詹春毅，鄢春艷（廣東省科技干部學(xué)院，廣東珠海519090）

基于Geomagic和Pro/E的逆向工程技術(shù)應(yīng)用*

詹春毅，鄢春艷
（廣東省科技干部學(xué)院，廣東珠海519090）

根據(jù)原始招財貓掃描的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過點云數(shù)據(jù)處理和NURBS曲面創(chuàng)建，生成招財貓內(nèi)外表面的CAD模型；再利用Pro/E軟件生成薄壁實體，為復(fù)雜曲面的實體化逆向工程設(shè)計提供了一種簡單可行的方法。

逆向工程；Geomagic studio；Pro/E；點云數(shù)據(jù)

0　引言

逆向工程是指在沒有設(shè)計圖紙或者設(shè)計圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，按照現(xiàn)有零件的實物模型（或稱為零件原形），利用各種數(shù)字化技術(shù)及CAD技術(shù)重新構(gòu)造零件CAD模型的過程。為保證逆向工程的速度和精度，必須選用合適的逆向建模軟件并設(shè)計合理的建模方案[1-2]。Geomagic Studio軟件以先進的數(shù)學(xué)模型、曲面構(gòu)建理論為基礎(chǔ)，能快速整理曲面點云數(shù)據(jù)，自動產(chǎn)生網(wǎng)格，可構(gòu)建任意復(fù)雜的精確曲面模型，但不能構(gòu)建實體模型[3-4]。對于復(fù)雜不規(guī)則曲面且曲面質(zhì)量和模型精度要求不高的模型，可以直接在Geomagic studio中擬合NURBS曲面，再通過IGES導(dǎo)入Pro/E中生成實體[5]。下面以一招財貓為對象，使用Geomagic Studio和Pro/E進行逆向建模。該建模過程分為3個階段：點云階段、曲面階段和實體建模階段。

1　點云數(shù)據(jù)處理

1.1填充孔

由于被測模型本身的幾何拓撲原因或因光學(xué)遮擋效應(yīng)、破損等原因，如零件測量面有孔洞或內(nèi)部有尖角等，會使測量得到的零件部分數(shù)據(jù)缺失，必須將這部分數(shù)據(jù)復(fù)原。如圖1所示，在缺失數(shù)據(jù)邊界上，有個別碎三角片，先將其刪除。另外，缺失部分數(shù)據(jù)邊界不規(guī)則，需要將此部分去除。使用【選擇】→【邊界】，進行一次【擴展】，選中該部分邊界并將其刪除，可得到該部分比較規(guī)整的邊界。

利用【填充孔】功能將缺失的點云數(shù)據(jù)補上，因眼睛部分與其他部分曲率有差別，注意在該部分使用橋填充方式，其余使用全部填充和部分填充。注意填充時均選擇“基于曲率的填充”選項，可保證模型中缺失的數(shù)據(jù)能按照周圍的曲率被重新補上，填充后完成結(jié)果如圖1所示。

圖1　填充孔前后的點云數(shù)據(jù)圖

在模型的耳朵一側(cè)有一凹坑，不利于后期曲面構(gòu)建，選擇該部分數(shù)據(jù)并將其刪除，然后用“基于曲率的填充”將其填補。刪除凹坑后的點云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2　去除凹坑前后的點云數(shù)據(jù)圖

在模型的眼睛突起部分同樣不利于后期曲面構(gòu)建，可將其先刪除并在后面CAD軟件中完成造型。如圖3所示，選中此部分并將其刪除，使用橋填充方式進行填充，注意保證與眼眶之間過渡光滑。

圖3　去除特征前后的點云數(shù)據(jù)圖

模型臉部胡須處存在一些凹坑，它們同樣會影響到后期的曲面構(gòu)建，必須將其去除?！救コ卣鳌棵羁赏瓿蛇@一功能?？捎糜趧h除模型中不規(guī)則的三角形區(qū)域，并根據(jù)周圍曲率的情況對不規(guī)則的區(qū)域進行修復(fù)。注意操作前要適當(dāng)選取需要去除特征的區(qū)域，選取范圍不可過大，因為可能存在非常不理想的三角形，導(dǎo)致操作無法正常進行[6]。此處需采用多次選取、多次去除的方法。

