基于Geomagic studio和DesignX 的端蓋逆向設(shè)計

趙明炯 許鵬宇 江萍

摘要：隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械零件結(jié)構(gòu)逐漸變得復(fù)雜，不便測量，本文以簡單的端蓋零件為研究對象，運(yùn)用三維掃描儀獲取零件點云數(shù)據(jù)，然后利用Geomagic studio軟件對點云進(jìn)行處理并封裝三角面片，再運(yùn)用Design X對三角面片進(jìn)行逆向設(shè)計，并與原始點云比對分析，獲取端蓋零件三維模型，詳細(xì)介紹了零件逆向設(shè)計過程，利用這種方法較好地縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：端蓋;數(shù)據(jù)采集;點云處理;逆向設(shè)計;Design X

中圖分類號：TH16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0028-02

0? 引言

逆向設(shè)計是將實物或手工模型轉(zhuǎn)化為3D模型的過程，已經(jīng)在現(xiàn)代加工企業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計中廣泛應(yīng)用，尤其對于汽車覆蓋件、摩托車油箱蓋等復(fù)雜曲面零件的設(shè)計很有用，因為其產(chǎn)品形狀和尺寸是無法描述的[1]。本文以端蓋為研究對象，利用Geomagic studio軟件對三維掃描儀采集大量的坐標(biāo)點，進(jìn)行點云處理，再利用DesignX軟件逆向設(shè)計CAD模型，利用這種方法較好地縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

1? 基于Geomagic studio的數(shù)據(jù)處理

1.1 點云數(shù)據(jù)獲取

①分析端蓋的形狀和結(jié)構(gòu)特點，標(biāo)志點盡量粘貼在平面區(qū)域或者曲率較小的曲面上，且距離工件的邊界。

②標(biāo)志點不要粘貼在一條直線上，且不要粘貼對稱。公共標(biāo)志點至少為4個，但因掃描角度等原因，一般建議5-7個為宜;標(biāo)志點應(yīng)使相機(jī)在盡可能多的角度可以同時識別到。本零件貼標(biāo)志點的思路為：掃描正面的標(biāo)志點和轉(zhuǎn)盤的標(biāo)志點，掃描出正面的標(biāo)志點（至少4個），再通過轉(zhuǎn)盤的標(biāo)志點帶出底面的公共標(biāo)志點。

③進(jìn)行掃描，獲取完整的端蓋點云數(shù)據(jù)。利用工業(yè)橡皮泥將零件豎立固定，調(diào)整零件的傾斜角度，在掃描儀相機(jī)預(yù)覽窗口中觀察，正面與轉(zhuǎn)盤面的標(biāo)志點同時被相機(jī)排到即可，掃描正面并同時獲取轉(zhuǎn)盤面的標(biāo)志點。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)180°，利用轉(zhuǎn)盤面的標(biāo)志點作參考掃描出底面，在掃描儀相機(jī)預(yù)覽窗口中觀察，底面與轉(zhuǎn)盤面的標(biāo)志點同時被相機(jī)排到即可，掃描底面。這步操作主要目的是利用轉(zhuǎn)盤面的標(biāo)志點，掃描出零件正面和底面的標(biāo)志的，然后可以利用這些標(biāo)志的，分別完成零件正面和底面的特征掃描，并刪除轉(zhuǎn)盤上的標(biāo)志點。為了便于后續(xù)點云數(shù)據(jù)的處理，可用工業(yè)橡皮泥墊起零件進(jìn)行掃描。接著對處理好的端蓋零件每次旋轉(zhuǎn)90°掃描，完成正面與側(cè)面的掃描;零件翻面，刪除轉(zhuǎn)盤上的標(biāo)志點，依舊每次旋轉(zhuǎn)90°，完成底面與側(cè)面掃描，最后對點云數(shù)據(jù)拼接，獲取零件的點云數(shù)據(jù)。

1.2 點云數(shù)據(jù)處理

①為了更加清晰、方便的觀察點云的形狀，將點云進(jìn)行著色。 選擇菜單欄【點】【著色點】。

②刪除零件外的點。為了方便觀察點云數(shù)據(jù)，可設(shè)置旋轉(zhuǎn)中心并配合放大、縮小或旋轉(zhuǎn)功能進(jìn)行操作。在操作區(qū)域點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“設(shè)置旋轉(zhuǎn)中心”，在點云適合位置點擊。

