基于Geomagic与UG的曲面模具重建与数控仿真

翟志超，汤　耿，伍　权，田　野，徐卫平

(1.贵州师范大学机械与电气工程学院，贵州贵阳550001；2.贵州大学机械工程学院, 贵州贵阳550025)



基于Geomagic与UG的曲面模具重建与数控仿真

翟志超1，汤耿1，伍权1，田野2，徐卫平1

(1.贵州师范大学机械与电气工程学院，贵州贵阳550001；2.贵州大学机械工程学院, 贵州贵阳550025)

摘要：介绍逆向工程的含义、特点及其工作流程。并以一模具的逆向造型过程为例，论述了基于Geomagic Studio的逆向工程技术。首先使用三维激光扫描仪器获取点云数据;其次在Geomagic软件中对点云数据进行处理、曲面重建并通过格式转换在三维软件UG中形成实体，最后通过Master GAM进行数控仿真，得到直接应用于数控加工的数控代码。研究表明，该方法能有效的提高产品设计的速度，降低研发成本，节约研发产品的周期。

关键词:逆向工程UG模型重建数控仿真

0引言

逆向工程(Reverse Engineer，RE)又被称之为反求工程。目前，大部分的逆向工程技术主要应用在实物几何形状的重建上，即用一定的测量手段对实物模型进行测量，通过测量的数据进行三维CAD模型的重建。传统的设计是设计人员以产品的需求为准，应用三维软件设计出产品的模型，然后根据模型生产出产品的图纸，厂家根据图纸加工出产品。而反求工程是从一个已经存在的实物模型到三维CAD模型的过程，首先对实物模型进行数字化测量，然后对测量的数据进行处理、曲面的重构得到我们所要的模型,最终通过数控仿真软件对模型进行数控仿真得到所需NC代码。这种方法充分利用了各个软件的优势，解决了逆向软件建模不足的缺点和三维CAD软件点云处理的不足。

1数据采集

数据采集主要有接触式和非接触式测量两类。接触式测量主要有触发式和扫描式两种方式，通过探针与实物接触来采集实物表面的三维坐标信息。但与非接触式测量相比，测量的速度和效率较低，且侧头容易损坏，被测实物容易划坏。因此，对实物表面要求严格或者表面比较复杂的物体不易采用接触式测量方法。

非接触式测量主要运用光学、声学和电磁学的反射的基本原理。光学扫描法是现如今最广泛的方法。针对模具对曲面的要求较高且比较复杂，因此本实验采用思瑞三维激光扫描仪，精度可达0.05 mm，在考虑设备测量范围的同时要对曲面进行分析，制定计划，多次测量，保证点云数据的完整性[1]。

本次试验工件如图1所示 由于工件投影面积较大，并且存在多处弯折部位，单视角扫描不能完全扫描工件整体，这种由于被测样件本身的几何形状或拓扑结构导致部分的测量数据不易获取的区域，称为“测量死区”[2]。

图1　模具实物图

图2　测量死区示意图

如图2所示，本实验采用的思瑞三维激光扫描仪分为左镜头和左镜头扫描，在用左镜头扫描时A面和部分B面被A面所遮挡，所以不能被测到。所以在实际的测量过程中要进行多次测量，获得我们所需的数据点云。

2模型的重建

2.1点云数据的处理

Geomagic软件在点云处理阶段通过删除体外弧点、减少噪音点、统一采样等方式，去除在扫描过程中出现的错误点，并降低点云的数量，方便后期的多边形处理。同时，由于设备扫描角度的影响，点云数据中存在局部不完整，需要进行点云处理中的多视拼合。即在测量过程中多个视角坐标点云拼合成同一个视角坐标，从而得到一个完整的模型[1]如图3所示，在Geomagic处理过程中，多视拼接的方法有两种。一种是手动注册，一种是全局注册。在实际操作的时候，要先进行手动注册，再进行全局注册。手动注册能够让点云进行快速的对齐定位，而全局注册是对手动注册过程中存在的一些误差进行消除。采用“三点法”数据拼合原理，原理如图4所示。

图3　多次数据采集的点云图　图4　三点法数据拼接原理图

取坐标系中任意曲面S(x，y, z)，同时将该曲面划分为两个子曲面，分别为S1(x，y, z)、S2(x，y, z)且分别在不同的坐标系中o1-u1v1w1和o2-u2v2w2不能重合。为了使两曲面拼接，必须使坐标o1-u1v1w1和o2-u2v2w2重合。在坐标原点o1(x1y1z1)与o2(x2y2z2)重合中出现x1，y1，z1，x2，y2，z2六个参数以及α，β，θ三个角度。

在公共曲面上取三点A，B，C。在S1(x，y, z)中对应a1，b1，c1在S2(x，y, z)中对应a2，b2，c2。利用三点的测量值通过平移变换矩阵可以求出9个参数的数值，实现两曲面的拼接。

