翟志超，湯　耿，伍　權(quán)，田　野，徐衛(wèi)平

(1.貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州貴陽550001；2.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 貴州貴陽550025)

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基于Geomagic與UG的曲面模具重建與數(shù)控仿真

翟志超1，湯耿1，伍權(quán)1，田野2，徐衛(wèi)平1

(1.貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州貴陽550001；2.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 貴州貴陽550025)

摘要：介紹逆向工程的含義、特點(diǎn)及其工作流程。并以一模具的逆向造型過程為例，論述了基于Geomagic Studio的逆向工程技術(shù)。首先使用三維激光掃描儀器獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù);其次在Geomagic軟件中對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、曲面重建并通過格式轉(zhuǎn)換在三維軟件UG中形成實(shí)體，最后通過Master GAM進(jìn)行數(shù)控仿真，得到直接應(yīng)用于數(shù)控加工的數(shù)控代碼。研究表明，該方法能有效的提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的速度，降低研發(fā)成本，節(jié)約研發(fā)產(chǎn)品的周期。

關(guān)鍵詞:逆向工程UG模型重建數(shù)控仿真

0引言

逆向工程(Reverse Engineer，RE)又被稱之為反求工程。目前，大部分的逆向工程技術(shù)主要應(yīng)用在實(shí)物幾何形狀的重建上，即用一定的測量手段對實(shí)物模型進(jìn)行測量，通過測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維CAD模型的重建。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員以產(chǎn)品的需求為準(zhǔn)，應(yīng)用三維軟件設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的模型，然后根據(jù)模型生產(chǎn)出產(chǎn)品的圖紙，廠家根據(jù)圖紙加工出產(chǎn)品。而反求工程是從一個(gè)已經(jīng)存在的實(shí)物模型到三維CAD模型的過程，首先對實(shí)物模型進(jìn)行數(shù)字化測量，然后對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、曲面的重構(gòu)得到我們所要的模型,最終通過數(shù)控仿真軟件對模型進(jìn)行數(shù)控仿真得到所需NC代碼。這種方法充分利用了各個(gè)軟件的優(yōu)勢，解決了逆向軟件建模不足的缺點(diǎn)和三維CAD軟件點(diǎn)云處理的不足。

1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要有接觸式和非接觸式測量兩類。接觸式測量主要有觸發(fā)式和掃描式兩種方式，通過探針與實(shí)物接觸來采集實(shí)物表面的三維坐標(biāo)信息。但與非接觸式測量相比，測量的速度和效率較低，且側(cè)頭容易損壞，被測實(shí)物容易劃壞。因此，對實(shí)物表面要求嚴(yán)格或者表面比較復(fù)雜的物體不易采用接觸式測量方法。

非接觸式測量主要運(yùn)用光學(xué)、聲學(xué)和電磁學(xué)的反射的基本原理。光學(xué)掃描法是現(xiàn)如今最廣泛的方法。針對模具對曲面的要求較高且比較復(fù)雜，因此本實(shí)驗(yàn)采用思瑞三維激光掃描儀，精度可達(dá)0.05 mm，在考慮設(shè)備測量范圍的同時(shí)要對曲面進(jìn)行分析，制定計(jì)劃，多次測量，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性[1]。

本次試驗(yàn)工件如圖1所示 由于工件投影面積較大，并且存在多處彎折部位，單視角掃描不能完全掃描工件整體，這種由于被測樣件本身的幾何形狀或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致部分的測量數(shù)據(jù)不易獲取的區(qū)域，稱為“測量死區(qū)”[2]。

圖1　模具實(shí)物圖

圖2　測量死區(qū)示意圖

如圖2所示，本實(shí)驗(yàn)采用的思瑞三維激光掃描儀分為左鏡頭和左鏡頭掃描，在用左鏡頭掃描時(shí)A面和部分B面被A面所遮擋，所以不能被測到。所以在實(shí)際的測量過程中要進(jìn)行多次測量，獲得我們所需的數(shù)據(jù)點(diǎn)云。

