基于Geomagic和UG的逆向工程造型与制造应用.docx

1、基于Geomagic和UG的逆向工程造型与制造应用: chinaj ou l n . cn E l rna. l n et . cn ! 作者简介:吴迎春(1974#, 男, 江苏宜兴人, 讲师, 硕士, 研究方向:CAD /CAM /CAE。基于Geo m ag i c 和UG 的逆向工程造型与制造应用吴迎春(无锡工艺职业技术学院机电工程系, 江苏宜兴214200摘 要:介绍了逆向工程的应用及工作过程。以卡通塑像蜡笔小新为例, 利用三维激光扫描仪测出其点云数据, 使用G eomag ic 软件进行扫描数据处理、点云和多边形编辑, 创建网格及生成NURBS 曲面, 然后利用UG 软件的曲面功能

2、生成实体模型, 最后运用UG 加工生成了模型的粗、精加工刀轨, 实现了复杂人物塑像由实物到CAD 模型直至数控加工的完整的逆向工程, 提高了产品设计制造的品质。关键词:逆向工程; 激光扫描; G eo m ag i c ; U G中图分类号:TH 164 文献标志码:B 文章编号:1671 5276(2010 05 0120 02M odeling andM anufacture of Reverse Engineering Based on G eo magic and UGWU Y i ng chun(Depart men t o f Mechan ica l and E l e c tr

3、ica l Eng i n ee ring , W ux i I nstit u t e o f A r t&Te chno logy , Y ixing 214200, Ch i n a Abstrac t :Appli c ati o n and w ork process of reverse engineering are present ed in t he paper . For exa mp l e , Point data o fC rayon Sh i nchan stat ue is measur ed by us ing t hree dm i ens ional l a

4、 ser scanner , scan dat a is processed , point c l o ud and polygon are edit ed , grid ding and NURBS surf ace are f ound by G eo m agic soft ware , and then entit y m old is c r eat ed by surf ace module i n UG , fi n ally rough and finish machini n g cutt er track ofmode l is bu iltby UG m achinin

5、g module , I ntegrat ed reverse engineering is reali z ed fro m ob j e ct t o CAD model till CNC machining end o f comp l e x charac t er s t atue , product quality o f des ign and manuf ac t ure can be m i proved .K ey word s :r everse engineering ; laser scan ; Geo magic ; UG0 概述在由工业经济时代迈向知识经济时代的进

6、程中, 制造业间的竞争特征也已经从竞争自然资源向竞争创新%转变, 产品的快速设计、创新设计、开发能力成为决定企业兴衰的重要因素。逆向工程正是实现这种技术创新的现代技术方法。逆向工程是用一定的测量手段对实物或模型进行测量, 根据测量数据采用三维几何方法重构实物的CAD 模型的过程。逆向工程主要应用于已有的零件的复制, 或者是损坏、磨损件的高精度复原, 数字化模型检测等。逆向工程重新制造零件产品的过程主要由三个阶段组成, 第一个阶段称为数据获取, 由接触式或非接触式数据采集方法测量零件, 得到被测零件的点云数据; 第二个阶段称为数据后处理过程, 它是利用逆向软件和三维造型软件处理零件的点云数据,

7、进行数据分块与曲面重构, 构造零件的CAD 模型; 最后一个阶段是快速原型, 它根据零件的CAD 模型, 利用快速成型机或数控机床快速制作实物。现主要论述在使用三维激光扫描仪得到复杂人体模型数据基础上, 运用G eo m ag i c Stud i o 软件进行数据处理、生成曲面, 并在UG 生成实体模型进行CAM 加工这一过程, 说明逆向工程在产品快速开发、创新设计中可以发挥正向设计不可替代的作用。1 模型数据采集及造型设计待测模型为卡通塑像蜡笔小新, 这类人物模型形状比较复杂, 一般设计软件无法直接作出CAD 模型, 而通过逆向工程可快速构造塑像的CAD 实体模型, 并可运用UG 自动数控

8、编程进行原型加工及批量生产。1. 1 基于激光扫描的数据获取实物的数字化是逆向工程实现的第一步, 是数据处理、模型重建的基础。研究中采用非接触测量方法中的激光三角形法进行数据的采集, 使用柯尼卡美能达公司的V I V I D 9i 型三维激光扫描仪对蜡笔小新塑像进行三维扫描, 该扫描仪是为逆向工程、设计确认、品质检验等工业应用而设计的理想的革新设备, 在美国哈佛大学的应用给产品带来较大声誉。通过激光扫描仪软件P o l ygon Ed iti ng T ool 对扫描数据进行标记点的识别和拼接, 并以*. vvd 的格式进行保存。而Po lygon Ed iti ng T oo l 软件数据处

9、理功能相对较弱, 为此把扫描的数据导入到逆向软件G eo m ag ic stud i o 10. 0中进行处理。由美国R aindrop 公司出品的逆向工程和三维检测软件G eom ag ic S t udio 可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格, 并可自动转换为NUR BS 曲面。该软件也是除了I m age w are 以外应用最为广泛的逆M Aut o n, ct 2010, 5:120, 147向工程软件。G eomag ic S t udio 主要功能包括:自动将点云数据转换为多边形, 快速减少多边形数目, 把多边形转换为NU RBS 曲面, 曲面分析(公差分

10、析等 。1. 2 点云和多边形数据处理点云数据处理包括数据对齐、去除噪声、数据精简、数据多边形化等。在G eo m ag i c St udio 中打开扫描所得*. vvd 文件, 进行全局注册并合并, 这样操作后点云数据均匀易于后续处理, 蜡笔小星模型合并后图像如图1所示。图1 蜡笔小新扫描数据合并在G eom ag ic Stud i o 的点阶段, 选择软件中的选择体外孤点、去除噪声功能, 软件自动计算噪点、杂点, 将与主体数据偏离较远的冗余数据去除。通过标准采样功能, 将点云数据均匀减少, 然后进行封装转换到多边形阶段。在G eom ag ic Stud i o 中的多边形阶段, 使用

