萬向節叉外形掃描與逆向設計?知識

目標：1.

掌握掃描策略的制定方法；2.

掌握支架式白光雙目掃描儀的定標方法；3.

掌握Geomagic

Wrap軟件的數據處理流程；4.

掌握Geomagic

Design

X軟件中面片草圖、拉伸、圓形陣列

等命令。?技能目標：1.

能夠正確使用顯像劑和標志點；2.

能夠對支架式白光雙目掃描儀進行標定；3.

能夠使用支架式白光雙目掃描儀完成數據采集；4.

能夠應用Geomagic

Wrap軟件進行數據預處理；

5.

能夠應用Geomagic

Design

X軟件完成簡單零件逆向設計。【學習目標】?某汽車萬向節叉部件破損，部分發生變形，需要更換，要求結合逆向工程技術，在不破壞原產品的情況下對其進行數據采集，并完成逆向設計；掃描時盡量保證數據

完整，保留產品原有特征，設計模型經3D打印后結合鑄造技術進行鑄造加工，加工

成品要求精度控制在±0.2mm

，內外表面光潔。?該產品原型如圖所示，外形尺寸約為90mm

，體積不大，結合產品設計要求，選用天遠OKO系列白光雙目掃描儀，該掃描儀掃描精度高、速度快、采集數據量大，尤其適用于小件物品的數據采集，可實時顯示攝像機的圖像和得到的三維數據結果。【項目引入】l

1.

產品分析?掃描產品原型為鍛造零件，結構較為簡單，為對稱件，端部有圓柱齒輪特征，可以用鏡像、陣列命令完成特征設計；掃描時要求保證數據完整，保留產品原有特征，點云分布規整平滑，因此在掃描時采用整體掃描方。【項目分析】案l

2.

掃描策略的制定?(1)

表面分析

觀察后發現該產品原型呈暗黑色，不利于數據的采集，因此需對原型表面進行噴粉處理。?(2)

策略制定

零件主要掃描部分為連桿頭部內外圓弧、端部齒輪特征，需要經過多角度、多范圍的多次掃描，才能完成零件完整數據的采集，因此選擇在零件表面粘貼標志點，以實現多次掃描數據的坐標系統一。【項目分析】0102任務【項目實施】數據采集數據處理03

數據應用l

1.1.1

噴粉?該產品為暗黑色鍛造鋼件，在不噴粉的狀態下很難直接進行掃描，所以需要在零件表面噴涂薄薄的顯像劑。?在噴粉時，噴粉距離約為300mm左右，如圖所示。在滿足掃描要求的前提下盡可能薄且均勻，顯像劑噴灑過多，不僅在物體表面形成留痕，更會造成物體厚度疊加，影響掃描精度。噴粉后的零件如圖所示。1.1

掃描前的準備工作l

1.1.2

標志點粘貼?在零件表面粘貼標志點，可以實現多次掃描數據的坐標系統一。粘貼標志點時應注意以下幾點：

(1)

標志點不要粘貼在一條直線上，也不要對稱粘貼；

(2)

過渡區公共標志點數量至少為4個；

(3)

標志點應使相機在盡可能多的角度可以同時看到；

(4)

標志點粘貼應選擇面積較大且曲率較小的曲面，盡量遠離邊緣。本次掃描時標志點粘貼方式如圖3-4所示，供大家參考。

1.1

掃描前的準備工作l

1.2.1

設備調整?數據掃描前需將掃描儀進行精度校準，設備精度達到采集要求標準后方可進行數據采集。(1)掃描儀精度校準

又叫掃描儀定標，它是得到三維世界中物體點的三維坐標與其圖像上對應點的函數關系的過程，是決定系統掃描精度的重要因素。1.2

數據采集l

1.2.1

設備調整?本次案例數據采集時選用支架式白光雙目掃描儀，定標過程按以下步驟進行：1)

找出和掃描儀型號相對應的標定板，如圖所示。后四位尾數一致1.2

數據采集l

1.2.1

設備調整2)