選擇工具欄中【套索選擇工具】，勾畫出端蓋的外輪廓，點云數(shù)據(jù)呈現(xiàn)紅色，點擊鼠標(biāo)右鍵選擇“反轉(zhuǎn)選區(qū)”，選擇菜單【點】【刪除】或按下Delete鍵。

③體外孤點處理。選擇菜單欄【點】【選擇】【非連接項】按鈕，在管理器面板中彈出 “選擇非連接項”對話框。在“分隔”的下拉列表中選擇“低”分隔方式，這樣系統(tǒng)會選擇在拐角處離主點云很近但不屬于它們一部分的點。“尺寸”按默認(rèn)值5.0，點擊上方的 “確定”按鈕。點云中的非連接項被選中，并呈現(xiàn)紅色。選擇菜單【點】【刪除】或按下Delete鍵。

選擇菜單【點】【選擇】【體外孤點】，在管理面板中彈出 “選擇體外孤點”對話框，設(shè)置“敏感度”的值為默認(rèn)值，也可以通過單擊右側(cè)的兩個三角號增加或減少“敏感度”的值，單擊應(yīng)用按鈕。此時體外孤點被選中，呈現(xiàn)紅色。選擇菜單【點】【刪除】或按Delete鍵來刪除選中的點。（此命令操作2—3次為宜。）

④減少噪音。選擇菜單【點】【減少噪音】，在管理器模塊中彈出 “減少噪音”對話框。選擇“自由曲面形狀”，“平滑度水平”滑標(biāo)到2。“迭代”為5，“偏差限制”為0.05mm。

⑤封裝。執(zhí)行“封裝”命令，將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為面片形式，封裝如圖1所示。

1.3 面片處理

封裝后的模型面片，是不夠光順，需要對面片模型進(jìn)行修補(bǔ)處理，利用“網(wǎng)絡(luò)醫(yī)生”工具對封裝生成不規(guī)則的三角面片進(jìn)行修補(bǔ)，再用“補(bǔ)洞”工具將三角面片的缺口、孔洞進(jìn)行補(bǔ)齊，然后運(yùn)用“刪除釘狀物”、 “快速光順”、“去除特征”和“砂紙”等工具對三角面片處理，使其完整，最后另存為“端蓋”，文件類型選擇“*.stl”。

2? 基于Geomagic Design X逆向設(shè)計

2.1 逆向建模

2.1.1 導(dǎo)入模型

在菜單欄中執(zhí)行“插入”、“導(dǎo)入”命令，選擇文件“端蓋.stl”進(jìn)行導(dǎo)入模型。

2.1.2 模型擺正

①創(chuàng)建參考平面和參考線。運(yùn)行“領(lǐng)域組”命令，更改選擇模式為“延伸至近似部分”，然后在模型底平面選3～4個區(qū)域，單擊“插入新領(lǐng)域”命令，此時就生成了領(lǐng)域1，同樣的操作，選擇圓柱的3～4個區(qū)域，單擊“插入新領(lǐng)域”命令，生成領(lǐng)域2，在創(chuàng)建領(lǐng)域結(jié)束后需更換選擇模式為 “矩形選擇”，便于后續(xù)操作。

執(zhí)行“參考平面”命令，彈出“追加參考平面”對話框，方法選擇“提取”，在模型中選擇上一步驟中的領(lǐng)域1，單擊“預(yù)覽”，繪圖區(qū)將預(yù)顯平面1，單擊“√”，生成參考平面1。然后執(zhí)行“參考線”命令，彈出“追加參照線”對話框，方法選擇“檢索圓柱軸”，在模型中選擇領(lǐng)域2，單擊“預(yù)覽”，繪圖區(qū)將預(yù)顯參考線1，單擊“√”。

選擇“面片草圖”命令，彈出“面片草圖的設(shè)置”對話框，基準(zhǔn)平面選擇“平面1”，在圖上拖動改變輪廓投影范圍的箭頭，找到合適的草圖平面，單擊“√”。進(jìn)入繪制草圖狀態(tài)，隱藏面片后選擇“圓”和“直線”命令，畫出草圖，單擊“√”，打開顯示面片。