11、填充孔工具修补多边形孔及缺口, 通过松驰、去除特征、砂纸等工具来清除变形的多边形, 也可用细化多边形或简化多边形的方法来精简数据, 精简后的数据不影响模型的特征, 只是在很大程度上提高了后续曲面重构的效率。简化后的蜡笔小星塑像多边形面片数据见图2。图2 蜡笔小星模型多边形面片1. 3 曲面重建和模型的误差检测曲面重建是逆向工程的重要阶段, 在G eo m ag i c Stud i o 中则是根据编辑好的多边形数据自动拟合成NURBS 曲面。重建曲面时, 可根据数据的曲率自动计算曲率进行轮廓线探测, 进行数据分块; 也可通过用户编辑轮廓线创建边界约束条件, 依据约束条件对数据的分割创建曲面片,

12、模型曲面片见图3。在曲面片基础上构造格栅, 如出现相交格栅, 可通过松驰曲面片、修理曲面片等工具来修理。图3 蜡笔小新模型构造曲面片采用G eom ag ic st udio 软件拟合曲面功能, 软件将根据在多边形阶段提取设定的特征和编辑的曲面片自动拟合成NUR BS 曲面, 蜡笔小新模型拟合曲面见图4。图4 蜡笔小新模型拟合曲面重建的CAD 曲面模型与原数之间进行误差检测, 是保证重建的模型的品质的需要, 通过3D 比较工具, 可以知道实测模型与重建的曲面模型的误差和精度, 并适当调整曲面模型, 最终减小误差, 已达到产品开发的要求。蜡笔小新拟合曲面与原始点云误差比较见图5。图5 蜡笔小新拟

13、合曲面与原始点云误差比较曲面重建是逆向工程中最为重要的部分, 考虑到很多(下转第147页121M Aut o n, ct 2010, 5:1455 结论本设计的特点是结构简单, 外廓尺寸小, 两轴间不会发生相对转动, 啮合分离容易, 牙的强度高, 能传递较大的转矩, 并可消除因磨损而产生的牙间间隙。参考文献:1赵福堂. 汽车电器与电子设备M.北京:北京理工大学出版社, 2004.2庞振基, 黄其圣. 精密机械设计M .北京:机械工业出版社, 2006.3石固欧. 机械设计基础M.北京:高等教育出版社, 2003. 4机械设计手册编委会主编. 机械设计手册新版M.第二卷,3版. 北京:机械工业出

14、版社, 2004.收稿日期:2010 03 24(上接第121页产品还需要结构设计和实体模型, 还需要根据重建的曲面进行实体重建。主要是生成的模型结合UG /CAM使用, 在G eom ag ic S t udio 中将上述NURBS 曲面模型保存为I G ES 格式, 也可以生成STL 格式文件直接进行快速原形制造。2 使用UG /CAM 的实体模型数控加工在UG 中导入蜡笔小新模型IGES 文件, 曲面模型可通过平移、旋转等变换工具调整其坐标系方位, 并通过曲面缝合工具生成实体模型。在UG 加工模块下, 蜡笔小新模型其粗加工采用型腔铣, 半精加工采用固定轴曲面轮廓铣, 采用偏移加工坐标系的

15、方式得到三个方向的粗加工、半精加工刀轨。对于蜡笔小新这类形状复杂的人体模型, 其精加工采用了可变轴轮廓铣方法, 由于其曲面不是很规则, 直接作为驱动曲面不可行。在实体模型外作一圆柱面作为驱动面, 其刀轴控制模式为插补。插补刀具轴可以通过指定的点定义矢量方向来控制刀具轴。当驱动或零件几何体非常复杂, 又没有附加刀具轴控制几何体(例如, 点、线、矢量、较为光顺的驱动几何体 时, 插补刀具轴可以控制剧烈的刀具变化。插补还能调节刀轨, 以避免碰到障碍物。图6为蜡笔小新模型精加工刀轨, 图7为模型刀具轨迹2D 动态仿真完成图。图6 蜡笔小新模型精加工刀轨图7 模型刀具轨迹2D 动态仿真根据机床类型选择合

16、适的五轴后处理, 即可生成加工代码进行数控加工。3 结语从蜡笔小星塑像的三维扫描、曲面的生成、数控程序的编制, 提出了一套完整的复杂人体模型的逆向工程设计制造方法。基于G eom ag ic St udio 和UG 的逆向工程技术, 通过三维激光扫描使实物样件数字化, 使产品的逆向过程更加便捷, 缩短产品开发周期的同时也提高了产品设计制造的品质, 大大提高了产品对于市场的快速响应能力。参考文献:1刘伟军, 孙玉文. 逆向工程原理. 方法及应用M.北京:机械工业出版社, 2009.2N i graph ics Sol u ti ons i n c . UG 多轴铣过程培训教程M.黄毓荣, 顾菘译. 北京:清华大学出版社, 2002.3陈俊华, 童森林, 陈俊龙. 基于通用CAD /CAM软件的鞋楦逆向设计及数控加工J.组合机床与自动化加工技术. 2003(8:31 32.4胡影峰. G eo m agic S tudio 软件在逆向工程后处理中的应用J.制造业自动化. 2009(9:135 137.5罗之军, 何彪. 基于Geo m agi c S t ud io 的逆向工程技术J.贵州工业大学学报, 2008(5:102 104.收稿日期:2010 02 08147