馬麗芳

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

隨著數(shù)字技術(shù)的到來(lái)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)全新階段，人們對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化需求越來(lái)越明顯，隨之產(chǎn)品生命周期也大幅縮短，更新?lián)Q代更加頻繁。這就要求從設(shè)計(jì)研發(fā)到推出產(chǎn)品時(shí)間大大縮短。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法己經(jīng)不能滿足工業(yè)設(shè)計(jì)要求，因此逆向工程順勢(shì)而生。逆向工程是在沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整以及沒(méi)有CAD模型的情況下，按照現(xiàn)有零件的實(shí)物模型(或稱為零件原形)，利用各種數(shù)字化技術(shù)及CAD技術(shù)重新構(gòu)造零件CAD模型的過(guò)程[1]。而Geomagic Design X是一款可以讓用戶利用3D掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建完全參數(shù)化CAD模型的軟件，該軟件運(yùn)用新開(kāi)發(fā)的CAD建模技術(shù)完善了面片建模與NURBS曲面功能，并且提供了可以利用3D掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建參數(shù)化CAD模型的多種工具，解決了現(xiàn)存3D掃描數(shù)據(jù)的限制問(wèn)題。這些功能相結(jié)合，可以具有創(chuàng)建基礎(chǔ)特征和自由特征的參數(shù)化CAD模型。逆向工程作為一種新型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法在吸收國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)制造技術(shù)、縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期以及降低生產(chǎn)成本等方面發(fā)揮著重大作用[2，3]。本文結(jié)合某新型數(shù)字化鑄造件的研發(fā)過(guò)程,通過(guò)逆向設(shè)計(jì),具體介紹了零件的塑形及數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲面重建，分析了整個(gè)設(shè)計(jì)流程,并最終得到了具備良好人機(jī)功效的零件實(shí)體。

1 3D掃描數(shù)據(jù)處理

本例采用的是北京博維恒信科技的3DCa Mega光學(xué)三維掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)將可見(jiàn)光光柵條紋投影到待測(cè)物體表面，由CCD同時(shí)拍攝并得到條紋和色彩圖像并輸入到計(jì)算機(jī)中，三維圖像反求軟件根據(jù)條紋按照曲率變化的形狀，利用相位法和三角法等精確地計(jì)算出物體表面每一點(diǎn)的空間坐標(biāo)(X,Y,Z)，生成三維的可輸出色彩信息(R,G,B)的彩色面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖1所示，利用逆向Geomagic Design X軟件對(duì)三角面片特征領(lǐng)域進(jìn)行分割，得到如圖2所示的面域組。

圖1 面片3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖2 面片數(shù)據(jù)面域分割

2 創(chuàng)建草圖和拉伸特征

選擇工具欄上的“面片草圖”按鈕，進(jìn)入面片草圖模式，將前基準(zhǔn)平面的偏移距離設(shè)置為5 mm，根據(jù)斷面多段線創(chuàng)建矩形草圖，利用面片創(chuàng)建草圖輪廓，拉伸草圖創(chuàng)建基礎(chǔ)實(shí)體1。同理，利用草圖和拉伸工具創(chuàng)建另一個(gè)實(shí)體2。一個(gè)是標(biāo)注為1的區(qū)域，另一個(gè)是標(biāo)注為2的區(qū)域，如圖3所示。

圖3 面片數(shù)據(jù)創(chuàng)建的拉伸實(shí)體模型

3 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)特征

利用面片創(chuàng)建草圖輪廓，在使用合并選項(xiàng)的情況下旋轉(zhuǎn)草圖，創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)特征，并將其添加到基礎(chǔ)實(shí)體上。而創(chuàng)建圓錐特征需一條圓錐軸線1，點(diǎn)選工具欄上的參照線或選擇插入?yún)⒄諑缀涡螤罹€，將方式設(shè)置為檢索圓錐軸，選擇圓錐特征領(lǐng)域。使用相同的方法，利用檢索圓錐軸方式從圓錐特征領(lǐng)域創(chuàng)建一條參照線2。創(chuàng)建參照平面，將方式設(shè)置為選擇點(diǎn)和共面軸，選擇線1作為要素，選擇過(guò)濾工具欄中的“過(guò)濾單元頂點(diǎn)按鈕”，在圓錐區(qū)域選擇一個(gè)點(diǎn)，進(jìn)入面片草圖模式創(chuàng)建草圖，將旋轉(zhuǎn)方式設(shè)置為兩方向，角度設(shè)置為100°和90°。同樣的方法旋轉(zhuǎn)生成圓柱2，如圖4所示。

4 添加圓錐特征

圖4 面片數(shù)據(jù)創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)體

利用面片創(chuàng)建草圖輪廓，在使用合并選項(xiàng)的情況下拉伸草圖，創(chuàng)建特征并將其添加到基礎(chǔ)實(shí)體上，如圖5所示。

圖5 添加圓錐特征

5 添加圓角

從實(shí)體上點(diǎn)選邊線，選擇從“面片上估算半徑”按鈕。應(yīng)用程序?qū)⒆詣?dòng)從面片上提取半徑并顯示合適的圓角半徑值，添加半徑為12 mm的圓角，使用相同的方法，在剩下的邊線上添加半徑為10mm的圓角，如圖6所示。

圖6 添加圓角

6 誤差分析

利用Geomagic中曲面偏差分析對(duì)生成的曲面進(jìn)行誤差分析[4-6]，將生成實(shí)體與原始點(diǎn)云面片數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析，得到偏差色譜圖，如圖7所示。通過(guò)面片數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)比分析，得到數(shù)據(jù)最大上偏差為4.98 mm，最大下偏差為-4.98 mm，平均偏差為0.19mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.22mm。從圖中可以看出模型整體上處于平均偏差內(nèi)，滿足精度要求。

圖7 偏差分析

8 結(jié)語(yǔ)

利用非接觸式光學(xué)掃描儀和Geomagic studio X逆向軟件對(duì)某模型零件進(jìn)行了逆向建模，得到模型的三維數(shù)字化CAD模型。通過(guò)與原始的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析，可以發(fā)現(xiàn)平均偏差為0.19mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.22mm，滿足精度要求。驗(yàn)證了Geomagic逆向軟件對(duì)于構(gòu)建復(fù)雜曲面和解決正向設(shè)計(jì)在復(fù)雜曲面中缺陷的可行性。文中采用的研究方法，能夠快速、高效完成實(shí)物建模和分析，可以為逆向研究及Geomagic的應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。