基于Geomagic软件的凸轮轴逆向设计及检测分析

摘 要：探讨了3D扫描技术在凸轮轴逆向设计中的应用，针对凸轮轴的特殊结构和复杂形状，提出了一种基于Geomagic软件的凸轮轴逆向设计方法。该方法首先利用3DScanGO Laser复合式扫描仪全面扫描凸轮轴，获取精确的几何形状和尺寸数据；随后，使用Geomagic Wrap软件处理扫描数据，并利用Geomagic Design X软件重构凸轮轴的三维模型；最后，通过PolyWorks软件对重构的凸轮轴三维模型进行检测与分析。

关键词：3D扫描；数据处理；模型重构；模型检测

中图分类号：TP391.7

文献标志码：B

Reverse design and inspection analysis of camshaft based on Geomagic software

SUN Ben， MIAO Zhuangzhuang， YANG Haixia*

（Wuxi Institute of Technology， Wuxi 214121 Jiangsu， China）

Absrtact： In this paper， the application of 3D scanning technology in the reverse design of camshafts is discussed， and a reverse design method of camshafts based on Geomagic software is proposed for the special structure and complex shape of camshafts.In this method， the camshaft is scanned with a 3DScanGO Laser composite scanner to obtain accurate geometry and dimensional data， then the scan data is processed by Geomagic Wrap software， the 3D model of the camshaft is reconstructed by Geomagic Design X software， and finally the 3D model of the reconstructed camshaft is inspected and analyzed by PolyWorks software.

Key words：3D scanning; data processing; model refactoring; model detection

0 引 言

随着工业制造技术的不断发展和进步，逆向工程作为一种重要的技术手段，被广泛应用于产品设计、制造和检测等领域。凸轮轴作为内燃机等机械设备的关键零部件之一，其设计和制造的质量直接影响到发动机的性能和稳定性。因此，凸轮轴的设计和检测工作显得尤为重要。

本文以某型号凸轮轴为例，首先使用3DScanGO Laser复合式三维扫描仪对凸轮轴进行了三维扫描，获取实物的精确几何表面信息并生成点云数据；然后借助Geomagic Wrap软件对点云数据进行处理，生成完整、高精度的凸轮轴面片模型；随后，通过Geomagic Design X软件，将面片模型转换为可编辑的三维模型，为后续的设计和优化提供可操作的几何数据基础；最后，采用PolyWorks软件对建立的三维模型进行检测分析，以验证逆向重构的精度。

1 三维数据采集

采用华中科技大学无锡研究院生产的3DScanGO Laser扫描仪，设备采用线结构光进行扫描，是一种利用双目视觉原理来获得空间三维点云的仪器。在工作时借助于扫描当前帧的标记点与标记点库进行匹配，从而获得扫描仪和被测物体的空间位置，并通过激光发射器发射激光，照射在被扫描工件表面，再由相机捕捉反射光，经计算得到工件的外形数据。

1.1 贴标志点

根据扫描仪的工作原理，在凸轮轴的表面贴上反光标志点，标志点的粘贴位置应避免沿着一条直线排列，并且也要避免贴在工件的边界处，确保在拼合扫描时，每个面至少有4个公共标志点，凸轮轴标志点粘贴如图1所示。

1.2 工件扫描

将贴好标志点的工件放在和扫描仪适配的转台上，观察标志点位置，并调整工件的摆放位置，保证每次扫描都有至少4个公共标志点，如图2所示。

首先将工件和转台上的标志点全部扫描出来，选中转台上的所有标志点作为背景标志点。

然后开始扫描工件，可旋转转台来扫描各个方向的工件表面，旋转转台时需暂停扫描仪的扫描，防止影响工件的扫描数据。扫描结束后，将扫描出的数据保存并新建项目，将工件翻面，保证至少4个公共标志点后，再次扫描并保存数据。

1.3 标志点拼合

获取3份点云数据后，用扫描软件中的标志点拼合功能将3份点云数据拼合成一份，完成的凸轮轴点云数据，如图3所示。

2 点云数据处理

首先打开Geomagic Wrap软件，导入保存的点云文件，采样比率100%，单位：mm。点击着色点，观察其几何形状。

2.1 删除体外孤点

在使用体外孤点检测命令时，将敏感度设置为85%即可。敏感度越高，选择的体外孤点数量就会增加，反之则减少。点击“应用”后，在右侧视图中，被选中的体外孤点会变为红色。可以通过点击“Delete”键来删除这些体外孤点。若在操作后没有数据变为红色，说明在这次操作中已没有符合该敏感度要求的体外孤点。

