基于三坐标测量机和3D扫描仪的凸轮高效逆向建模方法

收稿日期：20240409

作者简介：梁土珍，机械高级讲师，全国技术能手，主要从事计量检测、逆向工程技术、机械设计方面的研究。

摘 要：针对凸轮零件传统逆向建模准确度不高、设计周期过长，以及产品外观表面有缺陷逆向建模效果不佳等问题，提出基于接触式三坐标测量机（

coordinate measuring machines，

CMM）测量和非接触式3D扫描仪数据采集相结合的逆向建模方法。对凸轮零件所有特征使用非接触式3D扫描仪进行数据采集，对关键特征使用三坐标测量机进行测量，获取凸轮零件特征数据，将特征数据导入到UG软件中进行逆向建模，最后将逆向建模完成的凸轮进行精度分析。结果表明：该方法能够高效解决精度低、外观缺陷等逆向建模问题，为同类产品的开发提供参考。

关键词：凸轮；逆向建模；三坐标测量机（CMM）；3D扫描；精度分析

中图分类号：TH112.2

文献标志码：B

Efficient reverse modeling method for cam based on CMM and 3D Scanner

LIANG Tuzhen

（Guangzhou Electromechanical Technician College，

Guangzhou 510435， Guangdong， China）

Abstract： Aiming at the problems of low accuracy， long design cycle and poor reverse modeling effect of product surface defects in traditional reverse modeling of cam parts， a reverse modeling method based on the combination of contact （CMM） measurement and non-contact 3D scanner data collection is proposed. All features of cam parts are collected by non-contact 3D scanner， and key features are measured by CMM to obtain the feature data of cam parts. The feature data are imported into UG software for reverse modeling， and finally the precision of the reverse modeling is analyzed. The results show that this method can effectively solve the reverse modeling problems of high accuracy and appearance defects， and provide a reference for the development of similar products.

Key words： cam； reverse modeling；（CMM）；3D scanning； accuracy analysis

0 引 言

凸轮机构是一种高副机构，可以实现各种复杂的运动要求，被广泛应用于各种机械、仪表和操作装置中，具有结构简单、紧凑、工作可靠等优点。由于凸轮为高副接触（点或线），压力较大，在工作时所承受的载荷及工作环境等因素导致其容易发生磨损等现象，最终失效^［1］。凸轮作为机械设备中的核心部件，因此，快速、准确地对凸轮零件进行设计，对于保证产品加工质量至关重要，得到了相关研究人员的高度重视^［2］。

目前，国内很多研究人员对凸轮零件的设计进行了大量研究，一种是有凸轮零件的研究，另外一种是没有凸轮零件的研究。张玉峰^［3］基于UG的盘形凸轮参数化建模技术研究与实现，提出了根据给定的凸轮零件在运动过程中的运动规律，及推杆滚子等相关参数，推导出适合UG软件使用的表达式，然后在UG软件中进行建立表达式、绘制凸轮轮廓曲线、拉伸等操作，完成凸轮设计，这种就是没有凸轮零件的研究。该方法推导凸轮轮廓线复杂、周期长，而且在实际生产当中，除了厂家以外，设计者是不知道凸轮零件在运动过程中的运动规律，及推杆滚子等相关参数的，此研究方法研究效率低，成本高。夏田等^［4］反求工程在弧面凸轮中的应用，提出了使用3D激光扫描仪对凸轮进行3D扫描，Geomagic Studio软件自动拟合曲面，完成凸轮设计，这种是有凸轮零件的研究。但使用Geomagic Studio软件自动拟合曲面，曲面片过多，曲率不好，曲面质量不高，加上扫描仪精度比较低，对于精度要求高的凸轮，使用扫描仪这种方法是无法满足要求的。龚玉玲等^［5］船用凸轮外形轮廓线测量与建模的研究，提出了使用3D激光扫描仪对凸轮进行3D扫描，通过Imageware软件进行逆向建模、误差分析，完成凸轮设计，这种是有凸轮零件的研究。研究结果表明，其最大误差为0.071mm，对于精度要求高的凸轮，这种方法也是无法满足要求。

