基于Magics的曲面构建与快速成型研究

摘要:本文基于Magics软件,结合具体的案例,就曲面构建方法和曲面的拼接质量影响因素进行了探讨,提出了较为完整的曲面逆向构建及快速成型的技术途径。

关键词: 逆向工程 曲面构建 曲面连续性 快速成型

中图分类号:TP391 文献标识码:A文章编号:

1 引言

工业产品的表面多为自由曲面,自由曲面由于其复杂性难以直接造型,而快速成型要求曲面必须保证一定的制作精度和光顺性,因为它直接影响以后的加工质量。如果要是在数据采集及曲面构建前处理阶段出了问题,那么最终结果就是导致制造出废件,会造成资金、时间的浪费。而 Magics软件的主要工作就是在曲面构建。本文从逆向工程下游应用的要求出发,就曲面的构建和曲面拼接质量等进行深入的阐述。本文基于Magics软件,结合具体的案例,就曲面构建方法和曲面间的拼接质量影响因素进行了探讨,提出了较为完整的曲面逆向构建及快速成型的技术途径。

2 逆向工程曲面构建

2.1 曲面构建的研究内容

数据采集后具有这样一些特点:

(1)测量点数据是密集的“点云”数据,数据量极大;(2)曲面测量点数据散乱,曲面边界和形状常常非常复杂,难以直接应用常规的曲面构造方法。

因此,曲面构建研究的内容主要有2个方面:(1)数据预处理:激光扫描采集数据之后对测量数据进行测量数据处理、多视拼合等内容。(2)数据分块:实际型面往往是由多个不同类型的表面共同构成,采用一个曲面表示不可能,因此要进行边界检测,提取曲面特征线,据此将型面分成多片曲面分别进行拟合,最后再拼结在一起。

2.2 构建的方法

Magics软件提供了二种基于三角区域曲面构建的方法:

一种是三角区域拟合曲面,其中包含自动三角区域拟合和手动三角区域拟合。自动三角区域拟合得益于智能算法的应用,可以自动缝合坏的边缘,只须指出要求公差和迭代次数,通过反复的缝合,可以保证即使设计的最小的细节也能在缝合过程中保存。将大大缩短重构时间,并且有很好的重合度,由于这种方法只适用于破面较小或者错误较小的三角区域,所以适用范围相对比较小,但是还可以对已经修复的区域再做进一步自动拟合,重合度更高。而手动三角区域拟合是手工三角区域拟合曲面,对于破面比较大的区域可进行多次三角区域拟合重构。较前者而言,这种方法工作量大而且拟合度不高。而两种方法结合则可以大大提高拟合度。

另一种是布尔运算,这是一种采用逻辑运算(并集、交集和差集)将三维模型组合成新的模型。

以鼠标为例,验证了Magics软件曲面构建方法的可行性。

Magics提供四种不同的视图,可以直观的显示三维模型并且有助于三角区域曲面重构。在Triangle模式下可以方便的对各个曲面进行修复。

(1)由于扫描的不全面性与缺陷,采用两次不同角度扫描得到如图1所示的三维模型。可见,两者都缺失一部分数据,但是都是互补的,可以通过相应的构造方法将之复现。

图1两种角度扫描生成的模型 图2分割成两部分

图3分割下来的零件 图4完整的鼠标三维模型

(2)用定义多段线可以将一个零件分割成两个零件,将其相对完整的曲面互补到另一个曲面上去;用切割和布尔运算把所需的曲面从原三维图形中分离出来,如图2所示。(3)可以看到分割下来的一小部分零件曲面中存在有各种错误,如图3所示。可采用以上所述三角区域曲面构建方法,拟合、重构各个三角区域。其中绿色三角区域部分为自动拟合所得,而白色部分为手工修复所得。(4)采用重构方法将其它曲面中破损或者存在错误的区域都加以修复,得到较为完整的曲面。

2.3 曲面的拼接

把两个曲面放在三维坐标的正确相对位置中,再次运用布尔运算中的并集方法,将两个单独的三维模型拼接在一起,成为一个整体。

进行拼接时,可以对两个或两个以上的零件进行布尔运算,在进行布尔运算前,必须有两个或两个以上的零件被激活。选择了布尔运算命令后,再根据实际三维模型的需要选择不同的运算方法,就可以得到一个完整的三维模型。由此完成了整个逆向工程中曲面构建的过程。如图4所示。

3 快速成型

本文研究采用的是三维打印成形(3DP)技术。3DP快速成形技术除了与其他RP技术一样,可以用于产品的概念原型与功能原型件制造外,3DP快速成形技术还因其独特的成形特点,使其在生物医学工程、制药工程和微型机电制造等领域有着广阔的应用前景。利用3DP技术进行产品的概念原型件制造是建立从概念信息到物理实现的最直接方式。

(1)三维打印成形原理。三维打印成形技术是采用精密喷头按照零件截面形状,将溶液喷射在预先铺好的粉末层上,使部分粉末粘接在一起,形成截面轮廓。一层粉末成形完成后,再铺上一层粉末,进行下一层粉末的粘接,如此循环直至工件完成,再经过后处理得到成形制件。(2)鼠标快速成型。鼠标曲面构建完成后,以“STL”格式保存。打开LTY型立体打印式快速成形机控制软件,进行参数的设置,主要有加工零件的比例、层厚的确定(即每次铺粉的厚度,一般为0.05-1mm),最后还可进行过程摸拟,并估算成型时间,点击“auto”按钮进行快速成型。(3)成形件的后处理。成形件后的鼠标还需要固化、后烧结以及打磨、抛光、修补和表面强化处理。

4 结语

本文基于Magics软件探讨了曲面构建过程中曲面构建技术,提出了一种可行的技术途径,立足软件功能,兼顾精度与光顺性。快速成型对曲面的拼接质量提出了较高的要求,在曲面构建的同时如何保证曲面的精度与光顺性是一个制作难点,文中结合具体的案例数据,为曲面的逆向构建提供了有价值的参考。

参考文献:

[1] 王运赣.快速成形技术,湖北:华中理工大学出版社,1999.9.

[2] 邹金兰.逆向工程中CAD模型构建技术及应用[J].机电工程技术,2008(9):110～114.

[3]于东玖.逆向工程在产品曲面重建中的应用研究.机械设计与制造,2009.97～99.

[4] 吴笛.逆向工程与快速成型技术应用研究.机械制造研究,2009:72～74.

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