基于Geomagic studio和DesignX 的端盖逆向设计

赵明炯 许鹏宇 江萍

摘要：随着技术的发展，机械零件结构逐渐变得复杂，不便测量，本文以简单的端盖零件为研究对象，运用三维扫描仪获取零件点云数据，然后利用Geomagic studio软件对点云进行处理并封装三角面片，再运用Design X对三角面片进行逆向设计，并与原始点云比对分析，获取端盖零件三维模型，详细介绍了零件逆向设计过程，利用这种方法较好地缩短产品的研发周期。

关键词：端盖;数据采集;点云处理;逆向设计;Design X

中图分类号：TH16                                        文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）08-0028-02

0  引言

逆向设计是将实物或手工模型转化为3D模型的过程，已经在现代加工企业产品的开发设计中广泛应用，尤其对于汽车覆盖件、摩托车油箱盖等复杂曲面零件的设计很有用，因为其产品形状和尺寸是无法描述的[1]。本文以端盖为研究对象，利用Geomagic studio软件对三维扫描仪采集大量的坐标点，进行点云处理，再利用DesignX软件逆向设计CAD模型，利用这种方法较好地缩短产品的研发周期。

1  基于Geomagic studio的数据处理

1.1 点云数据获取

①分析端盖的形状和结构特点，标志点尽量粘贴在平面区域或者曲率较小的曲面上，且距离工件的边界。

②标志点不要粘贴在一条直线上，且不要粘贴对称。公共标志点至少为4个，但因扫描角度等原因，一般建议5-7个为宜;标志点应使相机在尽可能多的角度可以同时识别到。本零件贴标志点的思路为：扫描正面的标志点和转盘的标志点，扫描出正面的标志点（至少4个），再通过转盘的标志点带出底面的公共标志点。

③进行扫描，获取完整的端盖点云数据。利用工业橡皮泥将零件竖立固定，调整零件的倾斜角度，在扫描仪相机预览窗口中观察，正面与转盘面的标志點同时被相机排到即可，扫描正面并同时获取转盘面的标志点。转盘转180°，利用转盘面的标志点作参考扫描出底面，在扫描仪相机预览窗口中观察，底面与转盘面的标志点同时被相机排到即可，扫描底面。这步操作主要目的是利用转盘面的标志点，扫描出零件正面和底面的标志的，然后可以利用这些标志的，分别完成零件正面和底面的特征扫描，并删除转盘上的标志点。为了便于后续点云数据的处理，可用工业橡皮泥垫起零件进行扫描。接着对处理好的端盖零件每次旋转90°扫描，完成正面与侧面的扫描;零件翻面，删除转盘上的标志点，依旧每次旋转90°，完成底面与侧面扫描，最后对点云数据拼接，获取零件的点云数据。

1.2 点云数据处理

①为了更加清晰、方便的观察点云的形状，将点云进行着色。 选择菜单栏【点】【着色点】。

②删除零件外的点。为了方便观察点云数据，可设置旋转中心并配合放大、缩小或旋转功能进行操作。在操作区域点击鼠标右键，选择“设置旋转中心”，在点云适合位置点击。

选择工具栏中【套索选择工具】，勾画出端盖的外轮廓，点云数据呈现红色，点击鼠标右键选择“反转选区”，选择菜单【点】【删除】或按下Delete键。

③体外孤点处理。选择菜单栏【点】【选择】【非连接项】按钮，在管理器面板中弹出 “选择非连接项”对话框。在“分隔”的下拉列表中选择“低”分隔方式，这样系统会选择在拐角处离主点云很近但不属于它们一部分的点。“尺寸”按默认值5.0，点击上方的 “确定”按钮。点云中的非连接项被选中，并呈现红色。选择菜单【点】【删除】或按下Delete键。

选择菜单【点】【选择】【体外孤点】，在管理面板中弹出 “选择体外孤点”对话框，设置“敏感度”的值为默认值，也可以通过单击右侧的两个三角号增加或减少“敏感度”的值，单击应用按钮。此时体外孤点被选中，呈现红色。选择菜单【点】【删除】或按Delete键来删除选中的点。（此命令操作2—3次为宜。）

④减少噪音。选择菜单【点】【减少噪音】，在管理器模块中弹出 “减少噪音”对话框。选择“自由曲面形状”，“平滑度水平”滑标到2。“迭代”为5，“偏差限制”为0.05mm。

⑤封装。执行“封装”命令，将点云数据转化为面片形式，封装如图1所示。

1.3 面片处理

封装后的模型面片，是不够光顺，需要对面片模型进行修补处理，利用“网络医生”工具对封装生成不规则的三角面片进行修补，再用“补洞”工具将三角面片的缺口、孔洞进行补齐，然后运用“删除钉状物”、 “快速光顺”、“去除特征”和“砂纸”等工具对三角面片处理，使其完整，最后另存为“端盖”，文件类型选择“*.stl”。

