李碩，成思源，楊雪榮

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510006)

0 前言

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(qiáng)經(jīng)濟(jì)競爭力的技術(shù)，是對實(shí)物模型進(jìn)行三維測量并進(jìn)行模型重構(gòu)，同時(shí)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(shí)物模型轉(zhuǎn)換為可制造的CAD模型，其最終目標(biāo)都是要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)。在此過程中，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)，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(jì)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(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有CAD模型的變換，從而產(chǎn)生一個(gè)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(yùn)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(diǎn)在ThinkDesign軟件中的GSM功能中得到了體現(xiàn)。

1 變形設(shè)計(jì)技術(shù)介紹

1.1 變形技術(shù)原理簡介

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(shí)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(qiáng)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(shí)首先需要一個(gè)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(diǎn)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(shí)施一次，相當(dāng)于用手把整個(gè)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(shí)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］。

1.2 變形設(shè)計(jì)軟件簡介

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(jì)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(jì)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(yùn)動(dòng)變成周邊物理設(shè)備的機(jī)械設(shè)備，讓用戶體會(huì)到真實(shí)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(gè)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(gè)自由度的操作桿，配合鍵盤進(jìn)行模擬黏土雕刻的設(shè)計(jì)過程。FreeForm造型軟件具有豐富的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)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］。

1.3 ThinkDesign軟件和FreeForm系統(tǒng)優(yōu)勢對比分析

FreeForm系統(tǒng)和ThinkDesign軟件在設(shè)計(jì)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(dú)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(jì)，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(shí)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(shí)候，精度方面會(huì)有所缺陷，而在ThinkDesign中，利用GSM變形功能時(shí)需要設(shè)置初始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，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(bǔ)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(jì)。

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(shí)物模型到再設(shè)計(jì)后的新產(chǎn)品CAD模型平臺(tái)。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(jì)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化模型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，同時(shí)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(bǔ)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(jì)方面相互補(bǔ)充，各盡其能，提高了再設(shè)計(jì)效率，縮短了產(chǎn)品再設(shè)計(jì)周期。

2 基于FreeForm和ThinkDesign的反求再設(shè)計(jì)

反求工程旨在對已有實(shí)體模型的再設(shè)計(jì)，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(diǎn)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(diǎn)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(jì)流程圖

3 鼠標(biāo)模型的修復(fù)和再設(shè)計(jì)

3.1 掃描數(shù)據(jù)處理

反求設(shè)計(jì)首先由實(shí)體模型通過光學(xué)掃描得到點(diǎn)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(diǎn)云，由于原始的點(diǎn)云會(huì)有很多瑕疵，通過Geomagic studio對原始點(diǎn)云進(jìn)行噪點(diǎn)處理等操作得到一系列整齊有序的點(diǎn)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

3.2 鼠標(biāo)頂面再設(shè)計(jì)

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(jí)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(bǔ)償，可根據(jù)實(shí)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(diǎn)對表面進(jìn)行整體變形再設(shè)計(jì)［8］(圖中坐標(biāo)原點(diǎn)為變形起始點(diǎn))。

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(diǎn)作為初始點(diǎn)，然后在坐標(biāo)軸z軸上設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)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(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)

最終變形結(jié)果如圖8所示 (中間深淺色區(qū)域?yàn)樽冃谓Y(jié)果)。從圖中結(jié)果可以看出，鼠標(biāo)頂面根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)約束發(fā)生了整體變形。

圖8 鼠標(biāo)變形結(jié)果

3.3 FreeForm 變形設(shè)計(jì)

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(gè)矩形條，然后應(yīng)用“Wire Cut clay”命令將三個(gè)矩形條切平，得到的設(shè)計(jì)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(jī)中進(jìn)行成形制造。

4 結(jié)論

提出了基于ThinkDesign軟件和FreeForm系統(tǒng)的變形設(shè)計(jì)，首先將掃描之后的鼠標(biāo)點(diǎn)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(jì)，最后導(dǎo)入到3D成型機(jī)中進(jìn)行快速制造。在對兩個(gè)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(jì)，將有利于提高產(chǎn)品再設(shè)計(jì)效率和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

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