图5　逆向工程的一般过程

在曲面上选取A，B，C三点时有几个注意事项。首先三个点不能在同一条直线上，尽量成一个面积较大的三角形。其次，选取的点必须要准确识别，最好是几何形状上固有的点[3]。

2.2多边形处理与曲面构建

点云封装形成多边形之后数据会存在缺陷要通过填补、松弛等功能进行修复，形成所需要的模型。其次需进行曲面重建，曲面重建是逆向工程的重要阶段，曲面片形成之后，模型上会形成大小均匀的曲面片，然后通过软件自带有的构造格栅的功能，在模型表面形成大小均匀的栅格网，栅格网越均匀，所构成的曲面越光滑，最后Geomagic Studio会在栅格网的基础上自动拟合成NURBS曲面，形成所需要的模型[5-8]。但是，很多模型还需要对模型进行结构设计或者是特征处理，所以需要逆向工程软件Geomagic Studio与CAD软件的文件输出格式，本实验采用UG等软件来实现。通过后续的实体重建或生成STEP格式文件进行模型特征的处理[4]。

图6　在UG中处理完后的模具

在某些规范的几何特征的处理上，Geomagic Studio无法得到准确的数据，需要在实物上通过测量得到数据，然后在UG中建模，例如螺纹孔等特征。一些无法测量的标准特征可通过Geomagic Studio获得该特征的轮廓线，另存iges格式导入到UG中根据轮廓线重新建模，得到标准的模型。

3模具误差对比分析

点云的扫描过程是存在偏离点云的，所以形成的模型是不规则的，需进行多边形中的松弛，消除噪音处理，特别是在模具的边缘地带容易造成较大的误差。

如图7，是上模具进行多边形处理后的模型，经过多边形的光滑处理后造成误差最大在±3.785 mm平均值为0.106 mm。部分点云在处理过程中为了得到准确的长、高、宽而剔除，所以形成最大误差。

如图8为模具加工零件的点云与模具模型的误差分析，从企业中获得该模具所加工的零件，对零件进行扫描得到所需的点云数据与模具模型进行误差分析，因为是已加工零件，所以在某些弯曲位置的误差较大，因此要适当的删去弯曲部分的点云数据。通过误差分析可得最大偏差为±3.5 mm，平均偏差为±0.6 mm。

结论：逆向工程所形成的模具误差在实际加工的范围之内，符合生产加工的需要。

4数控仿真

数控加工已经成为现代工业必不可缺的技术，是高精度、高效率的数字模拟技术，现实生活中较难以实现对复杂曲面的数控代码的编辑，而通过Master GAM 9.0的数控仿真可以快速的形成较准确的数控代码，对代码稍加修改即可应用于数控机床的加工[9]。图9为模具数控仿真图。

图9　模具数控仿真图

5结束语

本文通过企业中常用的软件对模具进行处理，可快速提取曲面的设计参数，应用于模具的设计和加工。详细的叙述了模具逆向造型的过程，是现代设计中的一个重点。同时通过数控仿真软件对模具加工进行仿真，得到数控代码，最后直接应用于生产。该过程缩短产品开发周期的同时也提高了产品设计的质量，从而提高产品对于市场的快速响应能力。

参考文献

[1]姜宏.大尺寸复杂零件反求关键技术研究及应用[D].新疆:新疆大学,2012.

[2]王宏涛,周儒荣,张丽艳.现代测量方法在逆向工程数据采集技术中的应用[J].航空计测技术,2003,23(4):1-4.

[3]张舜德,卢秉恒,等.光学三维形面分区域与测量数据的拼接研究[J].中国激光,2001.28(6):533-536.

[4]仲小敏,王娟.基于RE技术在模具建模中的实例应用[J].模具技术，2013(4)50-54.

[5]林巨广,卞显虎.基于Geomagic和Catia软件的重卡保险杠拖钩门数模重建[J].机械,2012,39(4):6-10.

[6]高红卫.基于相位测量的不规则曲面重建与快速开发[D].南昌:南昌大学,2011.

[7]Che X, Liang X, Li Q. G1 continuity conditions of adjacent NURBS surfaces[J].Computer Aided Geometric Design,2005,22(4):285-298.

[8]Shi X, Wang T, Wang T, et al. Reconstruction of convergent G1 smooth B-spline surface[J]. Computer Aided Geometric Design,2004,21(9):893-913.

[9]张玉香,孟凡文,等.采用Imageware与CATIA的三维曲面重建与数控仿真加工[J].机电工程技术,2013,42(07):107-110.

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

通讯作者：徐卫平(1967-)，男，硕士，教授，贵州省贵阳市人，研究方向机械制造及其自动化。

作者简介：翟志超(1989-)，男，硕士研究生，山东省潍坊市人，研究方向为计算机科学与技术。

中图分类号：TG659

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)02-0030-04