Geomagic Design X的逆向面片数据建模创新设计

马丽芳

(兰州石化职业技术学院机械工程学院，甘肃 兰州 730060)

0 引言

随着数字技术的到来，机械设计制造领域进入了一个全新阶段，人们对产品个性化需求越来越明显，随之产品生命周期也大幅缩短，更新换代更加频繁。这就要求从设计研发到推出产品时间大大缩短。传统的设计方法己经不能满足工业设计要求，因此逆向工程顺势而生。逆向工程是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，按照现有零件的实物模型(或称为零件原形)，利用各种数字化技术及CAD技术重新构造零件CAD模型的过程[1]。而Geomagic Design X是一款可以让用户利用3D扫描数据创建完全参数化CAD模型的软件，该软件运用新开发的CAD建模技术完善了面片建模与NURBS曲面功能，并且提供了可以利用3D扫描数据创建参数化CAD模型的多种工具，解决了现存3D扫描数据的限制问题。这些功能相结合，可以具有创建基础特征和自由特征的参数化CAD模型。逆向工程作为一种新型的产品设计方法在吸收国内外的先进制造技术、缩短产品的开发周期以及降低生产成本等方面发挥着重大作用[2，3]。本文结合某新型数字化铸造件的研发过程,通过逆向设计,具体介绍了零件的塑形及数据测量、数据预处理、曲面重建，分析了整个设计流程,并最终得到了具备良好人机功效的零件实体。

1 3D扫描数据处理

本例采用的是北京博维恒信科技的3DCa Mega光学三维扫描系统。该系统将可见光光栅条纹投影到待测物体表面，由CCD同时拍摄并得到条纹和色彩图像并输入到计算机中，三维图像反求软件根据条纹按照曲率变化的形状，利用相位法和三角法等精确地计算出物体表面每一点的空间坐标(X,Y,Z)，生成三维的可输出色彩信息(R,G,B)的彩色面点云数据，如图1所示，利用逆向Geomagic Design X软件对三角面片特征领域进行分割，得到如图2所示的面域组。

图1 面片3D点云数据

图2 面片数据面域分割

2 创建草图和拉伸特征

选择工具栏上的“面片草图”按钮，进入面片草图模式，将前基准平面的偏移距离设置为5 mm，根据断面多段线创建矩形草图，利用面片创建草图轮廓，拉伸草图创建基础实体1。同理，利用草图和拉伸工具创建另一个实体2。一个是标注为1的区域，另一个是标注为2的区域，如图3所示。

图3 面片数据创建的拉伸实体模型

3 创建旋转特征

利用面片创建草图轮廓，在使用合并选项的情况下旋转草图，创建旋转特征，并将其添加到基础实体上。而创建圆锥特征需一条圆锥轴线1，点选工具栏上的参照线或选择插入参照几何形状线，将方式设置为检索圆锥轴，选择圆锥特征领域。使用相同的方法，利用检索圆锥轴方式从圆锥特征领域创建一条参照线2。创建参照平面，将方式设置为选择点和共面轴，选择线1作为要素，选择过滤工具栏中的“过滤单元顶点按钮”，在圆锥区域选择一个点，进入面片草图模式创建草图，将旋转方式设置为两方向，角度设置为100°和90°。同样的方法旋转生成圆柱2，如图4所示。

4 添加圆锥特征

图4 面片数据创建旋转体

利用面片创建草图轮廓，在使用合并选项的情况下拉伸草图，创建特征并将其添加到基础实体上，如图5所示。

图5 添加圆锥特征

5 添加圆角

从实体上点选边线，选择从“面片上估算半径”按钮。应用程序将自动从面片上提取半径并显示合适的圆角半径值，添加半径为12 mm的圆角，使用相同的方法，在剩下的边线上添加半径为10mm的圆角，如图6所示。

图6 添加圆角

6 误差分析

利用Geomagic中曲面偏差分析对生成的曲面进行误差分析[4-6]，将生成实体与原始点云面片数据进行偏差分析，得到偏差色谱图，如图7所示。通过面片数据点对比分析，得到数据最大上偏差为4.98 mm，最大下偏差为-4.98 mm，平均偏差为0.19mm，标准偏差为0.22mm。从图中可以看出模型整体上处于平均偏差内，满足精度要求。

图7 偏差分析

8 结语

利用非接触式光学扫描仪和Geomagic studio X逆向软件对某模型零件进行了逆向建模，得到模型的三维数字化CAD模型。通过与原始的三维数据进行偏差分析，可以发现平均偏差为0.19mm，标准偏差为0.22mm，满足精度要求。验证了Geomagic逆向软件对于构建复杂曲面和解决正向设计在复杂曲面中缺陷的可行性。文中采用的研究方法，能够快速、高效完成实物建模和分析，可以为逆向研究及Geomagic的应用提供有价值的参考。