蘇紅磊，馬 維

（寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電氣技術(shù)系，銀川，750002）

在工業(yè)高速發(fā)展的今天，產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅僅拘于以往從構(gòu)思到圖紙?jiān)俚街圃斓倪^(guò)程，而是通過(guò)3D 檢測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)CAD 模型的生成，通過(guò)對(duì)模型的重建，實(shí)現(xiàn)分析及制造，這就是通常所說(shuō)的逆向工程（RE）技術(shù)。在一系列設(shè)計(jì)周期中，模型的CAD 重建是最關(guān)鍵、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。因?yàn)槟壳笆袌?chǎng)上的工業(yè)產(chǎn)品造型往著自由曲面的方向發(fā)展，尤其是模具行業(yè)，為了降低后續(xù)數(shù)控加工及檢測(cè)的難度，逆向工程的融入極大的提升了模具制造的創(chuàng)新及優(yōu)化空間。而所有的工作開展都基于產(chǎn)品的CAD 模型，因此，三維CAD模型重建尤為重要，很多企業(yè)急需這方面的杰出人才 。本文以沖壓件為研究對(duì)象，探討沖壓件在快速成型制造中的模型重建，應(yīng)用Geomagic、Imageware 和UG 軟件依次進(jìn)行處理。

1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集，顧名思義，就是通過(guò)特定的設(shè)備和方法，將實(shí)物樣件的表面分解為點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集，用于后續(xù)逆向處理的過(guò)程。最直接的理解就是如果獲取紙質(zhì)圖形數(shù)字代碼，需要使用二維掃描儀，那么進(jìn)行逆向工程則是三維的。數(shù)據(jù)的獲取，即測(cè)量，通常分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式測(cè)量比如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，測(cè)量精度高，更廣泛的應(yīng)用與檢測(cè)環(huán)節(jié)，非接觸測(cè)量由于其測(cè)量的范圍更廣、更快捷，則更有效的應(yīng)用于逆向前期數(shù)據(jù)的獲取。

本文研究的沖壓件樣件，以普通碳鋼為主，具有一定的塑性，結(jié)構(gòu)雖然不復(fù)雜，但表面都為自由曲面，所以選用光學(xué)式非接觸式測(cè)量，掃描沖壓件樣件，準(zhǔn)確提取樣件表面數(shù)據(jù)點(diǎn)云。

掃描準(zhǔn)備工作：1）噴白漆。由于掃描采用光學(xué)投影設(shè)備，為了更好的提高掃描件反光性，在測(cè)量前對(duì)樣件進(jìn)行噴白漆，晾干處理。噴漆需要掌握一定技巧，過(guò)厚則將紋路覆蓋，過(guò)薄則不能涉及所有表面，影響測(cè)量結(jié)果，且白漆處流動(dòng)狀，因此要合理控制距離及角度。2）貼標(biāo)。掃描需要多個(gè)角度拍照，為了保證多次測(cè)量后的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確的拼接，需要對(duì)樣件表面粘貼黑色標(biāo)點(diǎn)，以便系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)點(diǎn)擬合周邊曲面，貼標(biāo)主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，注意觀察曲面曲率變化，大的相應(yīng)密度大些，反之小些。3）標(biāo)定。掃描設(shè)備為兩個(gè)鏡頭，放置樣件于標(biāo)定板上，上下左右調(diào)整鏡頭，即對(duì)焦的過(guò)程。同時(shí)觀察軟件標(biāo)定界面，調(diào)整十字光標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)光標(biāo)重合即可。準(zhǔn)備就緒進(jìn)行正式測(cè)量，多角度旋轉(zhuǎn)樣件拍照，再拼接、去雜點(diǎn)，修補(bǔ)，最后保存.stl，測(cè)量結(jié)果如圖1 所示，可見貼標(biāo)處均為空洞，且由測(cè)量軟件修補(bǔ)處，與周邊表面過(guò)渡不自然。同時(shí)將測(cè)量結(jié)果放大，如圖2，可清晰看出樣件表面不光滑、不完整，有許多雜點(diǎn)，需要進(jìn)行CAD 模型重建。

