【《基于Geomagic的某轴类零件逆向工程设计》9600字】

基于Geomagic的某轴类零件逆向工程设计摘要：随着生活水平的不断提高，仅仅重视功能要求的产品已经无法满足消费者了。为了顺应时代的变化，产品的创造性和经济性，利用逆向工程技术手段成了必然趋势。逆向工程的主要内容为：对已有的实物进行处理并用三维扫描设备完成点云数据的测量和采集，将采集得到的点云数据通过相应的逆向软件进行曲面重构，获得实物模型的数字模型，直到得到偏差在允许范围内的产品数字模型，用于后续的零件制造、创新设计、结构分析等。本文的主要内容为使用FARO扫描仪对某轴类零件进行点云数据采集后，使用GeomagicStudio软件对点云数据进行处理分析，通过点处理、多边形处理、形状处理三个阶段采用精准曲面的方式完成曲面重构，并与原点云数据进行了对比。然后使用CAD软件对三维数据模型进行分析处理，得到实物零件的三视图。关键词：逆向工程；点云获取；曲面重构；数模获取目录1绪论 21.1前言 21.2逆向工程的概述 21.3逆向工程的应用领域与作用 31.4国内外逆向工程的发展现状 41.5轴类零件概述 41.6轴类零件的结构设计要求 52实物模型数据的获取 72.1数据采集设备介绍 72.2测量方法原理 83逆向建模分析 103.1Geomagic系统简介 103.2基于GeomagicStudio的模型分析 113.2.1点阶段处理过程 113.2.2多边形阶段处理过程 123.2.3形状阶段处理过程 163.2.4体积偏差的检测 194三维软件处理过程 204.1导入前准备工作 204.2特征分析 244结论与展望 274.1结论 274.2展望 27[参考文献] 28附录 30

1绪论1.1前言在国家发表的行动纲领《中国制造2025》的计划下，我国制造业工业正在积极蓬勃的发展，而在机械设计制造领域，我国总体技术水平还处于中低端水平。为了追赶发达国家先进制造业的脚步，也为了完成中国制造2025的目标，制造业与机械类企业面临严峻挑战，这时能够方便、快捷地完成产品制造、创新设计、结构分析的逆向工程技术顺其自然的进入了企业的视线当中。在工业生产中，机械零件的生产制造是基础中的基础，而轴类零件就是在工业生产里经常遇到的典型零件之一，它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷，这也使得轴类磨损问题成为轴使用过程中最常见的设备问题，国内解决轴零件磨损问题的办法多为更换新轴，因此轴类零件的质量在生产制造以及加工中极为重要，轴类零件的更换、制造极其频繁，要想解决这一困境，需要对轴类零件进行反复的设计计算，不断调整轴类零件的各项数据，而逆向工程能够完美处理这一步骤，采用逆向设计对轴类零件进行生产制造也自然而然地变得流行起来，而本论文就是对某轴类零件进行逆向设计。1.2逆向工程的概述逆向工程，是将现有产品进行设计再现的一种过程，即对一项现有的产品进行逆向建模及数据处理，从而推演出该产品的制造流程、结构组织、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。其主要目的是在不能轻易获得产品必要的生产信息的情况下，直接从成品出发，通过逆向软件扫描出产品的外观数据，从而推导出产品的设计理念。然后通过其他三维软件绘制出产品图纸，建立产品的三维数据模型，最终将得到的零件图纸运用到产品的设计制造中，从无到有的建立一个新的产品生产线，这就是对一个产品进行逆向工程的整个设计制造流程。简而言之，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，通过逆向软件反向得到产品设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程。