1.3邊界處理

使用【畫筆】工具選中如圖3所示的不屬于頭部的邊界，將其刪除，以保證頭部曲面質(zhì)量。然后點擊【邊界】→【編輯】，定義【控制點】數(shù)為100，【張力】為0.2，通過重建多邊形網(wǎng)格使不規(guī)則的自然邊界平滑化。注意平滑化后的邊界還會出現(xiàn)“褶皺”，可用【砂紙】工具對其進行“打磨”，將表面更加平滑。

經(jīng)過處理后的邊界會較原來曲面邊界縮小，點擊【邊界】→【延伸】，將邊界延伸10mm。同樣利用【砂紙】工具將延伸后邊界出現(xiàn)的“褶皺”去除。

2　創(chuàng)建NURBS曲面

本模型表面較復(fù)雜，細節(jié)特征多，如直接使用【構(gòu)造曲面片】功能，自動創(chuàng)建的曲面片不能很好地表達細節(jié)，必須手動繪制曲面片。它是零件創(chuàng)建曲面的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)以曲面分析為基礎(chǔ)進行合理劃分。曲面片不應(yīng)劃分過小，劃分過小得到的曲面會太碎，這給后續(xù)的處理造成困難；曲面片也不應(yīng)劃分的過大，劃分過大難以很好地捕捉點云形狀，得到的曲面質(zhì)量也較差。繪制曲面片的基本原則是：按照模型的結(jié)構(gòu)特點進行曲面片的繪制，使每塊曲面片的曲率變化盡量均勻，以提高曲面質(zhì)量；盡可能地使每塊曲面片的形狀與模型各部分的輪廓形狀一致[7-8]。

2.1構(gòu)造曲面片

以友情解決矛盾。鎮(zhèn)人大代表在調(diào)解中發(fā)現(xiàn)，鄉(xiāng)里鄉(xiāng)親之間發(fā)生的矛盾糾紛，大多都是出于誤解，代表們通過幫助回憶彼此愛好、難忘經(jīng)歷等方式喚醒雙方的友情，淡化矛盾，引導(dǎo)其用心平氣和的方式化解矛盾糾紛，幫助調(diào)解雙方打開心結(jié)，重歸舊好，打好“兄弟感情牌”。目前入戶走訪49次，解決此類矛盾35件。

進入曲面階段，點擊【曲面片】→【繪制曲面片布局圖】，最后創(chuàng)建曲面片如圖4所示。注意在眼睛、嘴巴等細節(jié)較多處，繪制曲面片應(yīng)適當(dāng)密一些，盡量保持其細節(jié)特征。完成后再對曲面片進行松弛處理，可使各曲面片褶皺較多的區(qū)域變得比較光滑。

圖4　手動繪制曲面片前后的點云數(shù)據(jù)圖

2.2構(gòu)造格柵并擬合曲面

點擊【構(gòu)造格柵】和【擬合曲面】命令，完成曲面的創(chuàng)建。擬合曲面時為了后期修改的方便，在“擬合方法”中選擇“常數(shù)”。再點擊【松弛曲面】命令，構(gòu)造格柵和松弛后的曲面如圖5所示。

圖5　構(gòu)造格柵和擬合曲面的圖

2.3輸出外表面曲面

創(chuàng)建曲面模型后，點擊【轉(zhuǎn)向CAD階段】，將該曲面數(shù)據(jù)輸入到Pro/E系統(tǒng)中方便后期處理，另存為IGES格式。注意勾選“保留NURBS模型”選項，如果輸出效果不理想可重新回曲面階段進行修改。

2.4構(gòu)造并輸出內(nèi)表面曲面

本模型具有一定厚度，而曲面形狀較復(fù)雜，采用一般在CAD系統(tǒng)中由曲面偏移指定厚度生成薄壁實體的方法不可行。必須采用直接偏移點云數(shù)據(jù)的方法。

打開之前創(chuàng)建好的模型外表面曲面布局，點擊【曲面片模板】→【轉(zhuǎn)換為】，生成一個曲面片模板。再導(dǎo)入之前的外表面曲面點云數(shù)據(jù)，選中點云，點擊【偏移】，向內(nèi)偏移一個厚度，得到偏移后的內(nèi)表面點云。進入曲面“塑形階段”，點擊【曲面片模板】→【應(yīng)用】，選擇全部點云，并勾選“固定邊界”，即可完成對內(nèi)表面曲面的布局。