圖1 樣件掃描結(jié)果圖

圖2 掃描件表面圖

隨著逆向工程的縱深發(fā)展，專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件呈現(xiàn)百家爭(zhēng)鳴的情況，但實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中，設(shè)計(jì)師們通常依據(jù)產(chǎn)品及環(huán)境特性，選擇適合的逆向軟件，UG 軟件讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，存在數(shù)據(jù)龐大造成系統(tǒng)運(yùn)行速度慢、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方面功能弱等問(wèn)題。Imageware 軟件讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)快，大面擬合方便簡(jiǎn)單，但細(xì)小面質(zhì)量不如UG，同時(shí)對(duì)于貼標(biāo)處空洞的修補(bǔ)不如Geomagic Studio效果好。因此，樣件重建采用修補(bǔ)、作面、細(xì)化三步驟，分別應(yīng)用Geomagic Studio、Imageware 和UG 軟件進(jìn)行處理。

2 點(diǎn)云前期處理

把.stl 文件導(dǎo)入Geomagic Studio 中，整理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先將平面體外的雜點(diǎn)刪除，清理數(shù)據(jù)。同時(shí)減少噪音（掃描時(shí)，清晰可見白光下的粉塵、顆粒等），將測(cè)量時(shí)周圍環(huán)境及設(shè)備的影響進(jìn)一步去除，放大旋轉(zhuǎn)樣件，圈選需要去除的點(diǎn)，并刪除，封裝后即可進(jìn)行空洞修補(bǔ)。多角度旋轉(zhuǎn)樣件，將表面封裝，不光滑的面圈選刪除，邊緣處應(yīng)注意。填充有幾種方式，根據(jù)空洞形狀選擇合適的方法，注意不要有缺失。為了使平面體樣件表面更加平坦和光滑，可松弛多邊形調(diào)整,完畢如圖3。操作簡(jiǎn)單、便捷，效果好。

圖3 點(diǎn)云預(yù)處理結(jié)果

3 曲面重建

3.1 曲面分析

3.2 曲面構(gòu)建

圖4 點(diǎn)擬合

圖5 控制點(diǎn)調(diào)節(jié)

曲面構(gòu)建后可以進(jìn)行分析檢查，通過(guò)擬合誤差分析如圖6，檢查曲面與點(diǎn)云擬合情況，曲面構(gòu)建不能拘于原始平面體的外形，需要考慮面的光順、完整，在誤差較大的地方還需要再進(jìn)行控制點(diǎn)的調(diào)節(jié)，以便于后續(xù)處理的繼續(xù)。如果面調(diào)整不理想，可以采取分割的方法，把大面細(xì)化，分成一塊一塊小片，再作面拼接。

圖6 誤差分析

3.4 曲面細(xì)化

把Imageware 中做好的面另存為.igs 導(dǎo)入到UG 中，對(duì)脈絡(luò)處進(jìn)行拼接處理，選取面導(dǎo)角，如果不能進(jìn)行，出現(xiàn)如圖7 的錯(cuò)誤，則面調(diào)整有問(wèn)題，面與面之間不能按要求過(guò)渡，則需重新進(jìn)入Imageware 中調(diào)整，注意曲線的光順，再次導(dǎo)入，或者旋轉(zhuǎn)觀察曲面，注意兩個(gè)需要導(dǎo)角處的曲線，應(yīng)用UG 中X 成形，編輯控制點(diǎn)，將面調(diào)整好。逆向模型最終結(jié)果好與否取決于面的質(zhì)量，因此，在進(jìn)行點(diǎn)的調(diào)整時(shí)要格外細(xì)心。

對(duì)于不能應(yīng)用圓角處理的面，通常選用曲線網(wǎng)格，曲線組等方法。在使用UG 修整面時(shí)，要特別注意面的相切問(wèn)題，對(duì)于不規(guī)矩、有難度的縫隙，可以抽取曲線，剪裁片體，將不規(guī)矩處剪裁，再使用曲線網(wǎng)格。線決定了面，因此線要依據(jù)情況進(jìn)行光順處理，該橋接的地方要橋接。將所有的面補(bǔ)齊，加厚處理，就如圖8 完成了3D 逆向重建。

圖7 過(guò)渡錯(cuò)誤

圖8 最終結(jié)果

3 結(jié)論

隨著模具產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，逆向技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文從沖壓件實(shí)物出發(fā)，從數(shù)據(jù)采集到模型重建，涉及Geomagic Studio、Imageware 和UG 三個(gè)軟件，取三者優(yōu)勢(shì)，方便快捷進(jìn)行建模，縮短了從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的周期，為后續(xù)的CAE/CAM 奠定基礎(chǔ)。

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