2  基于Geomagic Design X逆向设计

2.1 逆向建模

2.1.1 导入模型

在菜单栏中执行“插入”、“导入”命令，选择文件“端盖.stl”进行导入模型。

2.1.2 模型摆正

①创建参考平面和参考线。运行“领域组”命令，更改选择模式为“延伸至近似部分”，然后在模型底平面选3～4个区域，单击“插入新领域”命令，此时就生成了领域1，同样的操作，选择圆柱的3～4个区域，单击“插入新领域”命令，生成领域2，在创建领域结束后需更换选择模式为 “矩形选择”，便于后续操作。

执行“参考平面”命令，弹出“追加参考平面”对话框，方法选择“提取”，在模型中选择上一步骤中的领域1，单击“预览”，绘图区将预显平面1，单击“√”，生成参考平面1。然后执行“参考线”命令，弹出“追加参照线”对话框，方法选择“检索圆柱轴”，在模型中选择领域2，单击“预览”，绘图区将预显参考线1，单击“√”。

选择“面片草图”命令，弹出“面片草图的设置”对话框，基准平面选择“平面1”，在图上拖动改变轮廓投影范围的箭头，找到合适的草图平面，单击“√”。进入绘制草图状态，隐藏面片后选择“圆”和“直线”命令，画出草图，单击“√”，打开显示面片。

②模型坐标对齐。由于模型文件自身的坐标系与当前软件的坐标系不一致，两者坐标不重合，利用系统坐标平面切割模型所得到的截面轮廓，是不正确的，是无法创建正确的草图，因此需要对模型进行坐标对齐操作，选择“手动对齐”命令，弹出“手动对齊”对话框，移动实体为“端盖”，单击下一阶段，对齐方式选择“3-2-1”对齐，“位置”选择“平面1”和“线l”两项，“Z轴”选择线l，“点”选择草图1中线的端点，单击右下角的“√”，完成模型对齐操作后，输出一个对正的“端盖对正.stl”文件。

2.1.3 零件建模

①零件主体建模。选择“面片草图”命令，弹出“面片草图的设置”对话框，选择基准平面是“右”，隐藏面片则可以看到显示的断面轮廓，选择“自动草图”命令，框选断面轮廓，画出草图，对不符合零件的地方做出修改，然后使用“直线”命令，做出旋转轴，单击右下角的“√”，完成草图1。选择“回转”命令，轮廓选择“草图环路1”，轴选择“曲线1”，单击“√”，完成零件主体建模。

②孔的逆向建模。选择“面片草图”命令，弹出“面片草图的设置”对话框，选择基准平面为“平面1”，调整切割平面，显示合适建模的断面轮廓.选择“自动草图”命令，框选断面孔的轮廓，画出草图，用游标卡尺测量孔径的尺寸，对不符合零件的地方做出修改，单击“√”，完成草图2。选择“拉伸”命令，轮廓选择草图2，运算结果为“切割”，单击“√”。

③生成槽。选择“面片草图”命令，弹出“面片草图的设置”对话框，选择基准平面为“平面2”，显示断面轮廓，画出草图。对不符合零件的地方做出修改，单击“√”，完成草图3。选择“拉伸”命令，轮廓选择草图3，运算结果为“切割”，设置完成后，单击“√”。注意零件的关键尺寸，需要用游标卡尺测量获取准确的数据。

④修整模型。选择“圆角”命令，弹出“圆角”对话框。在已生成的实体上选择要倒圆角的边，选择由面片估算半径，将计算的半径值调整为整数，单击“√”。选择“倒角”命令，对零件锐边倒角，完成零件的逆向设计。

2.2 模型对比

显示面片，显示实体，打开“Accuracy Analyzer”对话框，选中“体偏差”单选按钮，观察与原模型对比的误差。如果有大面积严重偏差，则需要修改模型，也可以在逆向设计过程中不断与面片对比，边建模边修改。对比模型数据分析结果，本零件逆向设计尺寸符合要求，结果如图2所示。

3  结论

随着科技的发展，新技术越来越多应用到了逆向工程。本文以端盖零件为例进行逆向建模，详细介绍了扫描仪获取点云数据，Geomagic studio对点云处理，然后封装获取模型的三角面片，再运用Design X 对三角面片进行逆向建模，并进行公差分析，符合逆向设计要求。为工业件的逆向设计提供了参考。

参考文献：

[1]姜通通，李居峰，潘碧琰.逆向工程基于Geomagic Studio和UG的应用[J].计量与测试技术，2018，45（3）：33-36.

[2]李志彦.基于Geomagic Studio的点云数据处理与三维建模技术[J].信息技术，2019，21：13-14.

[3]靳峰峰，屈科科，唐光胤，马骊隆.基于Geomagic wrap和 DesignX 减速器箱体逆向设计[J].2020，6：21-22.