三坐标测量机（CMM）是一种高精度测量设备，测量精度高达1.8μm，被广泛应用于制造业机械零件检测中。本文作者提出基于接触式三坐标测量机测量和非接触式3D扫描仪数据采集相结合的逆向建模方法。通过企业真实凸轮零件验证了该方法的可行性，对凸轮零件所有特征使用非接触式3D扫描仪进行数据采集，对关键位置特征使用三坐标测量机进行测量，获取凸轮零件特征数据，然后进行逆向建模和精度分析等操作。此研究工作在具有认可资质的国家实验室开展，研究成果真实、具有说服力^［6］。

1 问题分析

逆向建模的一般流程为：①对产品实物进行数据采集，获取产品实物特征数据；②对特征数据导入到3D软件中进行逆向建模；③将逆向建模完成的3D模型数据进行精度分析。因凸轮零件是设备的核心零件，轮廓线复杂。一般对凸轮零件轮廓面、基圆等关键位置的尺寸精度要求比较高，它是直接实现各种复杂运动的关键，直接影响到产品的加工效率和质量。如果需要凸轮零件3D模型数据，就要对现有设备上使用的凸轮零件进行逆向建模。

很多研究者对凸轮逆向建模的过程是根据3D扫描数据，通过UG， Geomagic Studio， Imageware等软件进行逆向建模，最后在软件中选取几个关键特征位置进行误差分析，或者在3D比较图上标注几个误差小的关键位置来说明建模的误差是满足要求的，不需要对其他位置的尺寸重点关注。实际上逆向建模时，往往存在把关不全面以及检测分析不到位的问题，尤其是外观表面有缺陷或者高精度要求的产品。有时，虽然操作者对关键位置的尺寸进行了严格的把关，但对外观表面有缺陷的产品，比如某位置有磨损，目视是难以发现的。另外，一些研究者对产品分析不全面，对关键位置精度要求极高的产品，也使用精度较低的3D扫描仪进行数据采集，导致后续完成的逆向建模质量难以保证。这些问题是常常导致产品无法达到预期标准。

基于凸轮零件逆向建模准确度不高、设计周期过长，以及产品外观表面有缺陷逆向建模效果不佳等问题，本文提出了基于三坐标测量机和3D扫描仪的凸轮高效逆向建模方法。

2 攻关过程

2.1 凸轮分析

某企业设备改进需要核心凸轮零件3D模型，需要对现有设备上使用的凸轮零件进行逆向建模，如图1所示。根据客户研发要求可知，逆向建模完成的凸轮零件轮廓面、基圆等关键位置的尺寸误差要求在-0.01mm～+0.01mm内，凸轮零件轮廓面的曲率要光顺，其他位置的尺寸误差要求在-0.05mm～+0.05mm内。由于凸轮是在现有设备上拆下来的，已使用过，有些位置是有缺陷，而且精度要求高。

根据凸轮零件要求，凸轮零件的轮廓面、基圆等关键位置的尺寸精度要求较高。如果只用3D扫描仪进行3D扫描，然后进行逆向建模，目前3D扫描仪的最高精度也是0.01mm以上，对凸轮关键位置的尺寸是无法满足要求的。此凸轮除了轮廓面、基圆特征外，凸轮表面上还有其他槽、螺纹孔等特征，因为配合槽位置比较深，三坐标测量机由于测座尺寸原因出现干涉，无法正常测量，加上凸轮零件上特征比较多，如果全部使用三坐标测量机测量，需要的时间比较长。因此，采用3D扫描仪对凸轮零件所有特征进行数据采集，对关键位置特征使用三坐标测量机进行测量，因为三坐标测量机的测量精度可达1μm，能够满足精度要求。最后将3D扫描仪采集的数据和三坐标测量机采集的数据相结合，使用UG软件进行逆向建模。对于有缺陷位置的地方，使用三坐标测量机进行数据采集的时候要避开，以免影响后续逆向建模的质量。