2.2 删除非连接项

使用非连接项命令，数值默认即可，点击确定。被选中的非连接项数据将会变红，然后点击Delete键删除。非连接项命令能够识别出与数据主体没有相连接的点云数据。

2.3 减少噪音

在执行减少噪音命令时，将迭代次数设定为4次，偏差限制值设定为0.04mm。执行操作后，点击应用按钮。被选中的数据将变为红色，可使用Delete键将其删除。“减少噪声”命令能够将误差点调整到正确位置，修正扫描仪误差，并使数据排列更为平滑，如图4所示。

4.4 封装

使用封装命令使点云数据转变为更为清晰可见的面片数据，其由多边形网格面组成，使其能更为方便地调整扫描数据的三维数据，如图5所示。

2.5 网格医生

使用“网格医生”命令，面片上出现的红色区域是小孔洞，点击“应用”，小孔洞将被填补上。“网格医生”可以自动识别并修复多边形网格内的缺陷。同时，通过使用“填充全部孔”命令，可以使其成为完整的模型。

2.6 锐化向导

使用“锐化向导”命令后，点击“计算”，然后调整图形，使相邻的两个面被红色锐化线分开。调整完毕后，点击“抽取”，再点击“下一步”。接着，对锐化线进行调整，确保锐化线能够准确覆盖模型需要锐化的部分，同时，在缺少的地方进行补充，多余的部分进行删除。完成调整后，点击“下一步”。

根据图形调节延伸因子，若有锐化线相近的情况，将延伸因子设置为0.2左右，否则使用默认值即可。点击“延伸”，然后点击“下一步”，此时可调整锐化范围（一般情况下不需要调整）直接点击“下一步”。接着点击“更新格栅”，再点击“锐化多边形”，此时数值保持默认即可，待锐化成功后，继续操作，如图6所示。

3 三维模型重构

Geomagic Design X是一款功能强大的逆向工程软件，它能够快速而准确地将实物物体的扫描数据转换为CAD模型。该软件具有自动化处理功能，可高效处理大量的扫描数据。

3.1 分割领域

首先，打开Geomagic Design X软件，并导入保存的面片模型文件。使用“领域模块”命令，点击“自动分割”，对面片模型进行分割，保持其他设置为默认，然后点击“OK”，等待分割完成。

接下来，调整已完成分割的领域面片。选择同一表面的领域，按住Shift键，用鼠标左键选择领域，然后点击菜单栏中的“合并”，将两个或多个领域合并为一个。再点击“分割”，选取面片模型作为分割对象，用鼠标点选两个点来划分一条分割线，将一个领域分成两个，点击“OK”完成分割。此时左侧导航栏将显示“领域组1”。

3.2 建立草图

使用草图命令，在菜单栏点击“面片草图”，选择凸轮轴面片的侧边平面，然后拖动矢量箭头，使图上可以展示一个较为完整的轴的圆形草图，找到合适的位置后，点击“OK”完成。接着，在菜单栏点击“自动草图”，将之前生成的粉色草图变为可编辑的蓝色草图，完成草图选择后点击“OK”，最后点击菜单栏中的“退出”，如图7所示。

3.3 模型拉伸

选择菜单栏上方的模型模块，点击菜单栏中创建实体区域中的“拉伸”，基准草图为“草图1（面片）”，方向中的方法为“到领域选择要拉伸到的平面领域，点击“OK”，模型创建完成。

再次选择一个相邻平面，创建后一区域草图，创建“草图2”对其进行拉伸操作，生成模型。对第二个拉伸出来的模型，在拉伸中的结果运算区域选择“合并”，重复上述步骤，创建并合并每个区域的模型，使凸轮轴的轴向特征全部表达出来，如图8所示。

4 模型检测与分析

PolyWorks是InnovMetric软件公司开发的专业三维测量和逆向工程软件，它能够提供直观的数据、可视化工具和报告生成功能，辅助用户实时查看和分析三维数据，并生成详细的报告和文档。

4.1 导入模型数据

打开PolyWorks软件，进入到Inspector Premium界面，为检测做好准备，点击“输入”，输入三角化模型，选中已保存的模型文件，参数对象为“毫米”，名称为“对齐组1”。点击“输入”，输入CAD模型，选中“凸轮轴”模型文件，导入即可。

