三维扫描及逆向设计在挖泥机具设计中的应用

三维扫描及逆向设计在挖泥机具设计中的应用 摘要： 本文使用了一种有别于传统测绘的方法三维扫描加逆向设计，对挖泥机具中的泵胆进行扫描和建模，以此说明该方法在挖泥机具测绘中具有广阔的应用前景。 1133141三维扫描及逆向设计在挖泥机具设计中的应用_关键词：三维扫描、逆向设计、CAD参数建模Abstract: this paper used a different from the traditional surveying and mapping, the methods of 3 d scanning and reverse design, dredging machines to scan the bravery of the pump and modeling, so as to prove that this method in surveying and mapping of dredging machines has wide application prospects.Keywords: 3 d scanning, reverse design, CAD model parameters中图分类号： TV53+5 文献标识码：A 文章编号：1前言三维扫描加逆向设计是目前最为流行产品设计制造方法之一。由于它能极大的缩短产品生产制造时间，因此在各个行业中都有广泛的应用。近几年疏浚市场的繁荣，各大疏浚公司为满足生产需要，制造了一批新型挖泥船。它们给各个疏浚公司创造巨大经济效益的同时也为其带来了新的难题疏浚设备磨损件备件的制作和更换问题。由于疏浚设备中很多都是形状复杂的设备件，例如泥泵、绞刀、吸嘴、刀齿等，都是形状不规则的铸造件，故需要对其进行测绘工作，传统的测绘方法效率极低且对测绘人员测绘水平要求较高，否则将很难设计制造出满足要求的疏浚设备备件。为了克服传统测绘方法耗时长效率低的缺点，需要使用一种新的方法和设备来进行备件的设计和测绘工作。本文通过使用三维扫描加逆向设计，对挖泥机具中的泵胆进行扫描和建模，以此说明该方法在挖泥机具测绘中具有广阔的应用前景。2三维扫描设备的介绍三维扫描设备是一种利用光学定位技术，将物体外形生成三维数据的设备。它的优点是可以快速准确的将复杂的形状转化为三维数据导入到电脑中，从而进行设计参数的提取。目前应用比较广泛的有两种类型，一种是关节臂扫描，一种是自定位三维扫描。前者的测量精度比后者高，但其并不是很适合用于船舶备件的测量。因为，船舶备件都需要现场测量，而现场测量时的空间都比较狭小，这很大程度上制约了关节臂扫描设备的使用，而自定位三维扫描设备其在扫描的过程中有自行定位的功能，故不需要很大的工作空间，使用起来更为灵活。在对泥泵的泵胆进行扫描和建模的过程中，自定位三维扫描设备测量数据的精度完全能够满足工程要求，图1为自定位三维扫描设备实物图。图1自定位三维扫描设备实物图3 三维扫描加逆向设计与传统测绘方法对比表1 三维扫描加逆向设计与传统测绘方法对比 三维扫描加逆向设计 传统测绘方法测绘工具 专业扫描设备 钢尺、卷尺、样板测绘时间 快捷（泵胆一天测量完毕） 时间不确定，受备件的形状影响大，需重复剪样板进行比对测绘数据处理 专业软件进行处理，数据可靠性高，真实反映备件的复杂形状 测量数据的可靠性受测绘人员水平的影响很大，只能大体逼近备件的原始形状人员技能要求 需进行设备操作和软件使用的相关培训 要具有丰富的测绘经验，否则很难胜任复杂形状备件的测绘工作4泥泵泵胆的三维扫描加逆向设计过程通过使用自定位三维扫描设备对泥泵泵胆进行扫描能直接得到泵胆的三维数据，不同的扫描设备生成的数据格式有所不同，但通过相关三维软件处理后均能够相互转化，既不影响精度也不影响后续的CAD模型处理，图2为通过自定位三维扫描设备得到的泥泵泵胆三角网格面片图形。图2 泵胆的三角网格面片图形将生成的三角网格面片导入到三维软件中进行处理，优化模型，得到与实际备件相符的模型。根据泵胆的实际几何特征，运用逆向软件中的相关拟合方式找到一些关键的面、轴及中心，如下图3。在找构件的关键特征时要注意，一些关键特征之间的关系是固定的，在处理的时候要固定。比如泥泵的出口平面肯定是与泥泵的中心对称面是平行的，因为有些时候比较大尺寸的构件测绘时是需要通过分块测量的，然后再在三维软件中将各个分块组合起来，这样会影响构件的精度，所以在找这些关键的几何特征时就很重要，对提高测绘构件的精度很有帮组。图3 拟合关键几何特征后的泵胆图通过拟合得到的关键平面、轴及中心，即可得到CAD参数建模所需的关键曲线和参数。下图4中的泵胆横向最大截面处轮廓线在泵胆的CAD参数建模中十分重要，而用传统的测绘方法要想得到该轮廓线是十分困难的。使用三维扫描加逆向设计方法后，这一难题轻易就被攻克了。在寻找扫描截面的时候，要注意找具有代表意义的截面，比如泥泵的中心渐开线的起始截面和终结截面，就是扫面能不能顺利完成的关键，在这个泥泵中，终结截面就要选择在排出口中心轴与渐开线相切的地方，这样就可以把泥泵分成圆台型的排出口和涡轮行的泵体，在建模的时候分别建立即可。因此在扫描的时候要注意这些特征位置。对这些地方的扫描要做仔细，相反一些不主要的位置，就可以忽略。泥泵是一个对称体，我们就可以只扫描一半的结构，这样既可以减少工作量又可以提高精度。图4 泵胆横向最大截面处的轮廓线图经过上面抽取重要轮廓线和在三角网格面片模型上量取参数尺寸的过程后，相关人员就能够在CAD建模软件中建出泵胆的参数模型，图5为参数化的泵胆模型图。图5 参数化的泵胆模型图5总结使用三维扫描加逆向设计对疏浚备件进行测绘是备件测绘方法的新发展，它克服了传统测绘方法耗时、耗力、耗人的缺点，极大的提高了生产效率。设计得到的参数模型可用于FEM受力分析，CFD流体分析，也可以为以后进行新型疏浚设备部件的研究和开发积累重要的模型资料。注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。