②模型坐標(biāo)對齊。由于模型文件自身的坐標(biāo)系與當(dāng)前軟件的坐標(biāo)系不一致，兩者坐標(biāo)不重合，利用系統(tǒng)坐標(biāo)平面切割模型所得到的截面輪廓，是不正確的，是無法創(chuàng)建正確的草圖，因此需要對模型進(jìn)行坐標(biāo)對齊操作，選擇“手動對齊”命令，彈出“手動對齊”對話框，移動實體為“端蓋”，單擊下一階段，對齊方式選擇“3-2-1”對齊，“位置”選擇“平面1”和“線l”兩項，“Z軸”選擇線l，“點”選擇草圖1中線的端點，單擊右下角的“√”，完成模型對齊操作后，輸出一個對正的“端蓋對正.stl”文件。

2.1.3 零件建模

①零件主體建模。選擇“面片草圖”命令，彈出“面片草圖的設(shè)置”對話框，選擇基準(zhǔn)平面是“右”，隱藏面片則可以看到顯示的斷面輪廓，選擇“自動草圖”命令，框選斷面輪廓，畫出草圖，對不符合零件的地方做出修改，然后使用“直線”命令，做出旋轉(zhuǎn)軸，單擊右下角的“√”，完成草圖1。選擇“回轉(zhuǎn)”命令，輪廓選擇“草圖環(huán)路1”，軸選擇“曲線1”，單擊“√”，完成零件主體建模。

②孔的逆向建模。選擇“面片草圖”命令，彈出“面片草圖的設(shè)置”對話框，選擇基準(zhǔn)平面為“平面1”，調(diào)整切割平面，顯示合適建模的斷面輪廓.選擇“自動草圖”命令，框選斷面孔的輪廓，畫出草圖，用游標(biāo)卡尺測量孔徑的尺寸，對不符合零件的地方做出修改，單擊“√”，完成草圖2。選擇“拉伸”命令，輪廓選擇草圖2，運(yùn)算結(jié)果為“切割”，單擊“√”。

③生成槽。選擇“面片草圖”命令，彈出“面片草圖的設(shè)置”對話框，選擇基準(zhǔn)平面為“平面2”，顯示斷面輪廓，畫出草圖。對不符合零件的地方做出修改，單擊“√”，完成草圖3。選擇“拉伸”命令，輪廓選擇草圖3，運(yùn)算結(jié)果為“切割”，設(shè)置完成后，單擊“√”。注意零件的關(guān)鍵尺寸，需要用游標(biāo)卡尺測量獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

④修整模型。選擇“圓角”命令，彈出“圓角”對話框。在已生成的實體上選擇要倒圓角的邊，選擇由面片估算半徑，將計算的半徑值調(diào)整為整數(shù)，單擊“√”。選擇“倒角”命令，對零件銳邊倒角，完成零件的逆向設(shè)計。

2.2 模型對比

顯示面片，顯示實體，打開“Accuracy Analyzer”對話框，選中“體偏差”單選按鈕，觀察與原模型對比的誤差。如果有大面積嚴(yán)重偏差，則需要修改模型，也可以在逆向設(shè)計過程中不斷與面片對比，邊建模邊修改。對比模型數(shù)據(jù)分析結(jié)果，本零件逆向設(shè)計尺寸符合要求，結(jié)果如圖2所示。

3? 結(jié)論

隨著科技的發(fā)展，新技術(shù)越來越多應(yīng)用到了逆向工程。本文以端蓋零件為例進(jìn)行逆向建模，詳細(xì)介紹了掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)，Geomagic studio對點云處理，然后封裝獲取模型的三角面片，再運(yùn)用Design X 對三角面片進(jìn)行逆向建模，并進(jìn)行公差分析，符合逆向設(shè)計要求。為工業(yè)件的逆向設(shè)計提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜通通，李居峰，潘碧琰.逆向工程基于Geomagic Studio和UG的應(yīng)用[J].計量與測試技術(shù)，2018，45（3）：33-36.

[2]李志彥.基于Geomagic Studio的點云數(shù)據(jù)處理與三維建模技術(shù)[J].信息技術(shù)，2019，21：13-14.

[3]靳峰峰，屈科科，唐光胤，馬驪隆.基于Geomagic wrap和 DesignX 減速器箱體逆向設(shè)計[J].2020，6：21-22.