袁梅

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

【關鍵詞】回轉輪；逆向；重構

【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，是將已有產品或實物模型轉化為工程設計模型和概念模型，在此基礎上對已有產品進行深化和再創(chuàng)造的過程。是數(shù)字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱。

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

一、逆向建模

回轉輪模型如圖1所示，整個模型是對稱件，從結構上看，里、外是帶孔的圓柱，外圓柱表面有一回轉槽，中間四個均布的爪將內外圓柱連接，連接爪外輪廓是自由復雜的曲面，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。

1.回轉輪數(shù)據采集。

實物的數(shù)字化是通過特定的測量設備和測量方法來獲取零件表面離散點的幾何坐標數(shù)據的[2]?；剞D輪的數(shù)據采集通過RMS400掃描儀設備測量獲取。

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測量技術，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、復雜曲面產品零件的移動便攜式三維測量。

1.2 回轉輪模型的掃描。

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

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

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

1.2.1 回轉輪零件掃描前準備。

（1）由于回轉輪實物是塑料件，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。回轉輪體積不大，掃描之前在回轉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換的。為了測量準確，回轉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)據點云全部導出在指定盤符下。

2.回轉輪點云數(shù)據處理。

打開Geomagic Wrap軟件，將掃描的數(shù)據全部導入見圖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，完成對回轉輪點云的處理。將處理好的回轉輪數(shù)據另存為.stl（binary二進制）格式見圖5。

3.回轉輪模型重構。

3.1 回轉輪逆向建模思路。

（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”與大圓柱實體進行布爾減運算。

3.2 回轉輪逆向建模。

主要步驟：

（1）劃分領域組。

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

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

（2）手動對齊。

將導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）。在導入回轉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）回轉輪模型重構。

①調整精度色譜。

重構前先把精度色譜設定好，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。

重構的實體通過“精度分析”界面的偏差色譜反復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，重構模型顯示為綠色。

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?；鶞拭嫫矫孢x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。

根據回轉輪實物，其模型重構基本采用拉伸命令，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。

重構的實體通過掃描原始數(shù)據與逆向重構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、結論

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

參考文獻

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

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

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

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