回轉(zhuǎn)輪的逆向重構(gòu)

袁梅

【摘 要】以回轉(zhuǎn)輪為例對零件反求，闡述逆向建模的流程。使用RMS400掃描儀對回轉(zhuǎn)輪零件進行三維數(shù)據(jù)采集，運用Geomagic Wrap軟件對回轉(zhuǎn)輪點云數(shù)據(jù)處理、Geomagic Design X軟件對回轉(zhuǎn)輪進行重構(gòu)，最終獲得回轉(zhuǎn)輪三維模型，該方法可獲得高質(zhì)量的三維模型，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無規(guī)律的模型測繪制造提供了借鑒，而且大大縮短產(chǎn)品研制周期。

【關(guān)鍵詞】回轉(zhuǎn)輪；逆向；重構(gòu)

【中圖分類號】TP391.7【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2018）24-0014-02

引言

逆向工程也稱反求工程，是將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計模型和概念模型，在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進行深化和再創(chuàng)造的過程。是數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。

一些型面特別復(fù)雜的零件難以用測繪的方法表示其結(jié)構(gòu)和尺寸時，可以用逆向工程技術(shù)對零件進行復(fù)制[1]。本文以回轉(zhuǎn)輪為研究對象，通過逆向建模的三個過程：數(shù)據(jù)采集、處理、重構(gòu)。探討了快速還原實物模型的方法，為后續(xù)創(chuàng)新及生產(chǎn)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

一、逆向建模

回轉(zhuǎn)輪模型如圖1所示，整個模型是對稱件，從結(jié)構(gòu)上看，里、外是帶孔的圓柱，外圓柱表面有一回轉(zhuǎn)槽，中間四個均布的爪將內(nèi)外圓柱連接，連接爪外輪廓是自由復(fù)雜的曲面，在只有實物的前提下其模型創(chuàng)建十分困難，因此采用逆向工程技術(shù)。

1.回轉(zhuǎn)輪數(shù)據(jù)采集。

實物的數(shù)字化是通過特定的測量設(shè)備和測量方法來獲取零件表面離散點的幾何坐標數(shù)據(jù)的[2]。回轉(zhuǎn)輪的數(shù)據(jù)采集通過RMS400掃描儀設(shè)備測量獲取。

1.1 RMS400三維掃描儀簡介。

RMS400掃描儀采用國際最先進的外差式多頻相移三維光學(xué)測量技術(shù)，測量精度從0.008mm到0.05mm，具有多次掃描自動拼接功能，抗干擾能力強，測量掃描速度單幅（最大3m幅面）達到為3-6秒。適用于不規(guī)則、復(fù)雜曲面產(chǎn)品零件的移動便攜式三維測量。

1.2 回轉(zhuǎn)輪模型的掃描。

回轉(zhuǎn)輪幾何形狀數(shù)據(jù)的采集是逆向建模的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)的完整性與精度是點云性能的兩個重要指標[3]。

由于回轉(zhuǎn)輪實物是對稱件。數(shù)據(jù)掃描時只需掃描回轉(zhuǎn)輪上半部分的三維數(shù)據(jù)。重構(gòu)時通過在高度方向創(chuàng)建的對稱面鏡像，得到整個回轉(zhuǎn)輪三維實體。

RMS400掃描儀通過一個視角無法獲取回轉(zhuǎn)輪整個上半部分三維數(shù)據(jù)點。為了完整地掃描回轉(zhuǎn)輪上半部模型，保證回轉(zhuǎn)輪的精度和穩(wěn)定性，在采集過程中，將回轉(zhuǎn)輪平放到掃描工作轉(zhuǎn)臺上，從多個視角旋轉(zhuǎn)360度進行掃描。見圖2

1.2.1 回轉(zhuǎn)輪零件掃描前準備。

（1）由于回轉(zhuǎn)輪實物是塑料件，白色亞光，所以無需噴涂顯影劑。

（2）校準和配置掃描儀并選擇合適分辨率。

（3）粘貼標識點。回轉(zhuǎn)輪體積不大，掃描之前在回轉(zhuǎn)輪模型表面粘貼標識點見圖3。用于多視角自動拼接的坐標轉(zhuǎn)換的。為了測量準確，回轉(zhuǎn)輪模型表面的標識點必須粘貼牢固、無規(guī)則，距離適中，保證每個幅面內(nèi)至少有三個或三個以上的標識點才能自動拼接。

（4）掃描完成后，將各視角掃描的數(shù)據(jù)點云全部導(dǎo)出在指定盤符下。

2.回轉(zhuǎn)輪點云數(shù)據(jù)處理。

打開Geomagic Wrap軟件，將掃描的數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入見圖4。由于該零件精度要求不高±0.15，所以我們直接選擇“合并”→ “網(wǎng)格醫(yī)生”→“松弛（勾選固定邊界）”→“砂紙（勾選固定邊界）”命令，完成對回轉(zhuǎn)輪點云的處理。將處理好的回轉(zhuǎn)輪數(shù)據(jù)另存為.stl（binary二進制）格式見圖5。