同樣，點擊【構(gòu)造格柵】、【擬合曲面】和【松弛曲面】命令，完成內(nèi)表面曲面的創(chuàng)建。再點擊【轉(zhuǎn)向CAD階段】，另存為可用Pro/E打開的IGES格式。

3　生成薄壁實體

在Geomagic軟件中處理得到的是內(nèi)外表面的曲面，必須在CAD系統(tǒng)中才能得到實體。在Pro/E中分兩步完成。首先點擊【拉伸】，得到一個將模型底部完全封閉的曲面；并使用【合并】將其與外表面曲面合并。然后將合并后的曲面實體化，得到一個完全封閉的實體；最后點擊【實體化】，使用內(nèi)表面曲面切割得到薄壁實體。注意如內(nèi)表面曲面不能完全切割實體，還必須將其進行延伸，延伸方法選擇“逼近”。最終得到的實體如圖6所示。

圖6　實體化前后的剖面圖

4　結(jié)語

本文以一招財貓模型為例，對基于Geomagic Studio與Pro/E軟件的逆向設(shè)計工作平臺進行了分析。整個建模過程分為3個階段：點云階段、曲面階段和實體建模階段。在曲面階段采用了手動繪制曲面片功能，構(gòu)造曲面片時盡量保持模型的細節(jié)，可得到較理想的曲面；并將該曲面片布局保存為模板，對偏移后的內(nèi)表面應(yīng)用該模板，可快速得到內(nèi)表面；再在Pro/E中完成薄壁實體建模。利用該工作平臺，可直接獲得零件原型的數(shù)字曲面，加快復(fù)雜零件逆向工程的數(shù)字建模進程，大大提高產(chǎn)品設(shè)計和制造的效率和質(zhì)量。

［1］胡影峰.Geomagic Studio軟件在逆向工程后處理中的應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動化，2008，31（9）：135-137.

［2］代菊英，涂群章，趙建勛，等.基于Geomagic、Im?ageware和Pro/E的機械零件逆向建模方法［J］.工具技術(shù)，2012，46（5）：55-58.

［3］張紅兵，杜建紅.逆向技術(shù)的工程實踐綜述［J］.機電工程技術(shù)，2012，41（11）：21-25.

［4］鄒建軍，賴朝安，王衛(wèi)平，等.基于逆向工程與快速成型的假體設(shè)計和制造［J］.制造業(yè)自動化，2008，30（11）：76-78.

［5］賈志欣，陳俊華，童森林，等.基于Pro/E軟件的逆向工程技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.工具技術(shù)，2006，40（8）：27-29.

［6］陳裕芹，成思源，鄒付群，等.基于Geomagic Studio的葉片修復(fù)與曲面建模［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，28（3）：70-73.

［7］成思源，吳問霆，楊雪榮，等.基于Geomagic Studio的快速曲面重建［J］.現(xiàn)代制造工程，2011（1）：8-12.

［8］馬春宇，袁軍平，郭文顯.基于Geomagic Studio實現(xiàn)自由曲面全逆向NURBS重構(gòu)［J］.機械與電子，2011（2）：41-44.

(編輯：向飛)

Technique and Application of Reverse Engineering Based on Geomagic and Pro/E

ZHAN Chun-yi，YAN Chun-yan
（CollegeofMechanicaland ElectricalEngineering，Guangdong InstituteofScienceand Technology，Zhuhai519090，China）

Based on the data of the original lucky cat scanning，a CAD surfacemodel of the lucky catwas created through point cloud data processing and nurbs surface creating.Then Pro/E software was used to create the thin wall entitymodel.It provides a simple and feasiblemethod for the reverse engineering of complex surface.

reverseengineering；Geomagic studio；Pro/E；pointcloud data

TP391.7

A

1009－9492(2015)06－0118－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.032

*廣東省自然科學(xué)基金資助項目(S2013010012025)；廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院校級科研項目（XJMS201301）

2015－03－25

詹春毅，男，1978年生，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：逆向工程和注塑成型。已發(fā)表論文14篇。