調節掃描儀增益和曝光值，以保證人眼能夠在拍攝圖像上清晰的分辨出黑色圓點，達到最好的效果；3)

調節掃描儀位置，使其掃描范圍和標定板大小一致，且上下、左右都有調節余地；然后在標定板上放置一張白紙，打開視場中心按鈕，調節掃描儀高度和角度，使紅、黑十字中心對齊；取掉白紙，移動掃描儀，使十字光斑位于中心大點內，此時為設備定標初始位置。1.2

數據采集l

1.2.1

設備調整4)

將標定板進行旋轉查看，確保每個位置都能在CCD相機中看到中間四個大點和盡可能多的小點，并且保證全程能夠順利旋轉，無磕碰和中心偏移現象；確認無誤后，旋轉工作臺，使標定板四個大點中共線的三個大點在另一個大點的下方，此時為標定板初始位置。5)

單擊鼠標打開設備定標圖標，在當前位置上直接點擊位置1；6)

順時針旋轉標定板90°

，將三腳架高度上調兩圈，使紅十字位于黑十字外，點擊位置2；1.2

數據采集l

1.2.1

設備調整7)

同方向旋轉標定板90°,將三腳架高度下調四圈，使紅十字位于黑十字外，點擊位置3；8)

同方向旋轉標定板90°

，調整相機仰角

(上調15~30°左右，角度約50~60°)

，在標定板上放入白紙，調整掃描儀高度，使紅黑十字中心對齊；取掉白紙，點擊位置4；9)

同方向旋轉標定板90°,將三腳架高度下調四圈，使紅十字位于黑十字外，點擊位置5；1.2

數據采集l

1.2.1

設備調整10)

同方向旋轉標定板90°

，調整相機右傾角

(角度約15~20

°)

，使十字中心對齊，點擊位置10；11)

同方向旋轉標定板90°

，三腳架高度上調兩圈，使紅十字位于黑十字外，點擊位置11；12)

同方向旋轉標定板90°

，三腳架高度下調四圈，使紅十字位于黑十字外，點擊位

置12。以上12步操作完成后，點擊確認，彈出定標結果對話框，查看設備精度值，若精度在0.02以內，則點擊確定按鈕；若精度不高，則需重新標定。本次定標操作，設備精度符合

要求，定標成功。1.2

數據采集l

1.2.1

設備調整(2)

視場對齊

當精度達標時，將零件放置在轉盤上，調整掃描儀角度和位置，確保轉

盤和零件在掃描儀十字中間，如圖所示，旋轉轉盤一周，保證在軟件實時顯示區能夠看到

零件整體。(3)

參數調整

觀察實時顯示區域中零件的亮度，在軟件中設置相應的相機曝光值和增益值，一般情況下曝光值為52左右，增益值在10左右，可根據環境適當調整，以物體不反

光為宜；(4)

位置調整

檢查掃描儀與零件的距離，此距離可依據軟件實時顯示區紅色十字和黑色十字重合確定，重合后距離約為600mm高度為宜，如圖所示。1.2

數據采集l

1.2.2

零件掃描?調整好位置和設備參數后，按以下步驟進行掃描。(1)

上表面數據采集

按圖所示固定擺放零件，點擊掃描按鈕后開始掃描，每掃描一次將工作臺旋轉一定角度，直至整個上表面數據采集完畢。由于該設備是四點拼接，必須保證前后兩步有4個以上公共重合標志點，建議轉盤的轉動角度一般在15°左右；在掃描過程中，需實時觀察掃描數據的完整性，及時調整零件擺放角度，對缺失數據的部位有針對的進行掃描，使掃描數據盡量完整。1.2

數據采集公共標

志點l

1.2.2

零件掃描(2)

下表面數據采集

上表面數據采集結束后，利用上下表面的公共標志點進行翻轉，且數量大于4個，如圖3-8所示，下表面零件上同樣粘貼一定數量的標志點，以保證數據采集的順利進行，確定擺放角度后，固定零件，點擊掃描按鈕開始掃描，按上半部分的掃描步驟完成數據采集。1.2