2.2 3D扫描

在逆向工程中，对目标被测物体的表面轮廓进行测量，获取重建被测物CAD模型的3D形态点云数据是模型重建的基础，点云数据的精度是否满足要求是逆向工程设计的关键^［78］。所以本次凸轮零件3D扫描使用的设备是杭州中测科技有限公司生产的手持式激光扫描仪，如图2所示，其型号为：BYSCAN750LE， 14束交叉红色激光线，1束可单独工作的红色激光线，共15束红色激光线，还有5条平行蓝色激光线。该扫描仪采用多束交叉线激光扫描，扫描速度快；采用单束独立工作线激光，可扫描各种深孔和死角^［9］。蓝色平行线激光扫描，扫描细节度好，以上三种工作模式可以通过仪器按钮实时切换；且各种模式扫描数据在同一坐标系3D数据中，无需后期拼接；被扫描物体可以移动，无需固定；扫描精度：0.01mm+0.015L/1000mm，其中，L为被扫描零件最大尺寸，扫描软件是：Scan Viewer。获取凸轮零件特征数据主要分为3个阶段：准备阶段、数据采集阶段、数据处理阶段。

（1） 准备阶段。根据凸轮零件的颜色和手持式激光扫描仪设备功能，不需要喷显像增强剂。准备阶段主要工作内容为：①首先将设备连接上，保证设备、扫描软件能够正常运行；②根据手持式激光扫描仪设备操作作业指导书，标定设备；③使用无尘布将凸轮零件表面的灰尘擦拭干净；④对凸轮零件，粘贴反光标记点。在粘贴反光标记点的时候，要根据零件实际情况进行粘贴反光标记点，如果表面曲率变化较小，两个标记点之间距离可以适当大一些，如果零件特征较多曲率变化较大，可以适当减小距离，所贴标记点要随机分布，避免有规律排布，如图3所示。

（2） 数据采集阶段。在对凸轮零件3D扫描前，需要根据凸轮零件设计要求设置扫描参数，由于解析度值越小，点云越密集，数据量越大，扫描速度变慢，物体细节越好；解析度值越大，点云越稀疏，数据量越小，扫描速度变快，物体细节较差，所以本次凸轮零件解析度值设置0.20mm，曝光选择自动曝光，精扫等级选择高，扫描控制勾选激光面片，扫描设置勾选深孔模式、速度优先，采用蓝光扫描模式，其他选择默认，然后开始扫描。扫描激光面片时，要注意扫描仪的角度和扫描仪与凸轮零件的距离，平稳移动扫描仪，使用激光将空白位置数据采集完全即可。扫描完成后点击停止，软件开始处理所扫描的数据，等待数据处理完成，激光面片扫描结束。

（3） 数据处理阶段。根据扫描完成的数据选择网格化，网格化的目的是将点云数据进行封装，使之变成面。扫描的时候，由于粘贴了标记点，或者一些位置扫描不到，出现洞口，需要补洞。选择补洞命令，软件根据洞周围曲面的曲率进行填充，接着选择简化、细化、去除特征、砂纸等命令对凸轮零件其他位置进行一系列操作，使得网格数据更加完整，方便后续逆向建模。数据处理完成后，将凸轮零件数据保存成.stl格式，处理完成的凸轮零件3D扫描数据如图4所示。

2.3 三坐标测量机测量

本次使用的是杭州博洋科技有些公司三坐标测量机，型号：BQM1086RH，测量软件：Rational DMIS，探测误差：1.1μm，示值误差：（1.8+L/330）μm，其中L为被测零件尺寸，测量范围 X=800mm， Y=1000mm， Z=600mm， 测头为扫描测头，旋转式测座^［10］。

使用三坐标测量机测量凸轮零件精度要求比较高位置尺寸，测量时要避开有缺陷的地方。如图5所示，使用三坐标测量机的自动扫描功能，直接扫描凸轮零件内轮廓、外轮廓、孔1、孔2关键位置的尺寸，0.5h即可完成。如果用三坐标测量机采用手动测点的方法测量至少要2h，且手动测量测点分布不均匀，每次测量力不一样，导致最后拟合成曲线的误差较大。如果使用3D扫描仪进行3D扫描，快是快，但是不能够满足精度要求，对深孔、小孔，激光进不去，也是无法准确采集到数据的。所以对凸轮零件内轮廓、外轮廓、孔1、孔2等关键位置的尺寸，采用三坐标测量机自动扫描进行测量，然后在Rational DMIS软件中拟合生成曲线、平面等，三坐标测量机测量得到的曲线、平面如图6所示。