2模型的重建

2.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

Geomagic軟件在點(diǎn)云處理階段通過刪除體外弧點(diǎn)、減少噪音點(diǎn)、統(tǒng)一采樣等方式，去除在掃描過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤點(diǎn)，并降低點(diǎn)云的數(shù)量，方便后期的多邊形處理。同時(shí)，由于設(shè)備掃描角度的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在局部不完整，需要進(jìn)行點(diǎn)云處理中的多視拼合。即在測量過程中多個(gè)視角坐標(biāo)點(diǎn)云拼合成同一個(gè)視角坐標(biāo)，從而得到一個(gè)完整的模型[1]如圖3所示，在Geomagic處理過程中，多視拼接的方法有兩種。一種是手動(dòng)注冊，一種是全局注冊。在實(shí)際操作的時(shí)候，要先進(jìn)行手動(dòng)注冊，再進(jìn)行全局注冊。手動(dòng)注冊能夠讓點(diǎn)云進(jìn)行快速的對齊定位，而全局注冊是對手動(dòng)注冊過程中存在的一些誤差進(jìn)行消除。采用“三點(diǎn)法”數(shù)據(jù)拼合原理，原理如圖4所示。

圖3　多次數(shù)據(jù)采集的點(diǎn)云圖　圖4　三點(diǎn)法數(shù)據(jù)拼接原理圖

取坐標(biāo)系中任意曲面S(x，y, z)，同時(shí)將該曲面劃分為兩個(gè)子曲面，分別為S1(x，y, z)、S2(x，y, z)且分別在不同的坐標(biāo)系中o1-u1v1w1和o2-u2v2w2不能重合。為了使兩曲面拼接，必須使坐標(biāo)o1-u1v1w1和o2-u2v2w2重合。在坐標(biāo)原點(diǎn)o1(x1y1z1)與o2(x2y2z2)重合中出現(xiàn)x1，y1，z1，x2，y2，z2六個(gè)參數(shù)以及α，β，θ三個(gè)角度。

在公共曲面上取三點(diǎn)A，B，C。在S1(x，y, z)中對應(yīng)a1，b1，c1在S2(x，y, z)中對應(yīng)a2，b2，c2。利用三點(diǎn)的測量值通過平移變換矩陣可以求出9個(gè)參數(shù)的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)兩曲面的拼接。

圖5　逆向工程的一般過程

在曲面上選取A，B，C三點(diǎn)時(shí)有幾個(gè)注意事項(xiàng)。首先三個(gè)點(diǎn)不能在同一條直線上，盡量成一個(gè)面積較大的三角形。其次，選取的點(diǎn)必須要準(zhǔn)確識(shí)別，最好是幾何形狀上固有的點(diǎn)[3]。

2.2多邊形處理與曲面構(gòu)建

點(diǎn)云封裝形成多邊形之后數(shù)據(jù)會(huì)存在缺陷要通過填補(bǔ)、松弛等功能進(jìn)行修復(fù)，形成所需要的模型。其次需進(jìn)行曲面重建，曲面重建是逆向工程的重要階段，曲面片形成之后，模型上會(huì)形成大小均勻的曲面片，然后通過軟件自帶有的構(gòu)造格柵的功能，在模型表面形成大小均勻的柵格網(wǎng)，柵格網(wǎng)越均勻，所構(gòu)成的曲面越光滑，最后Geomagic Studio會(huì)在柵格網(wǎng)的基礎(chǔ)上自動(dòng)擬合成NURBS曲面，形成所需要的模型[5-8]。但是，很多模型還需要對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者是特征處理，所以需要逆向工程軟件Geomagic Studio與CAD軟件的文件輸出格式，本實(shí)驗(yàn)采用UG等軟件來實(shí)現(xiàn)。通過后續(xù)的實(shí)體重建或生成STEP格式文件進(jìn)行模型特征的處理[4]。

