慶大學

[3] Yu C Y, Lin C H, Yang Y H. Human body surface area database and estimation formula[J]. Burns, 2010, 36(5): 616-629

[4] 何正斌，田永瑞. 機載三維激光掃描點云非地面剔除算法[J]. 大地測量與地球動力學，2009, 29(4): 97-101

[5] 蔡敏，成思源，楊雪瑞，等. 基于Geomagic Studio特征建模技術(shù)研究[J]. 機床與液壓，2014, 42(21): 142-145

[6] 王傳濤，楊建璽，張洛平，等. 逆向工程中NURBS曲面重構(gòu)技術(shù)[J]. 河南科技大學學報，2009, 30(2): 19-22

Research on three-dimensional solid modeling and machining based on reverse engineering technology

XU Zhi-yang1，DING Dan2，ZHAO Mei-yun1

(1.Tongling Polytechnic, Anhui Tongling 244000, China；2.No.321 Geological Team, Bureau of Geological and Mineral Exploration of Anhui Province, Anhui Tongling 244000, China)

Reverse engineering technology is widely used in machinery manufacturing, medical equipment and other industries because of its advantages in reconstructing physical characteristics. However, there is no unified and effective modeling method for reverse three-dimensional reverse modeling, especially for parts with more curved surfaces, the modeling accuracy is not ideal and the deviation is large, so it is difficult to guarantee the quality in the process of mechanical manufacturing. In this paper, a method of patch modeling is proposed, which has a better effect after precision comparison. At the same time, the machining of parts that are difficult to clamp is also a thorny problem in mechanical manufacturing. This paper proposes a blanking processing method, which can meet the processing requirements after verification. Therefore, it is very meaningful to study the reverse modeling, which provides a reference for reverse engineering technicians.

3D scanning；reverse modeling；DesignX；UG

2020-09-17

安徽省質(zhì)量工程項目（2018mooc215）；安徽省質(zhì)量工程項目（2018mooc548）；院級質(zhì)量工程（tlpt2018TG009）

許志洋（1979-），男，安徽阜陽人，副教授，主要從事逆向設(shè)計與數(shù)控加工技術(shù)方面的研究，908818128@qq.com。

TH16;TH164

A

1007-984X(2021)01-0006-05