凸轮高级阶段的逆向设计

【摘 要】 针对凸轮的特征，使用Geomagic逆向软件的锐化向导来还原模型的棱角特征，使用平面截面来修剪三角形，创建基准以及对平面、圆柱面的拟合。最终生成一个封闭的、平滑的多边形模型。在拟合NUBRS曲面时使用指定尖角轮廓避免出现倒圆角。实现了凸轮由实物到点云、再由点云到三维模型的快速逆向设计。

【关键词】 逆向工程 凸轮 Geomagic

1 引言

随着测量技术和3D技术的发展，以几何实体为研究对象，使用逆向工程技术对产品进行模型重构，优化及新产品开发，已经成为现代创新设计的一种主要方法。凸轮曲面轮廓复杂，用一般的曲面造型方法制造，其结果误差很大。因此这种曲面采用逆向工程技术来完成，提高了产品的制造精度，降低了产品开发的周期和成本。

2 凸轮的逆向设计

2.1 凸轮的多边形阶段设计

逆向工程（reverse engineering，RE），也称为反求工程，是从实物样本获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术。

通过三坐标测量机自动测量得到凸轮的点云数据，导入Geomagic逆向软件进行点云的预处理，去除一些没用的点以及降噪，统一采样，最后封装成多边形。封装后的多边形发现不是一个封闭的、平滑的多边形模型，如图1所示。因此需要在多边形阶段做进一步的处理。

2.1.1 表面特征处理

通过填充孔把凸轮表面数据缺失的地方补上；通过砂纸把模型表面凹凸不平的三角形变的光滑；通过去除特征把凸轮模型上很小一部分凸出的特征去掉。

2.1.2 锐化

凸轮模型有很多地方曲率过渡比较大，为了使这些曲率过渡比较大的地方棱角更加的凸显，需要进行锐化处理。通过设置曲率敏感性、分隔符敏感度和最小区域，模型上高曲率的区域则以红色加亮，轮廓镶边之间的区域以不同颜色显示。接着通过抽取轮廓线、延伸轮廓线、更新格栅、锐化多边形最终把凸轮棱角变的凸显。如图2所示。

2.1.3 面的拟合

通过观察发现模型的表面并不是希望的那种平面或者柱面，所以要将它们拟合到平面或者柱面上。首先在模型上选择一些三角形，利用有界组件把模型表面全部选中。再通过最佳拟合来完成平面或者柱面的拟合。如图3所示。

2.1.4 投影边界到平面

模型的下表面数据缺失，需要创建一个平面把模型密封起来。首先，必须将下边界延伸一点来获得一些额外用于剪切的材料。通过投影边界到平面的方法，把原来不规则的下边界变得平整。如图4所示。

2.1.5 平面截面

为了修剪模型，先给模型定义一个基准平面。然后使用平面截面的方法把平面拟合到之前创建的基准平面上，再把下面不需要的部分截去，最后封闭相交面。从而生成了规整的平面边界。如图5所示。

2.1.6 拟合孔、伸出边界

在模型的上表面还有一个孔，需要将它拟合成一个规则的通孔。首先通过拟合孔，探测孔的半径，把孔的边界先变得规则，接着用伸出边界的方法将此孔拟合成一个通孔。如图6所示。至此凸轮模型最终生成了一个封闭的、平滑的多边形模型。

经过了多边形阶段的处理之后，凸轮的逆向设计进入形状阶段。在构造编辑完曲面片后要对凸轮模型进行构造格栅，然后进行曲面拟合。曲面重构是整个RE过程中最关键、最复杂的一环，也为后续的创新设计和加工制造等应用提供数学模型支持。拟合后放大模型观察，发现原来锐化过的边缘在拟合的过程中出现了倒圆角，如图7所示，显然这跟原始模型不相符。因此，我们必须在构造完格栅后指定尖角轮廓线，再进行NURBS曲面拟合，这时拟合后的凸轮曲面跟原始模型吻合，如图8所示。

建立了曲面后的模型，还需要对点云进行误差分析，满足精度要求后可以把这个曲面数据转换成IGES或STEP等格式导入到CAD或者CAM软件进行其他设计加工。

3 结语

企业竞争日趋激烈，产品的更新换代，改造周期的缩短为逆向工程的应用提供了广阔的前景。现代测量技术的发展使快速、精确的获取实物的几何信息变成现实。运用Geomagic逆向软件完成了凸轮的逆向设计，缩短了产品的开发周期，提高了产品的质量和市场竞争能力。

参考文献：

[1]成思源.Geomagic Studio逆向工程技术及应用.北京：清华大学出版社，2010.

[2]金涛.逆向工程技术[M].北京：机械工业出版社，2003.