现代逆向工程的定义为通过使用数字扫描设备获取零件产品表面的三维点云数据，将这些数据放进逆向软件进行一系列的处理，得到一个较为准确的实物模型后，将其导入到其他三维设计软件中转变成二维的设计图纸，最终完成产品的制造。逆向工程技术原理流程图如下：图1.1原理流程图从流程图中可以看到，在零件产品的点云数据到物理模型的三维数字化图档这个过程中，逆向工程和正向软件处理都起到了极为关键的作用。使用逆向软件进行逆向设计，才能够完整地设计出一套生产目标产品的流水线设备。1.3逆向工程的应用领域与作用逆向工程被广泛地应用到新产品开发和产品改型设计、产品仿制、质量分析检测等领域，它的作用是：1、减少产品的设计、开发周期，加快产品的迭代速度；2、降低企业生产研究新产品所需的风险与成本；3、加快产品的造型和系列化的设计；4、适合单件、小批量的零件制造，特别是模具的制造。逆向工程技术实现了设计制造技术的数字化，同时也为现代制造企业充分利用己有设计创新带来了便利[1]。它能够缩短产品的设开发周期、加快产品的更新换代速度，降低了企业开发新产品的成本与风险，加快了产品的造型和系列化的设计。得益于此，逆向工程被广泛应用在产品开发、产品迭代更新和产品质量分析检测等领域，在医学领域也能提供对应的辅助服务。1.4国内外逆向工程的发展现状在经过数次世界经融危机后，我国的制造业经受了数次巨大冲击，尤其沿海诸多企业都是为外国大企代理生产，没有自己的核心产品。因此国家提出技术创新，要有自己设计、创新的产品。在国家的号召下，制造类企业为了减小自己产品的设计、生产周期，降低自己产品的瑕疵程度，同时更快的抢占市场先机，伴随产品研发的一系列开发技术开始不断被采纳，诸如：逆向工程技术、快速成型技术、虚拟制造技术以及并行工程等。目前我国内逆向工程的应用大多集中在模具样品开发方面，许多制造类企业经常根据客户提供的产品样件制造出仿制模具或直接加工出新的产品。而由于我国在这一领域起步较晚，在逆向工程软件的开发上，我国的逆向工程技术的发展还较为缓慢。国内在逆向工程软件方面的研究主要集中在几所高校，如浙江大学CAD实验室研发的R-Soft系统和西安交通大学CAD研究所开发的JRe系统，台湾地区也有诸如NEWPOWER企业启动了逆向工程软件的研究，但后续并没有落实到业界应用，这项研究的成果也后继无人，殊为可惜。目前来看，国内的逆向工程软件还没有完全具备与国外商业化软件竞争的条件。而在硬件方面，常见的测量设备主要包括三坐标测量仪、结构光栅扫描仪、激光扫描仪以及ICT扫描仪等，在这些设备中最为突出的是Hexagon公司的GLOBAL系列三坐标测量机、英国雷尼绍公司的CYCLON2扫描仪系列等，国内的测量系统虽然起步较晚，但也有一些十分精良的设备，如航空精密研究所、前哨柯发测量公司出品的三坐标测量机，海信技术中心退出的新型层析数字化扫描机，智泰集团推出的三坐标测量机等。1.5轴类零件概述在工业生产制造中，轴类零件是数控加工机床经常需要进行维护的一类零件，原因主要是它们在机械的传动控制中用来传递转矩或运动，机床一旦开始运转，轴类零件便开始承受来自机械的源源不断的压力。轴类零件为旋转体零件，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及对应端面组成。常见的轴类零件根据轴的结构形状可分为直轴、曲轴、实心轴、空心轴等，直轴又可以进行细分：一是工作时即承受弯矩又承受扭矩的转轴，它是机械结构中最常见的轴；二是用来支承转动零件的心轴，它只承受弯矩而不传递扭矩，心轴自身还分转动心轴和非转动心轴；三是传动轴，主要用来传递扭矩而不承受弯矩。轴的工作能力一般取决于州的强度和刚度，转速高时还取决于振动稳定性。本文所研究的轴类零件从分类上属于空心轴，如图1.1所示。空心轴的特点是由于轴中间有镗孔，导致空心轴占用的空间体积较大，但也因此降低了轴的重量。