李碩,成思源,楊雪榮
(1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,廣東廣州510006;2.廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點實驗室,廣東廣州510006)
反求工程 (Reverse Engineering,RE)是一門旨在改善技術(shù)水平,提高生產(chǎn)率,增強經(jīng)濟競爭力的技術(shù),是對實物模型進(jìn)行三維測量并進(jìn)行模型重構(gòu),同時利用各種三維CAD軟件進(jìn)行再創(chuàng)新的過程,其意義不僅在于把原有物體還原,而且在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行再次創(chuàng)新[1]。從目前來看,大多數(shù)反求工程的研究主要集中在將實物模型轉(zhuǎn)換為可制造的CAD模型,其最終目標(biāo)都是要實現(xiàn)產(chǎn)品的再設(shè)計。在此過程中,要實現(xiàn)產(chǎn)品的再設(shè)計,變形技術(shù)也是重要的環(huán)節(jié)。
曲面變形技術(shù)是再設(shè)計技術(shù)的重要組成部分,變形技術(shù)側(cè)重于對修改現(xiàn)有CAD模型和實現(xiàn)對現(xiàn)有CAD模型的變換,從而產(chǎn)生一個新的模型。大多數(shù)變形技術(shù)和兩類對象表示方法密切相關(guān),一類是純幾何表示方法,如FFD(Free Form Deformation),另一類是非純幾何表示方法,如基于能量優(yōu)化的曲線曲面建模,即運用各種手段限制原始曲線或曲面和目標(biāo)曲線和曲面的最小物理形變能,這一點在ThinkDesign軟件中的GSM功能中得到了體現(xiàn)。
變形技術(shù)是一種將幾何形狀或?qū)嶓w模型變化成為另一種幾何形狀和實體模型的技術(shù),而在變化過程中,原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變。該種技術(shù)主要強調(diào)通過何種方法對對象進(jìn)行變形。變形方法的不同在于變形原理不同。
自由變形方法 (FFD)算法的前提是假設(shè)物體有很好的彈性,容易在外力作用下發(fā)生變形。在使用該造型算法時首先需要一個控制框架將物體嵌入框架內(nèi),然后通過外力使框架變形,控制頂點可以控制物體的形狀,物體隨著框架的變形而變形。FFD算法被喻為雕塑家的手,可整體也可局部的使用,每實施一次,相當(dāng)于用手把整個物體雕塑了一遍。FreeForm系統(tǒng)正是基于FFD原理開發(fā)的。
基于能量模型的能量優(yōu)化法造型是以曲線曲面擁有最小物理變形能量為目標(biāo),通過實施外加載荷或約束條件從而對曲線曲面進(jìn)行形狀控制。能量優(yōu)化法曲線曲面造型大致可以分為兩類,從物理變形能出發(fā)和從幾何性質(zhì)出發(fā),從幾何性質(zhì)出發(fā)的能量模型一般是考慮面積,長度,曲率及曲率變化率等方面的約束,ThinkDesign中GSM功能正是采用這種方法[2]。
ThinkDesign軟件中GSM功能(Global Shape Modelling)即全局形狀建模技術(shù),能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行曲面的設(shè)計和修改,而且修改之后的曲面能保持和原來曲面相同的曲面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和曲面質(zhì)量[3]。作者采用ThinkDesign中的GSM功能對模型進(jìn)行了修改。
FreeForm觸覺式設(shè)計系統(tǒng)是一套基于力反饋技術(shù)的虛擬造型系統(tǒng),它利用先進(jìn)的技術(shù)手段將虛擬物體的空間運動變成周邊物理設(shè)備的機械設(shè)備,讓用戶體會到真實的力度感和方向感。其特有的基于力反饋技術(shù)的3D Touch技術(shù)由3個元素組成,硬件接口“PHONTOM”,系統(tǒng)軟件“GHOST”和數(shù)字黏土。
圖1 FreeForm系統(tǒng)
FreeForm系統(tǒng)使用的核心硬件是如圖1(b)所示,它具有6個自由度的操作桿,配合鍵盤進(jìn)行模擬黏土雕刻的設(shè)計過程。FreeForm造型軟件具有豐富的細(xì)節(jié)設(shè)計功能,常用的工具有:構(gòu)造黏土工具 (Construct Clay Tools),雕刻黏土工具 (Sculpt Clay Tools),黏土細(xì)節(jié)造型工具 (Detail Clay Tools),變形黏工具 (Deform Clay Tools)等[4]。
FreeForm系統(tǒng)和ThinkDesign軟件在設(shè)計方面各有所長。FreeForm觸覺造型系統(tǒng)采用3D Touch技術(shù),在其它大多數(shù)CAD軟件基礎(chǔ)上具有自己獨特的命令,如膨脹、變形、平滑等,不僅可以將創(chuàng)意、靈感、目的、意圖直接表現(xiàn)在數(shù)字模型中,而且可以對模型表面數(shù)據(jù)進(jìn)行快速修復(fù)以及再設(shè)計,得到完整的模型表面數(shù)據(jù)[5]。但由于FreeForm在處理數(shù)據(jù)時沒有完全受到參數(shù)化制約,對于在處理一些細(xì)節(jié)問題的時候,精度方面會有所缺陷,而在ThinkDesign中,利用GSM變形功能時需要設(shè)置初始點和目標(biāo)點,或者初始曲線和目標(biāo)曲線,然后設(shè)置約束條件,從而達(dá)到精確變形的目的,正好彌補了這一缺陷。但FreeForm系統(tǒng)相對于GSM功能其造型靈活性比較有優(yōu)勢,只需操作者操縱手持式遙控桿,便可對模型進(jìn)行造型設(shè)計。