2.4 逆向建模

2.4.1 建立坐标系

将3D扫描完成的数据导入到UG软件中，建立3D扫描数据的坐标系1。用同样的方法，将三坐标测量机测量得到的曲线、平面数据导入到UG软件中，建立坐标系2。将坐标系2中三坐标测量机测量得到的曲线、平面数据导入到坐标系1中，匹配两个数据，如图7所示。

2.4.2 逆向建模

使用UG相交曲线等命令提取3D扫描的凸轮零件轮廓线，然后分别对三坐标测量机测量的凸轮零件外轮廓线和3D扫描的凸轮零件外轮廓线进行曲线分析，分析曲线曲率质量。如图8所示。由图可知：三坐标测量机测量的凸轮零件外轮廓线曲率比3D扫描的凸轮零件外轮廓线要光顺，更能反应出凸轮理论运动规律，所以在逆向建模时，优先选用高精度设备测量的数据，尽量逼近所测量的数据去建模，保证建模质量。再使用圆、投影曲线、拉伸、边圆角、修剪体等命令创建凸轮零件其他特征，如图9所示。在逆向建模过程中每做完一个特征要进行测量分析，保证建模的质量。

3 精度分析

为了确保凸轮零件逆向建模的质量，需要对逆向建模完成的凸轮零件3D模型数据进行精度分析。3D偏差图能清晰地反映各位置的偏差情况，将逆向建模完成的凸轮零件3D模型数据和3D扫描模型数据导入到Geomagic Control X软件中进行3D比较，Geomagic Control X软件可以实现零件的CAD设计模型和产品制造件的偏差分析^［1113］。如图10所示，3D图绝大部分都是绿色，表明逆向建模完成的模型数据在误差范围内，个别边角、拐角位置显示黄色、红色是因为凸轮零件本来有磨损，导致出现的误差，不影响凸轮建模的质量。

对凸轮零件的轮廓面关键位置进行截面2D比较，如图11所示，详细分析轮廓线的误差。由图可知，98.4845%轮廓面的尺寸误差在-0.01mm～+0.01mm范围内，结合凸轮零件实物可知，凸轮零件上有一道划痕的缺陷，导致数据拟合误差，所以凸轮零件轮廓面关键位置的逆向建模是满足要求的。同时也说明，对高精度要求的关键位置，应采用接触式三坐标测量机进行测量，以保证数据采集的质量。

对于凸轮零件其他特征，如图12所示，采用比较点的方式进行精度分析可知，每个特征位置的建模误差情况，以便查漏补缺。保证每个特征逆向建模都是满足要求的，避免其他特征建模误差过大，和其他零件装配不上或者出现装配干涉等情况。根据比较点精度分析图，可知逆向建模得模型数据都在合格范围内。

根据3D比较、2D比较、比较点，并结合凸轮零件实物对逆向建模完成的凸轮零件3D模型数据进行精度分析，结果表明：逆向建模完成的凸轮零件3D模型数据处于精度要求范围之内，满足设计要求。

4 结束语

（1） 基于逆向工程技术，综合利用接触式三坐标测量机和非接触式3D扫描仪相结合进行数据采集，对高精度要求的关键位置特征使用三坐标测量机进行测量，其他特征使用非接触式3D扫描仪进行数据采集，获取凸轮零件特征数据，再结合UG软件高效实现了凸轮零件的逆向建模，建立高精度的模型数据。

（2） 使用Geomagic Control X软件进行3D比较、2D比较、比较点进行偏差分析，结果表明：逆向建模完成的凸轮零件3D模型数据均处于精度要求范围之内，满足设计要求。

本文提出的逆向建模方法，能高效解决产品外观表面有缺陷的高精度机械零件逆向建模效果不佳的问题，对具有相似情况的产品的逆向建模提供了参考。

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