图1.1转轴1.6轴类零件的结构设计要求轴的结构设计能够确定轴的合理外形和全部结构尺寸，而轴的结构决定于受载情况、轴上零件的安装位置和固定方式、轴承的尺寸与类型、轴的毛坯等条件，轴的结构应该尽量减小应力集中，要受力合理，有良好的工艺性，并使轴上零件定位可靠、装卸方便，对于刚度要求较大的轴，还应该在结构上考虑轴的变形。综上所述，影响轴的结构因素有很多，不能给出固定的标准结构样式，必须根据具体情况具体分析，但在进行设计时，一般有以下几个设计原则：1、节约材料，减轻重量，尽量采用等强度外形尺寸或大的界面系数的截面形状。2、安装在轴上的零件要能精准配合、稳固、拆卸和调整。3、尽量采用能够减少应力集中和提高强度的结构措施。4、尽量保证轴易于加工制造。

2实物模型数据的获取2.1数据采集设备介绍在本次设计中我们使用到的是FARO扫描仪，对某轴类零件的点云数据进行采集，在采集的过程中，未了避免零件在扫描时反光，以及避免零件的黑色部分吸光，我们需要对零件表面喷涂显影液。如图2.1所示，FARO扫描仪是用于将扫描对象实体模型转化为数字化点云数据模型的设备，FARO扫描仪属于三坐标测量机，拥有高精度、耐久性、高科技和低成本效益等诸多优点，与同型号采用点接触的FARO钛金测量臂相比，选择使用激光扫描的FARO三坐标测量臂精度更高、成本更低，是集经济型、一体化于一体的便携工具。它的缺点则在于定位困难，由于本体为三坐标测量机，因此要想得到准确无误的点云数据，必须在每次移动位置后重新进行定位，否则由于自身基准的位置移动，点云数据的精确程度无法得到保证。图2.1FARO测量臂2.2测量方法原理对于最常见的三坐标测量机而言，逆向工程常用的测量技术为接触式测量。其传感器的主要形式为各种不同直径和形状的探针即接触测头，如图2.2所示。图片来源于网络它的工作原理是使用探针物理性的沿物体表面接触运动，被测物体表面的反作用力使探针发生形变，这种形变触发测量传感器再将测出的信号转化为数字信号反馈给控制系统，最后经过计算机处理得到最终所测点位的二维坐标。图2.2接触式探头接触式测量方法的优点是可以对被测物体边界精确测量，同时不受被测物体表面的颜色和光照限制[1]，测量精度较高。但这种测量方式的缺点也同样明显：首先测量探头需要与被测物体表面产生接触，对于软质材料或超薄材料而言，存在接触力导致测量精度不高；其次由于是接触式逐点方式进行测量，所以速度慢，效率低；最后由于接触式测量是利用的探头感应，测得的数据是测头的球心位置，故需要进行测头半径补偿。正是因为存在上述种种原因，接触式测量方法满足不了大众的需求，许多企业开始寻找新的测量方法，非接触式测量方法因运而生。如FARO企业就在三坐标测量臂的基础上改进了测量方法，推出了上述的一款新的产品：FARO扫描仪，该产品所运用的就是非接触式测量方法。非接触式测量方法是在使用光学、声学、磁学等领域的相关测量技术的基础上，通过激光技术、声波传感技术、电磁感应技术的实际应用，将测量收集得到的产品零件的表面三维数据在经过适当的算法转化为软件三维空间里的点数据，这种方法相比于接触式测量方法，测量效率要高很多，但得到的数据要大得多，增加了预处理和曲面重构的难度[1]。常见的光学测量方法的工作原理有激光三角法、结构光测距法等。结构光法是把一定形式的光源投影到被测物体表面，因为被测物体表面高度的限制，光栅影线发生变形，利用两个镜头获得不同角度的图像，再通过解调变形光栅影线，就可以得到被测物体表面的整体三维坐标[1]。非接触式测量探头与物体模型不发生接触，如图2.3所示。所以无须进行测头半径补偿，也可直接测量橡胶纸制品、工艺品等材质较软的物体。它测量速度快，面积大，数据也相对较完整。但非接触测量方法对物体表面的反光程度、颜色等有较高要求，对于一些边界、有缝隙的曲面容易丢失数据，也易受环境、光线影响，从而增大数据处理的难度[1]。图2.3非接触式探头