數據采集l

1.2.3

數據保存?數據采集完成后

，選擇保存路徑

，將掃描點云數據另存為“萬向節

叉.asc”格式文件。采集完成后的點云數據需要應用Geomagic

Wrap軟件

將掃描雜點去除，并填充粘貼標志點形成的孔洞，形成封閉完整的零件數據。1.2

數據采集?應用Wrap軟件將掃描雜點去除，完成數據封裝，獲得多邊形數據。1.打開文件打開Wrap軟件，用鼠標將“萬向節叉.asc”的文件拖入界面，選擇比率(100%)

和單位

(mm)

，進入軟件界面，如圖所示。2.1

點云階段數據處理2.去除雜點(1)

著色

點擊【著色】下拉菜單“著色點”命令

，點云數據由黑色變成綠色。(2)

刪除非連接項

點擊【選擇】下拉菜單“非連接項”命令

，出現如圖所示對話框，根據點云數據的完整性選擇合適數值，

以不改變零件特征為宜，本次選擇“低”分割和尺寸“5.0”

，點擊【確定】將數據中的非連接項2.1

點云階段數據處理刪除。(3)

刪除體外孤點

點擊【選擇】下拉菜單“體外孤點”命令，出現如圖所示對話框，

以刪除較多雜點為目標，合理調整敏感度值；本次選擇敏感度“85”

，點擊【確定】，將點云中選中雜點刪除。(4)

減少噪音

點擊【減少噪音】命令

，出現如圖所示對話框，點擊【確定】去除點云中的噪音點，完成數據如圖所示。2.1

點云階段數據處理3.封裝點云數據點擊【封裝】命令

，出現如圖所示對話框，選擇自動降低噪音，

勾選最大三角形數量，點擊【確定】，數據由點云轉換為多邊形界面，如圖所2.1

點云階段數據處理。示?多邊形階段的數據表面有眾多標志點粘貼形成的孔洞，以及部分掃描數據缺失形成的孔洞，需要應用【填充孔】命令進行填充修補，使數據完

整封閉；此外，針對零件表面凹凸不平的部分，需要應用【刪除釘狀

物】、【去除特征】等命令對數據進行平整光順。1.填充孔洞(1)

填充內部孔

針對粘貼標志點形成的孔洞，點擊【填充單個孔】命令

，選擇【平面】和【內部孔】命令，點擊要填充的孔，完成孔洞填充，如圖3-15所示。

2.2

多邊形階段數據處理(2)

填充邊界孔

對于掃描過程中缺失的邊緣數據，可點擊【填充單個孔】

命令，選擇【曲率】和【邊界孔】，將數據中的其它孔洞填充；也可結合

【切線】、【搭橋】選項，在不改變原有特征的情況下合理搭配使用完成

對孔洞的填充，如圖所示。2.2

多邊形階段數據處理2.平滑曲面(1)

刪除釘狀物

鼠標左鍵框選要平滑的曲面部分，點擊【刪除釘狀物】命令

，將多邊形網格中的中的單點尖峰展開，如圖所示。2.2

多邊形階段數據處理(2)

松弛

鼠標左鍵框選要平滑的曲面部分，使用【松弛】命令

處理緊皺網格，如圖

(a

)

；使用【砂紙】命令使多邊形網格更平滑，如圖

(b)

所

示。2.2

多邊形階段數據處理(a

)

松弛網格

(b)

砂紙打磨網格(3)

去除特征

鼠標左鍵框選要平滑的曲面部分，使用【去除特征】命令將凸起部分數據處理平滑，平滑前后如圖所示。2.2

多邊形階段數據處理3.保存文件將處理好的數據另存為“萬向節叉.stl”格式文件。?該零件是簡單鑄件，整體結構對稱，由圓孔、圓柱及規則齒輪狀特征組

成，在逆向設計過程中，可以利用Design

X軟件中的面片草圖、拉伸等

命令完成各部分的實體設計，齒輪特征可設計其中一個齒形，圍繞齒輪中心線通過圓形陣列命令獲得。?下面講述逆向設計的詳細步驟。2.3

逆向設計過程l

2.3.1

打開文件打開Design

X軟件，選擇“插入”—“導入”命令，在彈出的對話框中

選擇要導入的文件數據“萬向節叉.stl”