圖6　在UG中處理完后的模具

在某些規(guī)范的幾何特征的處理上，Geomagic Studio無法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，需要在實(shí)物上通過測量得到數(shù)據(jù)，然后在UG中建模，例如螺紋孔等特征。一些無法測量的標(biāo)準(zhǔn)特征可通過Geomagic Studio獲得該特征的輪廓線，另存iges格式導(dǎo)入到UG中根據(jù)輪廓線重新建模，得到標(biāo)準(zhǔn)的模型。

3模具誤差對比分析

點(diǎn)云的掃描過程是存在偏離點(diǎn)云的，所以形成的模型是不規(guī)則的，需進(jìn)行多邊形中的松弛，消除噪音處理，特別是在模具的邊緣地帶容易造成較大的誤差。

如圖7，是上模具進(jìn)行多邊形處理后的模型，經(jīng)過多邊形的光滑處理后造成誤差最大在±3.785 mm平均值為0.106 mm。部分點(diǎn)云在處理過程中為了得到準(zhǔn)確的長、高、寬而剔除，所以形成最大誤差。

如圖8為模具加工零件的點(diǎn)云與模具模型的誤差分析，從企業(yè)中獲得該模具所加工的零件，對零件進(jìn)行掃描得到所需的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模具模型進(jìn)行誤差分析，因?yàn)槭且鸭庸ち慵栽谀承澢恢玫恼`差較大，因此要適當(dāng)?shù)膭h去彎曲部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過誤差分析可得最大偏差為±3.5 mm，平均偏差為±0.6 mm。

結(jié)論：逆向工程所形成的模具誤差在實(shí)際加工的范圍之內(nèi)，符合生產(chǎn)加工的需要。

4數(shù)控仿真

數(shù)控加工已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)必不可缺的技術(shù)，是高精度、高效率的數(shù)字模擬技術(shù)，現(xiàn)實(shí)生活中較難以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜曲面的數(shù)控代碼的編輯，而通過Master GAM 9.0的數(shù)控仿真可以快速的形成較準(zhǔn)確的數(shù)控代碼，對代碼稍加修改即可應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的加工[9]。圖9為模具數(shù)控仿真圖。

圖9　模具數(shù)控仿真圖

5結(jié)束語

本文通過企業(yè)中常用的軟件對模具進(jìn)行處理，可快速提取曲面的設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用于模具的設(shè)計(jì)和加工。詳細(xì)的敘述了模具逆向造型的過程，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)。同時(shí)通過數(shù)控仿真軟件對模具加工進(jìn)行仿真，得到數(shù)控代碼，最后直接應(yīng)用于生產(chǎn)。該過程縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的同時(shí)也提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量，從而提高產(chǎn)品對于市場的快速響應(yīng)能力。

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Reconstruction and NC simulation of a mould based on Geomagic and UG

ZHAI Zhichao, TANG Geng, WU Quan, TIAN Ye, XU Weiping

Abstract:In this paper, we introduced the definition, characteristics and working procedure of reverse engineering. Taking the reverse modeling of a mould for example, we discussed the reverse engineering technology based on Geomagic Studio. Firstly, we obtained the point cloud data of the mould using 3D laser scanner. Secondly, we processed the point cloud data and reconstructed the surfaces using Geomagic, then imported the data into 3D software UG to complete the modeling. Finally, we carried out NC simulation using Master GAM, and obtained the NC codes which could be directly used in NC processing. Such method could effectively increase the speed of product design, reduce the R&D cost, and shorten the R&D cycle.

Keywords:reverse engineering; UG model reconstruction; NC simulation

收稿日期：2015-09-15

通訊作者：徐衛(wèi)平(1967-)，男，碩士，教授，貴州省貴陽市人，研究方向機(jī)械制造及其自動(dòng)化。

作者簡介：翟志超(1989-)，男，碩士研究生，山東省濰坊市人，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。

中圖分類號：TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1002-6886(2016)02-0030-04