3逆向建模分析3.1Geomagic系统简介Geomagic软件能够用来进行逆向技术处理的有两款，分别为GeomagicStudio和GeomagicDesign。GeomagicStudio是专业的逆向软件，可以将扫描得到的点云数据快速整理，创建出完美的多边形和网格来构建任何复杂模型的精确曲面，并自动的转化为曲面。GeomagicStudio的优点是在对复杂形状或自由曲面形状的多边形和模型数据进行处理时能够完美执行，相比于传统的CAD软件，它的生产效率有了极大的提高，同时软件高度自动化的程序以及完善地工作流程能够极大的减少员工培训时间，他还可以与主流的三维扫描设备和CAD软件进行联动采集处理，软件本身也能作为一个独立软件用于制造生产。种种优点确保了GeomagicStudio的首要逆向工程软件的地位。GeomagicStudio软件逆向设计的原理是用许多细小的三角片来模拟逼近扫描的数据从而完成对实体模型的还原。在建模方面，是用曲面片拟合直接创建曲面模型，曲面流程被划分为点阶段-多边形阶段-曲面阶段，这三大阶段紧密联系在一起。点阶段到多边形阶段实现了组合点云、光滑数据；多边形阶段到曲面阶段实现了光滑和编辑多边形模型；曲面阶段到分析阶段实现了规则化、形状的调整[1]。另一款逆向技术软件GeomagicDesign即原GeomagicSpark，相比于侧重点数据处理的Studio，Design更侧重于二位规则实体建模，也更注重与其它相关软件的联动。Design的优点在于它结合了实时物体零件扫描、三维点云数据和多边形网格编辑功能以及全面CAD造型设计、装配建模、二维出图等功能的三维设计软件。基于以上的描述，Design主要使用在需要对现成实物零件对象进行三维模型再设计的场合，同样也适合用于修改被扫描得到数据的零件。简单地说，两者各有优略：Studio强于处理点云数据，即使面对复杂形状或曲面形状也能进行十分完美的处理；而Design则强在与CAD/CAE软件的配合，Design能够快速、方便地将处理后的三维模型数据输入到CAD中，能够较于简便的得到二维图纸、标注、尺寸等重要数据。3.2基于GeomagicStudio的模型分析对使用FARO扫描仪扫描得到的点云数据开始进行数据处理，用于后续将曲面文件导入到三维软件中进行参数化修改，并重新生成整体模型。3.2.1点阶段处理过程启动GeomagicStudio软件，打开扫描得到的点云数据。首先合并点对象，将点云合并成一个整体，将其命名为“zhuanzhou”，得到一个完整的点云数据，如图3.1所示。图3.1点云数据为了更好地了解模型的外部特征，同时得到零件法线，选择点功能里的着色功能，通过修复法线选项得到零件着色后视图如图3.2所示。图3.2着色后模型得到零件的大致点云数据后，需要对数据进行修整，需要删除一些在扫描中偏离主点云的点，将其低级分割后，删去这些点云里的非连接项。最后保存文件，对文件进行封装，将初步处理好的点云数据保存从而进行下一步对多边形处理的任务。3.2.2多边形阶段处理过程得到预处理好的点云数据后，进行下一步的多边形处理阶段，为之后的曲面拟合做准备。首先对点云数据进行填充处理，选择填充命令-填充单个孔-曲率-内部孔，将转轴螺旋面上的缺失小孔进行填充。填充效果如图3.3所示。图3.3填充螺旋面然后进行转轴内部孔的填充，选择填充单个孔-曲率-搭桥命令，将轴内大孔细分为小孔进行填充，如图3.4所示。再用填充单个孔-曲率-内部孔命令，将小孔填充完整。重复操作，将转轴内孔填充完整，如图3.5所示。图3.4塔桥填充图3.5完成填充使用网格医生功能，如图3.6所示，网格医生功能能够让软件自动识别模型数据在网格上的错误并能快捷地进行修复。可以看到完成填充后的模型存在非常多的钉状物，使用网格医生的删除钉状物功能，删除后效果如图3.7所示，然后再次进行填充。