，也可用鼠標直接將STL文件拖入窗

口，點云導入后的界面，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.2

建立坐標系(1)

建立參照平面

單擊【插入】下拉菜單中的【參照幾何形狀】，方法

【選擇多個點】，在圓柱齒斷面選擇多個點，創建平面1

，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.2

建立坐標系(2)

繪制參考線

單擊【面片草圖】

，選擇平面1作為基準面，選擇【直

線】，以圓弧圓心為起點，繪制一條直線，雙擊直線加【水平】約束，如2.3

逆向設計過程圖所示。l

2.3.2

建立坐標系(3)

對齊坐標系

單擊【手動對齊】

，點擊

進入下一階段移動方式選擇3-2-1

，如圖所示，依次選擇平面1和直線作為參考，單擊對勾完成坐標對齊，2.3

逆向設計過程點擊主視圖，如圖所示。l

2.3.3

圓柱模型設計(1)

創建草圖基準面

點擊【面片草圖】，選擇圓柱底面基準，由基準面偏

移的距離57.5mm

，如圖所示，單擊【確定】按鈕，完成后如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.3

圓柱模型設計(2)

繪制輪廓草圖

點擊【圓】命令，繪制圓

，直到輪廓線與粉線重合，

如圖所示，點擊【確定】。2.3

逆向設計過程l

2.3.3

圓柱模型設計(3)

拉伸圓柱

選擇【拉伸】命令，選擇之前繪制的圓柱草圖輪廓，拉伸

【長度】至75

，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.4

圓柱齒繪制(1)

創建輪廓基準面

點擊【面片草圖】，選擇圓柱底面作為基準面，由基

準面向上偏移距離20mm

，如圖所示，單擊【確定】，完成后如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.4

圓柱齒繪制(2)

繪制輪廓草圖

點擊【直線】、【三點圓弧】、【圓角】命令，繪制單

個齒的輪廓線，調整位置使繪制輪廓線與粉線重合，如圖所示，點擊【確

定】。2.3

逆向設計過程l

2.3.4

圓柱齒繪制(3)

拉伸輪廓

選擇【拉伸】命令，選擇之前繪制的齒牙草圖，點擊【拉

伸】，【長度】至43

，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.4

圓柱齒繪制(4)

提取中心線

選擇【參照線】命令，【方法】選擇【提取】，提取圓柱面，點擊【確定】如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.4

圓柱齒繪制(5)

創建草圖基準面

點擊【面片草圖】，選擇【中心】為基準，由基準面

偏移的距離0mm

，如圖所示，單擊【確定】按鈕，完成后如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.4

圓柱齒繪制(6)

繪制輪廓草圖

點擊【直線】命令，繪制直線，調整位置使繪制輪廓線

與粉線重合，如圖所示，點擊【確定】。2.3

逆向設計過程l

2.3.4

圓柱齒繪制(7)

曲面掃描

點擊【曲面掃描】命令，選擇上一步繪制的直線，【路徑】選擇【圓柱邊】，如圖所示點擊【確定】。2.3

逆向設計過程l

2.3.4

圓柱齒繪制(8)

剪切單個齒

選擇【剪切】命令，【工具要素】選擇之前的【曲面掃描】部分，【對象體】選擇拉伸齒，【殘留體】選擇長段部分，點擊【確定】

如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.4

圓柱齒繪制(9)

圓形陣列

點擊【圓形陣列】命令，【體】選擇單個齒，【回轉軸】選

擇【中心線】，【要素】16

，【角度】360°

，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.4

圓柱齒繪制(10)

