基于Geomagic的自锁机构逆向重构及快速原型

基于Geomagic的自锁机构逆向重构及快速原型
张俊凤;严锋;薛雨凡;黄俊元
【摘要】为解决体育器材中的自锁机构三维数据难以精确采集的问题,本文研究了自锁机构的三维数据采集、数据处理与模型重构.通过“Artec Spider”的三维扫描仪对自锁机构进行非接触测量获得点云数据,利用Geomagic Wrap对点云数据进行优化,对于优化后的点云数据再利用Geomagic Design X进行零件的三维重构.与传统的正向设计相比,该方法提高了工作效率,大大缩短产品的研发周期.
【期刊名称】《南方农机》
【年(卷),期】2019(050)005
【总页数】2页(P45-46)
【关键词】逆向设计;非接触测量;点云数据;模型重构;3D打印
【作者】张俊凤;严锋;薛雨凡;黄俊元
【作者单位】沙洲职业工学院,江苏苏州215600;沙洲职业工学院,江苏苏州215600;沙洲职业工学院,江苏苏州215600;沙洲职业工学院,江苏苏州215600【正文语种】中文
【中图分类】TB472
1 引言
三维扫描技术是指集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，利用三维扫描仪对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以快速得到其立体尺寸数据。

即将实物的
立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。

3D打印制造技术是指基于离散材料逐层堆积成形的原理，通过接收计算机上的CAD数字模型，快速“打印”出产品原型或零部件的数字化制造技术。

依据产品
三维CAD模型，由快速成型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。

2 三维扫描及点云数据处理
使用三维扫描仪对体育器材自锁机构进行三维数据采集，进而数据处理与模型重构。

自带校准功能的手持式三维扫描仪，工作时会将激光照射到体育器材自锁机构上，捕捉这一瞬间的三维扫描数据，由于物体表面的曲率不同，光线照射在体育器材自锁机构上会发生反射和折射，这些信息会通过第三方软件转换为3D图像。

三维扫描仪扫描创建物体表面的点云图，这些点可用来插补成物体的表面形状，点云越密集创建模型越精准，可进行三维重建。

在扫描过程中，光线会不断变化，而软件识别这些变化以获得体育器材自锁机构的三维模型，将其模型数据以STL格式保存。

将扫描出的数据导入逆向工程软件中进行曲面优化。

在非接触三维扫描测量过程中，受测量方式、外界干扰等因素的影响，不可避免地会产生误差很大的失真点(跳点)和点(噪声点)。

因此开始就应利用逆向工程软件所提供的去噪声点功能除去那些误差大的噪声点及找出可能存在的失真点。

而对于点云十分密集，数据量极其庞大的非接触三维扫描测量，在保证一定精度的前提下，对测试数据进行精简是很必要的。

其原则是在扫描曲率较大的地方保持较多的数据点，在曲率变化较小的地方保持较少的数据点。

点云数据中的随机误差将影响到后续曲面的构建及生成三维实体模型的质量，因此在构建曲面之前需对点云数据进行平滑滤波处理[1]。

同时为完成实
体模型的非接触三维扫描测量，需要对模型从各个视觉进行分块测量。

然后将分块测量所得到的多片点云数据拼合在一起，即点云数据的拼合对齐。

从而获得体育器
材自锁机构的三维模型。

3 模型重构
Geomagic Design X(原Rapidfrom XOR)软件是以3D扫描数据为基础创建
CAD模型的3D逆向工程软件。

可编辑的实体模型可以适用于很多方面。

转换到CAD最快的路径，与所有3D扫描仪的互换，创建与特征树同步的履历CAD模型，能够转换成 Solidworks，Pro/E，NX，AutoCAD，CATIA 等文件格式使得3D
扫描数据更易使用。

3.1 分割领域
将模型导入软件后发现模型为一个整体，建模菜单均为灰色不可以状态，所以在建模前需将模型分割为单独的片体，这里就要用到分割领域这个功能。

在设置敏感度考虑到数值越大分割的面越多而这个模型多为整面所以调整到10，面片粗糙度调
到第三个级别，勾选保持当前领域（如图1所示）。

图1 手动分割、对齐坐标
图2 平面曲线及轮廓
3.2 对齐坐标
在点云阶段没有对模型进行对齐坐标，所以模型在空间中处于一个“歪”的状态，这样不利于后续的建模工作，因为建模是依附于X轴、Y轴和Z轴所在的平面上，在分割领域后就有很对特征面与点供选择，利用这些特征对齐坐标较为准确[2]。