图3.6网格医生诊断图图3.7删除钉状物填充完成后，使用简化网格功能，简化网格功能能够在不损失转轴表面外观细节的情况下，将模型的三角形数量降低到想要的数量，将百分比设置为10%，即将多边形网格减少到之前数量的十分之一，处理结果如图3.8所示。图3.8简化网格再次使用网格医生功能，对转轴零件进行诊断，诊断完后选择自动修复功能，修复零件表面的高度折射边和钉状物，如图3.9所示。图3.9网格医生诊断在多边形阶段处理的过程中，要想使多边形网格变得光滑完整，可以对零件模型使用松弛功能，它能够有效的减小多边形与多边形之间的角度，如图3.10所示。图3.10模型松弛选择重划网格命令，将修改后的零件模型的三角形划分成一个更加统一的整体。再选择去除特征，对粗糙区域打磨光滑，重复进行上述流程，最终完成零件模型的多边形处理，准备进行下一步的处理形状阶段。3.2.3形状阶段处理过程在经过了点阶段、多边形阶段两次图形处理后，开始对零件模型进行下一步的形状处理。形状处理即为拟合曲面过程，在Studio中，拟合多边形曲面有两种方法：参数曲面和精准曲面。参数曲面是产生符合零件设计意图的曲面，并能以参数的形式说明；精准曲面则可以产生与创建的对象完全匹配的曲面。在考虑到零件外观形状的前提下，零件外表面有无法用参数进行确切表达的曲面，如图3.18所示。这种情况下选择用精确曲面对多边形进行处理能够得到更好的曲面拟合效果。选择精确曲面-探测轮廓线命令，进行轮廓线的计算，对分隔符区域进行修正。修正后抽取轮廓线。然后对轮廓线进行编辑，修改轮廓线准备进行后续操作，修改后零件如图3.11所示。图3.11修改轮廓线下一步进行曲面片的构建与修理。选择构造曲面片命令，等待自动构造曲面片完成后，选择GeomagicStudio特有的一种修理曲面片方式：移动面板，即通过在面板内重新排列曲面片来达到修理曲面片的效果，这种处理曲面片的方式能够有效的简化处理步骤，节省用户处理时间，减少用户的工作量，移动完成前后零件曲面对比效果如图3.12所示。图3.12移动效果对比图在修理曲面块过程中，经常会遇到这种情况：选择一个区块进行曲面块的移动时，两边的栅格点数为奇偶互异。遇到这种情况时，选择添加/删除2条路径命令，可以修改两边栅格点数到一致，如图3.13所示。图3.13前后对比曲面修整完成后进行格栅的构建，对网格进行诊断，使用修补命令修复不好的网格。随后拟合曲面、合并曲面，完成形状阶段处理，最终零件效果如图3.14所示。图3.14拟合曲面完成3.2.4体积偏差的检测对拟合完后的零件进行体积的偏差分析，体积偏差的检测可以让我们最直观的感受到拟合结果的准确程度，通过结果可以看出，如图3.15所示，虽然在零件模型中存在体积偏差大小不一的情况，但是平均偏差小于0.03，这便是合格的曲面。图3.15体积偏差结果

4三维软件处理过程4.1导入前准备工作将完成曲面拟合的模型先转化为多边形状态，进行导入三维软件前的准备工作，准备工作能够辅助更快捷的完成在三维软件里的处理工作。使用特征命令，将转轴上十二个小孔进行特征标记，然后用填充命令进行小孔的填充。这样在保持模型的几何定义的同时，大大简化了后续的曲面构建操作，标记后如图4.1所示。图4.1标记小孔并填充下一步准备步骤是将零件摆正与对齐。将零件摆正对齐的好处是方便我们导入三维软件后基准面的选择定位，以及最终三维模型生成二维图的截面选择。选择特征-平面-最佳拟合命令，选中零件底部三块非连续区域，如图4.2所示，点击应用，将平面命名为XY，将平面命名为XY也是为了方便后续平面与基准轴的对齐。图4.2选中区域接着再次选择平面-最佳拟合命令，创建出如图4.3所示的平面1和平面2。创建完毕后，使用平面-2平面平均命令创建出图4.3所示的平面3，将平面3命名为YZ并将平面1与平面2删除。