布爾合并

選擇【布爾運算】，【操作方法】選擇【合并】，【要素】選擇上一步陣列的所有齒，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.4

圓柱齒繪制(11)

拉伸輪廓

選擇【拉伸】命令，選擇第

(2)

步繪制的草圖，點擊【拉

伸】，【長度】至42

，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.4

圓柱齒繪制(12)

倒圓角

選擇【圓角】命令，【要素】選擇上一步拉伸體的前端面，

【半徑】設置為“1mm”

，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.4

圓柱齒繪制(13)

圓形陣列

再次點擊【圓形陣列】，【體】選擇拉伸3

，【回轉軸】選

擇中心線，【要素】16

，【角度】360°

，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.4

圓柱齒繪制(14)

布爾求差

點擊【布爾運算】，【操作方法】選擇【剪切】，【要素】選擇上一步陣列的體，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.5

連桿頭部模型設計(1)

創建草圖基準面

點擊【面片草圖】，選擇圓柱中心為基準面，向里偏

移距離14mm

，如圖所示，單擊【確定】按鈕，完成后如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.5

連桿頭部模型設計(2)

繪制輪廓草圖

點擊【直線】、【三點圓弧】命令，繪制模型輪廓線，

調整位置使繪制輪廓線與粉線重合，如圖所示，點擊【確定】。2.3

逆向設計過程l

2.3.5

連桿頭部模型設計(2)

拉伸輪廓選擇【拉伸】命令，選擇上一步繪制的草圖輪廓，點擊【拉

伸】，【長度】至“20.5mm”；選擇【反方向】，長度同至“20.5mm”

，點

擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.5

連桿頭部模型設計(3)

倒圓角選擇【圓角】命令，【要素】選擇上一步拉伸體的邊，【半徑】設為“20mm”

，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.5

連桿頭部模型設計(5)

創建輪廓基準面

點擊【面片草圖】，選擇“左側面”為基準面，由基

準面向內偏移距離5mm

，如圖所示，單擊【確定】按鈕，完成后如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.5

連桿頭部模型設計(6)

繪制輪廓草圖

點擊【圓弧】命令，繪制圓弧，調整位置使繪制輪廓線

與粉線重合，如圖所示，點擊【確定】。2.3

逆向設計過程l

2.3.5

連桿頭部模型設計(7)

拉伸外圓

點擊【拉伸】命令，選擇上一步繪制的外圓弧，【長度】距離至2

，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.5

連桿頭部模型設計(8)

拉伸內圓孔

選擇【拉伸】命令，選擇繪制的草圖內圓弧，長度距離至

【通過】，【方法】選擇【剪切】，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.5

連桿頭部模型設計(9)

創建基準面輪廓

點擊【面片草圖】，選擇上表面為基準，由基準面向

里偏移距離1.5mm

，如圖所示，單擊【確定】按鈕，完成后如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.5

連桿頭部模型設計(10)

繪制輪廓草圖

點擊【圓弧】命令，繪制小圓，調整位置使其與粉線

重合，如圖所示，點擊【確定】。2.3

逆向設計過程l

2.3.5

連桿頭部模型設計(11)

拉伸小圓孔

點擊【拉伸】命令，選擇繪制小圓孔，長度距離至87，

【方法】選擇【剪切】，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.6

模型倒圓(1)

倒圓角

選擇【圓角】命令，【要素】選擇連桿頭部內邊，【半徑】設為2mm

，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.6

模型倒圓繼續選擇【圓角】命令，【方法】選擇【可變圓角】，【要素】選擇連桿頭部外邊，調節圓角半徑，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.6

模型倒圓用相同的倒角方法，對另一邊進行倒圓角，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.6

模型倒圓(2)

布爾合并

選擇【布爾運算】，【操作方法】選擇【合并】，【要素】選擇所有體，點擊【確定】，如圖所示。2.3

逆向設計過程l

2.3.6

模型倒圓(3)

倒圓角

選擇【圓角】命令，【要素