3.回轉(zhuǎn)輪模型重構(gòu)。

3.1 回轉(zhuǎn)輪逆向建模思路。

（1）帶孔的大、小圓柱使用“面片草圖”命令，基準平面選擇高度方向的對稱面，繪制截面草圖，拉伸方法選擇“平面中心對稱”；由于高度尺寸不一樣，所以分別創(chuàng)建草圖及拉伸。

（2）四個連接爪圓周均布，只需使用“面片草圖”在高度的對稱面上繪制一個連接爪草圖，然后選擇“陣列”命令，將其余三個爪的草圖陣列出，最后對稱拉伸出高度。

（3）大圓柱面上的R槽，通過“面片草圖”得到截面草圖，草圖“回轉(zhuǎn)”與大圓柱實體進行布爾減運算。

3.2 回轉(zhuǎn)輪逆向建模。

主要步驟：

（1）劃分領(lǐng)域組。

利用領(lǐng)域組劃分的區(qū)域，以不同的顏色來判斷模型特征[4]，依據(jù)領(lǐng)域可以提取擺正、對齊、進一步建模所需要的點、線、面基準要素，還可以利用領(lǐng)域組進行曲面擬合。

回轉(zhuǎn)輪模型重構(gòu)沒有太多、太小的特征，所以領(lǐng)域劃分的敏感度選擇15。通過“插入新領(lǐng)域”、“合并”命令把同一領(lǐng)域合并見圖6。

（2）手動對齊。

將導(dǎo)入的片體擺正在軟件中，以提取特征。

①做輔助的基準（點、線、面）。在導(dǎo)入回轉(zhuǎn)輪片體上平面做一個輔助平面，在軸心線位置做輔助圓柱軸，軸心線與輔助平面做輔助交點見圖7。

②用輔助的點、線、面與軟件參照面對齊見圖8。

（3）回轉(zhuǎn)輪模型重構(gòu)。

①調(diào)整精度色譜。

重構(gòu)前先把精度色譜設(shè)定好，零件精度要求±0.15，所以上限選擇0.15，下限選擇-0.15，見圖9。

重構(gòu)的實體通過“精度分析”界面的偏差色譜反復(fù)檢查并修整至要求的精度顏色。圖9所示模型擬合精度在±0.15范圍內(nèi)，重構(gòu)模型顯示為綠色。

②創(chuàng)建輔助對稱面。

在高度方向中間位置創(chuàng)建輔助面，總高度使用游標卡尺測量為20mm。基準面平面選擇“前”，方法選擇“偏移”，偏移距離10創(chuàng)建中間平面，見圖10。

③拉伸實體。

根據(jù)回轉(zhuǎn)輪實物，其模型重構(gòu)基本采用拉伸命令，繪制完截面草圖，選擇“拉伸”命令，方法選擇“平面中心對稱”。

面片草圖繪制過程中需要尺寸約束，幾何約束。有時考慮零件的磨損，因此要進行尺寸圓整見圖11。

④最后實體的尖角處倒圓。

⑤精度檢測見圖12。

重構(gòu)的實體通過掃描原始數(shù)據(jù)與逆向重構(gòu)模型的吻合程度即偏差分析來查看擬合的精度。除掃描不完整部分、圓角過渡部分、標識點粘貼處大部分區(qū)域擬合偏差都在±0.15mm之間，滿足零件逆向的精度要求。

二、結(jié)論

回轉(zhuǎn)輪實物通過使用三維掃描儀和逆向工程軟件完整的復(fù)制實物，速度快，模型還原精度高。該方法可為相關(guān)產(chǎn)品的快速研發(fā)設(shè)計提供參考，尤其是復(fù)雜自由曲面的零件提供了新的手段和思路，在提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的同時，還縮短了產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的周期。

參考文獻

[1]孔艷艷. 基于Geomagic Design X的軸流式風(fēng)機葉片逆向建模[J].黑龍江工業(yè)學(xué)院學(xué)報7（17）：44-46，2017.

[2]金濤等. 逆向工程技術(shù)研究進展[J].中國機械工程 13（16）： 1431-1436，2002.

[3]孔艷艷，基于Geomagic Design X的軸流式風(fēng)機葉片逆向建模[J].黑龍江工業(yè)學(xué)院學(xué)報7（17）：44-46.

[4]吳鈞. 基于 Geomagic Design X 的整體葉輪逆向建模[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù) 42（6） ：48-49，2016.