图4.3创建YZ面选择平面-过点垂直于命令，分别将XY与YZ选中为平面1与平面2，将创建的平面名称命名为XZ，如图4.4所示。图4.4创建XZ面下一步选择圆柱体-最佳拟合命令，选中零件外表面多处非连续区域，创建的特征面默认为圆柱体1，如图4.5所示。图4.5创建圆柱体1面最后选择对齐-对齐到全局命令，分别将软件系统的XY、XZ、YZ、Z轴与创建的XY、XZ、YZ、圆柱体1一一对齐，对齐后零件摆正与对齐效果如图4.6所示。打开模型管理器，将XY、XZ、YZ、圆柱体1暂时隐藏，方便后面进行曲面的拟合。图4.6对齐效果对齐后将文件进行保存，为了顺利导入到三维软件Pro/E中，选择将文件保存为IGES格式，将保存的IGES零件模型通过Pro/E打开进行编辑。选择零件打开格式为IGES，将名称命名为zhuanzhou，如图4.7所示。图4.7命名零件模型此时发现导入的模型零件缺失了基准和特征，新建一个零件草图，使用插入-共享数据-自文件，零件生成后基准生成正常，如图4.8所示。图4.8基准显示4.2特征分析打开Pro/E的特征识别功能，用草图功能画出之前准备阶段填充的小孔，选择拉伸切除命令切去多余部分，该过程中利用再设计，合理的改变了零件上小孔位置区域，最终转轴零件如图4.9所示。图4.9最终零件图观察零件模型可以得出：该零件模型大致为圆柱体状，故在获取零件模型的参数图纸时能够较为方便的得到放置规整的三视图。保存文件，用Pro/E重新新建一个绘图模板，选择指定模板，将其改为横向A4纸模板。选择一般命令，点击模板中间区域放置模型，将模型比例修改为1:1，并修改零件放置方向，如图4.10所示。图4.10放置零件右键点击零件长按，选择插入投影视图，通过修改投影试图的截面属性，如图4.11所示，从而得到零件的二维视图。图4.11修改截面属性重复操作后文件-保存副本命令，保存文件为DWG格式，再使用CAD软件的标注功能对零件三视图进行尺寸标注并进行修正，得到的零件三视图如图4.12所示。图4.12零件三视图

4结论与展望4.1结论本文的主要研究目的是为了对某轴类零件进行逆向设计，为了说明逆向工程在工业生产制造中的重要性。通过逆向工程，用户可以方便、快速地获取产品设计数据，在产品的研发、更新、迭代过程中，逆向工程技术都起着极为显著的作用。本文主要对逆向工程以及某轴类零件的逆向设计进行了概述。通过对逆向工程技术的学习与总结，归纳出逆向工程技术原理流程图，通过学习相关软件，了解了主流逆向工程软件的优缺点，熟悉了逆向工程技术设备的使用技巧，通过使用逆向工程技术，对轴类零件进行了逆向设计，并最后使用正向三维软件，对轴类零件进行了正向设计。用实例讲解了逆向工程在产品设计中的应用。完成后我的感受：得益于老师的贴心指导和同学的好心鼓励，我成功的完成了一整套逆向工程的工作流程。在撰写过程中，我感受到了逆向工程的必要性和重要性，小到一个小小的转轴零件，大到重达数吨的机床设备，在逆向工程面前都一视同仁，扫描的精确度越高，数据处理的越好，得到的数据参数就越贴近实际，贴近实际就能让用户从无到有的建立起一条新的生产流水线，在我国工业制造业快速发展的当下，逆向工程带来的便捷性是无可替代的。4.2展望国内逆向工程的研究已经逐渐走上正轨，在完成这篇论文后，在回顾整个论文完善地过程中，我清楚的感受到逆向工程发展的潜力。逆向工程这项技术的综合性极强，能够广泛应用于产品生产制造的各个领域，但就目前来看，逆向工程技术仍有不成熟的地方：在实际的测量采集点云数据的过程中，仍需要大量的人工扫描工作，使用者的经验越充分，扫描后得到产品的质量就越高，同时对于复杂曲面的光顺性拟合程度也极度依赖于使用者的点云数据处理经验。可以说，在数据的采集扫描和曲面的光顺性拟合两方面来看，逆向工程的发展前景十分光明，期待在将来，逆向技术能够更好更快的发展。

[参考文献][1]王兴晨.电动汽车造型数字化设计与研究[D]