4.2 对齐

选择对齐，选择最佳拟合数据至参考对象，数值为默认即可。

4.3 生成数据色谱图并注释

点击“数据彩图”，选择数据对象至参考对象曲面的偏差，其余数值默认。将最大距离设定为2mm，点击“确认”生成色谱图。在数据彩图中，点击“创建点注释”，以不同颜色区分。首先选择出现最大误差的两种颜色并加以注释，然后再选择其他9点进行注释，尽量包含各种颜色，如图9所示。

4.4 生成偏差数据报告表格

点击“报告”，点击“创建表格”，点击“从当前数据的所有彩图点注释”，生成上述注释点的偏差数据，如表1所示。

4.5 数据分析

根据以上11组数据的偏差计算，得到的平均偏差为0.61mm。在选择标注点时，多选取了偏差较大且靠近每个面边缘的点，整体区域更倾向于颜色较深的绿色，即误差低于0.25mm。因此，整个零件的平均偏差相对较低，表明逆向设计的模型与实际扫描得到的完好凸轮轴工件的契合度较高。

5 结 论

本文以某型号凸轮轴为样本，通过综合应用多种软件工具，实现了凸轮轴的逆向重构，并验证了其精度和可靠性，为后续复杂零件逆向设计的研究和实践提供了借鉴，本文得出以下几点结论。

（1） 在逆向设计过程中，结合扫描软件ScanViewer和3DScanGO Laser系列复合式三维扫描仪对凸轮轴进行三维扫描，可以获得精确的实物几何表面信息，并生成可靠的点云数据。

（2） 使用Geomagic Wrap软件处理获得点云数据是关键的一步。通过这一步骤，可以生成完整且高精度的凸轮轴面片模型。

（3） 借助Geomagic Design X软件可以快速将面片模型转换为可编辑的三维模型，从而为后续的设计和优化提供精确的可操作的几何数据。这种转换可以为人们提供更直观、更高效的工作方式。

（4） 使用PolyWorks检测软件对建立的三维模型进行检测分析能够准确评估逆向设计的精度，并生成差值报告。

参考文献：

［1］奚陶，姚璐，龙婵娟，等.基于Geomagic Studio的复杂曲面重构［J］.蚌埠学院学报，2023，12（02）：68-70.

XI T， YAO L， LONG C J， et al.Complex surface reconstruction based on Geomagic Studio ［J］. Journal of Bengbu University， 2023，12（02）：68-70.

［2］邵双运.光学三维测量技术与应用［J］.现代仪器，2008（03）：10-13.

SHAO S Y. Optical 3D measurement technology and applications ［J］. Modern Instruments， 2008（03）：10-13.

［3］郭章，邓海峰.基于Geomagic的叶片产品逆向建模研究［J］.现代机械，2023（03）：71-74.

GUO Z， DENG H F. Research on reverse modeling of blade products based on Geomagic ［J］. Modern Machinery， 2023（03）：71-74.

［4］刘杰.基于Geomagic逆向工程软件的机械零件建模与分析［D］.石家庄：河北科技大学，2022.

LIU J. Modeling and analysis of mechanical parts based on Geomagic reverse engineering software ［D］. Shijiazhuang Hebei University of Science and Technology， 2022.

［5］裴尧.基于再设计的复杂零件重构及检测［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2017.

PEI Y. Reconstruction and detection of complex parts based on redesign ［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2017.

［6］林欢.基于逆［D］.西安：陕西科技大学，2013.

LIN H. Based on inverse ［D］. Xi’an Shaanxi University of Science and Technology， 2013.

［7］陈龙.基于逆向工程的失效模具快速修复方法及数值模拟［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2018.

CHEN L. Rapid repair method and numerical simulation of failed molds based on reverse engineering ［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2018.

［8］汝春波，郑景景.基于Geomagic Design X的汽车零部件逆向建模研究［J］.汽车电器，2023（12）：21-24，27.

RU C B， ZHENG J J. Research on reverse modeling of automotive components based on Geomagic Design X ［J］. Automotive Electrical， 2023（12）：21-24，27.

［9］张宏伟.基于Geomagic Studio的沙滩车覆盖件快速曲面重建［J］.内燃机与配件，2021（18）：38-40.

ZHANG H W. Rapid surface reconstruction of beach car coverings based on Geomagic Studio ［J］. Internal Combustion Engine and Accessories， 2021（18）：38-40.

［10］曹晓兴.逆向工程模型重构关键技术及应用［D］.郑州：郑州大学，2012.

CAO X X. Key technologies and applications of reverse engineering model reconstruction ［D］. Zhengzhou： Zhengzhou University， 2012.