打开对齐菜单使用手动对齐的方式，采用X-Y-Z模式在模型上选取这三个轴相关
的领域，在屏幕左侧为对齐选择窗口右侧为预览窗口（如图1所示）。

3.3 整体外形草图重构
在草图中选用片面草图以X面做投影，可以投影出红色线段，以此为基础将线段
构建出来。

对于一些直线与圆弧对它们约束相切，约束后它们位置可能会发生一些变化，这时就要调整这些线段让它们依附在红色线段上。

对于一些较为复杂的线可
能约束较为麻烦且偏差较大，这时可以用样条曲线这个指令，样条曲线的好处在于多变、灵活在使用的时候最好能用较少的点去控制线段，在圆弧交接的位置用较多的点去控制最大程度保证它的拟合度，对于直线与大圆弧能用3～5 个点控制最好[3]。

3.4 曲面重构
逆向工程中常用的三种曲面重构方法，即B样条曲面、NURBS曲面及三角Bézier 曲面的构造理论及方法。

主要过程如下：
1）读取三维模型；2）抽取展开曲面；3）优化展开曲面；4）构建展开特征曲面，基准元素；5）替代原始特征曲面，基准元素；6）建立本体模型。

3.5 外形轮廓的拉伸
在大致确定的外形轮廓后采用拉升面的方式，将画出的线沿方向上做出整体拉伸面与面之间存在着相切的约束条件且在同方向上必须相切。

3.6 在面上做出平面曲线面
在一个画有类似平面的领域上，经过测试后采用基础曲面的拉伸方式拉伸出一个平面式曲面再将其放大，直至大过最大外形轮廓（如图2所示）。

图3 片体转换成实体
图4 自锁机构零件整体造型
3.7 修剪出封闭体
两个方向上采用同样的方式再次做出一张大过最大外形轮廓的平面式曲面。

最后在采用剪切的方式做出类似纸箱的封闭式的体。

3.8 片体转化为实体
面与面之间进行拼接，将片体转换成实体。

将大块实体进行分割，主要特征采用画面分割的方式将实体上不要的部分去除（如图3所示）。

3.9 特征绘制
使用同样的方式将一些主要特征进行还原，使用面切割的方式以带精度的面缝合成切割工具进行切割[4]。

在制作孔以及环形环的时候，将其主要特征自作完毕后成
为切割工具，切割实体（如图4所示）。

3.1 0整体生成
面片全部封闭就变为实体，下面就将它们全部结合在一起变为一个整体，然后在特征与特征相交的部位倒圆角，最终测试零件的拟合程度用以达到要求。

4 自锁机构的快速原型
4.1 过程
1）数据准备。

设计出自锁机构的三维模型，根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序单元。

最后得到一个三维实体模型。

2）快速成型制作。

将模型进行分层处理，得到每一层有关的网格矢量数据用于控制打印轨迹，分层处理还包括层厚、固化深度、打印速度、网格间距、收缩补偿因子的选择[5]。

3）后处理。

原型制作完毕后，进行整个成型后的零件与打印机的剥离，以便去除废料和支撑结构，而后进行后固化、清洗、修补、抛光、表面强化、表面涂覆等后处理工序。

4.2 快速原型技术优点
1)降低生产成本，提高生产效率。

2)降低减少制作成本，缩短制造工时。

3)结合有限元分析，根据几何建模设计成型与性能结果分析制造出零件和模具，以此控制零件内部的各个性能和结构，使成型件的质量达到最佳[6]。

5 结论
掌握逆向工程的工作流程，快速从测量数据中提取出曲面的设计参数进行二次设计，是现代设计中的一个重点。

利用扫描仪对实物扫描所得的点云的原始数据资料，通
过实物模型产生其数字化模型，可以使产品设计制造充分利用数字化的优势，并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。

然后采用基于Geomagic Studio的产品逆向设计的思路，将大大提高产品的快速响应能力，提高产品设计质量方面，更具高效性和可行性，为产品的快速开发与创新设计探索出一条捷径。

【相关文献】
[1]付伟，张海.基于Geomagic Studio软件的逆向工程设计[J].工具技术，2007(11)：54-57.
[2]张学昌.逆向建模技术与产品创新设计[M].北京：北京大学出版社，2009：17-21.
[3]李红莉，何柏海，郭恒亚.逆向工程中曲面重构的应用软件研究[J].科技资讯，2009(1)：41+43.
[4]罗之军，何彪.基于Geomagic Studio的逆向工程技术[J].贵州工业大学学报(自然科学版)，2008，37(5)：102-104.
[5]赵少君，吴志清，罗聪.基于产品设计中UG NX与Imageware在逆向工程的综合应用[J].科技资讯，2009(20)：95-96.
[6]胡影峰.Geomagic Studio软件在逆向工程后处理中的应用[J].制造业自动化，2009，31(9)：135-137.。