文中將2種變形技術(shù)與逆向建模相結(jié)合,構(gòu)成了一套從實物模型到再設(shè)計后的新產(chǎn)品CAD模型平臺。逆向建模由于受到表現(xiàn)形式的局限,并不能完全滿足產(chǎn)品再設(shè)計要求,引入了FreeForm觸覺交互技術(shù),充分發(fā)揮其在虛擬變形環(huán)境下的觸覺雕刻優(yōu)勢,有利于實現(xiàn)數(shù)字化模型的創(chuàng)新設(shè)計,同時引入了ThinkDesign軟件中GSM功能,不僅在參數(shù)化要求方面有保證,而且彌補了FreeForm系統(tǒng)在處理外形不規(guī)則的曲面以及在處理多處變形方面的不足,使得對于產(chǎn)品的再設(shè)計方面相互補充,各盡其能,提高了再設(shè)計效率,縮短了產(chǎn)品再設(shè)計周期。
反求工程旨在對已有實體模型的再設(shè)計,其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 反求工程體系結(jié)構(gòu)示意圖
路線①屬于傳統(tǒng)的反求工程模式,在這里不再贅述。路線③由于對于測量數(shù)據(jù)點的要求較高,所以容易產(chǎn)生誤差[6]。采用路線②,在三維重構(gòu)與STL文件的轉(zhuǎn)換之間加入兩種變形技術(shù)分別對模型進(jìn)行整體和局部變形,即將掃描之后的點云在Geomagic studio中進(jìn)行前處理,然后提取模型外形特征線,反復(fù)編輯這些特征線生成NURBS曲面,然后導(dǎo)入到ThinkDesign中利用GSM功能對模型進(jìn)行整體變形,之后再導(dǎo)入到FreeForm系統(tǒng)中進(jìn)行局部變形,并將輸出為STL格式的模型分層后用于3D成型制造。其技術(shù)路線如圖3所示。
圖3 基于變形技術(shù)的反求再設(shè)計流程圖
反求設(shè)計首先由實體模型通過光學(xué)掃描得到點云模型。其數(shù)據(jù)通過Creaform公司手持式激光三維掃描儀進(jìn)行全面掃描后得到。掃描之后得到一系列的點云,由于原始的點云會有很多瑕疵,通過Geomagic studio對原始點云進(jìn)行噪點處理等操作得到一系列整齊有序的點云之后,并對封裝之后形成的三角形網(wǎng)格進(jìn)行表面光順和優(yōu)化處理 (圖4),之后對模型進(jìn)行分割,參數(shù)化分片處理并進(jìn)行柵格化擬合成NURBS曲面 (圖 5)[7]。
圖4 封裝之后的模型
圖5 擬合成NURBS曲面
將擬合之后的鼠標(biāo)模型NURBS曲面以IGES文件格式導(dǎo)入到ThinkDesign系統(tǒng)中,其中GSM功能作為一種高級建模方式可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行迅速準(zhǔn)確的修改,對于產(chǎn)品的回彈補償,可根據(jù)實際測量或者用戶的需求修改曲面的形狀,作者根據(jù)起始點對表面進(jìn)行整體變形再設(shè)計[8](圖中坐標(biāo)原點為變形起始點)。
如圖6所示,選取圖中淺色區(qū)域進(jìn)行GSM變形,并在變形區(qū)域選擇坐標(biāo)原點作為初始點,然后在坐標(biāo)軸z軸上設(shè)置目標(biāo)點,同時約束區(qū)域的邊界 (圖7)(邊界為圖中淺色區(qū)域的外邊界)。
圖6 變形區(qū)域
圖7 設(shè)置起始點和目標(biāo)點
最終變形結(jié)果如圖8所示 (中間深淺色區(qū)域為變形結(jié)果)。從圖中結(jié)果可以看出,鼠標(biāo)頂面根據(jù)目標(biāo)點約束發(fā)生了整體變形。
圖8 鼠標(biāo)變形結(jié)果
將在ThinkDesign中整體變形之后的模型導(dǎo)入到FreeForm系統(tǒng)進(jìn)行局部變形。首先在系統(tǒng)中將模型整體生成黏土格式文件,然后,在鼠標(biāo)的頂面采用FreeForm系統(tǒng)中圖片映射浮雕功能,形成logo“323”圖案,即將圖片上的信息映射到虛擬黏土上面,在黏土模型上以浮雕的形式顯示出來,并且可以設(shè)定浮雕的高度。具體的效果如圖9所示。
然后應(yīng)用“Construct Clay”工具欄中“Inflate”命令在鼠標(biāo)的底部膨脹生成三個矩形條,然后應(yīng)用“Wire Cut clay”命令將三個矩形條切平,得到的設(shè)計結(jié)果如圖10所示。
圖9 鼠標(biāo)浮雕變形
圖10 添加矩形條后模型
待所有工作完成之后,將處理之后的模型保存為STL格式,并將整理后的文件進(jìn)行切片,輸入到3D打印機中進(jìn)行成形制造。
提出了基于ThinkDesign軟件和FreeForm系統(tǒng)的變形設(shè)計,首先將掃描之后的鼠標(biāo)點云在Geomagic studio中進(jìn)行前處理之后擬合成NURBS曲面,進(jìn)而導(dǎo)入到ThinkDesign和FreeForm中進(jìn)行模型整體和局部變形設(shè)計,最后導(dǎo)入到3D成型機中進(jìn)行快速制造。在對兩個軟件分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)各自的優(yōu)勢提出了技術(shù)路線,即將兩種變形技術(shù)融合到反求工程中,進(jìn)而對反求模型進(jìn)行了相應(yīng)的再設(shè)計,將有利于提高產(chǎn)品再設(shè)計效率和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
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