基于RE 技术的冲压件的模型重建

苏红磊，马 维

（宁夏职业技术学院机械与电气技术系，银川，750002）

在工业高速发展的今天，产品设计已经不仅仅拘于以往从构思到图纸再到制造的过程，而是通过3D 检测手段，实现CAD 模型的生成，通过对模型的重建，实现分析及制造，这就是通常所说的逆向工程（RE）技术。在一系列设计周期中，模型的CAD 重建是最关键、最复杂的环节。因为目前市场上的工业产品造型往着自由曲面的方向发展，尤其是模具行业，为了降低后续数控加工及检测的难度，逆向工程的融入极大的提升了模具制造的创新及优化空间。而所有的工作开展都基于产品的CAD 模型，因此，三维CAD模型重建尤为重要，很多企业急需这方面的杰出人才 。本文以冲压件为研究对象，探讨冲压件在快速成型制造中的模型重建，应用Geomagic、Imageware 和UG 软件依次进行处理。

1 数据采集

数据采集，顾名思义，就是通过特定的设备和方法，将实物样件的表面分解为点，采集数据点的空间三维坐标，进行数据信息采集，用于后续逆向处理的过程。最直接的理解就是如果获取纸质图形数字代码，需要使用二维扫描仪，那么进行逆向工程则是三维的。数据的获取，即测量，通常分为接触式和非接触式两大类。接触式测量比如三坐标测量机，测量精度高，更广泛的应用与检测环节，非接触测量由于其测量的范围更广、更快捷，则更有效的应用于逆向前期数据的获取。

本文研究的冲压件样件，以普通碳钢为主，具有一定的塑性，结构虽然不复杂，但表面都为自由曲面，所以选用光学式非接触式测量，扫描冲压件样件，准确提取样件表面数据点云。

扫描准备工作：1）喷白漆。由于扫描采用光学投影设备，为了更好的提高扫描件反光性，在测量前对样件进行喷白漆，晾干处理。喷漆需要掌握一定技巧，过厚则将纹路覆盖，过薄则不能涉及所有表面，影响测量结果，且白漆处流动状，因此要合理控制距离及角度。2）贴标。扫描需要多个角度拍照，为了保证多次测量后的数据能够准确的拼接，需要对样件表面粘贴黑色标点，以便系统根据标点拟合周边曲面，贴标主要依据经验，注意观察曲面曲率变化，大的相应密度大些，反之小些。3）标定。扫描设备为两个镜头，放置样件于标定板上，上下左右调整镜头，即对焦的过程。同时观察软件标定界面，调整十字光标与标准光标重合即可。准备就绪进行正式测量，多角度旋转样件拍照，再拼接、去杂点，修补，最后保存.stl，测量结果如图1 所示，可见贴标处均为空洞，且由测量软件修补处，与周边表面过渡不自然。同时将测量结果放大，如图2，可清晰看出样件表面不光滑、不完整，有许多杂点，需要进行CAD 模型重建。

图1 样件扫描结果图

图2 扫描件表面图

随着逆向工程的纵深发展，专业的设计软件呈现百家争鸣的情况，但实际设计应用中，设计师们通常依据产品及环境特性，选择适合的逆向软件，UG 软件读取点云数据时，存在数据庞大造成系统运行速度慢、点云数据处理方面功能弱等问题。Imageware 软件读取点云数据快，大面拟合方便简单，但细小面质量不如UG，同时对于贴标处空洞的修补不如Geomagic Studio效果好。因此，样件重建采用修补、作面、细化三步骤，分别应用Geomagic Studio、Imageware 和UG 软件进行处理。

2 点云前期处理

把.stl 文件导入Geomagic Studio 中，整理点云数据，首先将平面体外的杂点删除，清理数据。同时减少噪音（扫描时，清晰可见白光下的粉尘、颗粒等），将测量时周围环境及设备的影响进一步去除，放大旋转样件，圈选需要去除的点，并删除，封装后即可进行空洞修补。多角度旋转样件，将表面封装，不光滑的面圈选删除，边缘处应注意。填充有几种方式，根据空洞形状选择合适的方法，注意不要有缺失。为了使平面体样件表面更加平坦和光滑，可松弛多边形调整,完毕如图3。操作简单、便捷，效果好。

图3 点云预处理结果

3 曲面重建

3.1 曲面分析

3.2 曲面构建

图4 点拟合

图5 控制点调节

曲面构建后可以进行分析检查，通过拟合误差分析如图6，检查曲面与点云拟合情况，曲面构建不能拘于原始平面体的外形，需要考虑面的光顺、完整，在误差较大的地方还需要再进行控制点的调节，以便于后续处理的继续。如果面调整不理想，可以采取分割的方法，把大面细化，分成一块一块小片，再作面拼接。

图6 误差分析

3.4 曲面细化

把Imageware 中做好的面另存为.igs 导入到UG 中，对脉络处进行拼接处理，选取面导角，如果不能进行，出现如图7 的错误，则面调整有问题，面与面之间不能按要求过渡，则需重新进入Imageware 中调整，注意曲线的光顺，再次导入，或者旋转观察曲面，注意两个需要导角处的曲线，应用UG 中X 成形，编辑控制点，将面调整好。逆向模型最终结果好与否取决于面的质量，因此，在进行点的调整时要格外细心。

对于不能应用圆角处理的面，通常选用曲线网格，曲线组等方法。在使用UG 修整面时，要特别注意面的相切问题，对于不规矩、有难度的缝隙，可以抽取曲线，剪裁片体，将不规矩处剪裁，再使用曲线网格。线决定了面，因此线要依据情况进行光顺处理，该桥接的地方要桥接。将所有的面补齐，加厚处理，就如图8 完成了3D 逆向重建。

图7 过渡错误

图8 最终结果

3 结论

随着模具产业的快速发展，逆向技术应用越来越广泛。本文从冲压件实物出发，从数据采集到模型重建，涉及Geomagic Studio、Imageware 和UG 三个软件，取三者优势，方便快捷进行建模，缩短了从设计到生产的周期，为后续的CAE/CAM 奠定基础。

[1]彭 燕 军,王 霜,彭 小 欧.UG、Imageware 在 逆 向 工程三维模型重构中的应用研究[J].机械设计与制造,2011,(05):85-87

[2]郭建芬,陈以蔚.UG 在自由曲面产品逆向工程与模具设计中的应用[J].工程塑料应用,2007,35(08):60-62.

[3]孙源,谢峰.基于Imageware 的河狸牙齿的逆向造型[J].工具技术,2011,45(11):31-34