曾 鋒

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，廣東廣州 510510）

0 前言

快速曲面重建是逆向工程軟件系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)簡(jiǎn)化從點(diǎn)云生成CAD曲面的流程?？s短了曲面的重建過(guò)程，快速曲面重建系統(tǒng)的典型代表主要有Geomagic Stu?dio，其完整流程主要有從點(diǎn)云中重建出三角網(wǎng)格曲面，對(duì)三角網(wǎng)格曲面編輯處理，參數(shù)化分類處理，擬合成CAD模型。最后導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件完成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。下面運(yùn)用上述方法對(duì)電吹風(fēng)的進(jìn)行曲面重建與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 吹風(fēng)筒點(diǎn)云處理

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

高效、準(zhǔn)確地獲取模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)逆向工程的關(guān)鍵，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，根據(jù)測(cè)量方式的不同，可以分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢?，本文中，電吹風(fēng)點(diǎn)云的獲取是通過(guò)非接觸式設(shè)備進(jìn)行掃描所得（拍照式掃描儀），拍照式掃描儀的優(yōu)點(diǎn)為測(cè)量效率極高，對(duì)于要求精度不高的樣品掃描，可以大幅提高其建模效率。

1.2 點(diǎn)云對(duì)齊和優(yōu)化處理

點(diǎn)云由可表達(dá)出模型形狀的大量的點(diǎn)組成。由于掃描儀的掃描技術(shù)限制以及掃描環(huán)境的影響，不可避免地帶來(lái)多余的點(diǎn)云或噪點(diǎn)。所以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理尤為重要。電吹風(fēng)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在兩個(gè)問(wèn)題，兩個(gè)點(diǎn)云文件未對(duì)齊，以及噪點(diǎn)、雜點(diǎn)過(guò)多，如何快速完成點(diǎn)云對(duì)齊和優(yōu)化處理？這些都是需要通過(guò)一下的步驟進(jìn)行優(yōu)化處理。

手動(dòng)注冊(cè)可分為一點(diǎn)注冊(cè)和N點(diǎn)注冊(cè)兩種使用方式，對(duì)于電吹風(fēng)點(diǎn)云形狀來(lái)說(shuō)，一點(diǎn)注冊(cè)顯然不能對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行完全的定位對(duì)齊，故進(jìn)行N點(diǎn)對(duì)齊，首先將形狀比較完整的點(diǎn)云文件設(shè)為固定數(shù)據(jù)，另一個(gè)作為浮動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖1所示，從固定數(shù)據(jù)點(diǎn)云中選擇三個(gè)明顯的特征點(diǎn)，進(jìn)行作為定位的基準(zhǔn)，然后在浮動(dòng)數(shù)據(jù)中選擇與之對(duì)應(yīng)的位置，成功將兩個(gè)點(diǎn)云模型對(duì)齊。如圖2所示，兩個(gè)點(diǎn)云文件已經(jīng)成功對(duì)齊，完成手動(dòng)注冊(cè)之后，需要對(duì)模型進(jìn)行全局注冊(cè)。

對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行聯(lián)接點(diǎn)對(duì)象，電吹風(fēng)點(diǎn)云存在大量的雜點(diǎn)離散點(diǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行選擇，并對(duì)其進(jìn)行刪除操作，在Geomagic studio中對(duì)點(diǎn)云中的雜點(diǎn)、噪點(diǎn)有以下操作：非連接項(xiàng)命令選擇的是偏離主點(diǎn)云的點(diǎn)束，這個(gè)命令有兩個(gè)選項(xiàng)來(lái)調(diào)節(jié)其選擇范圍，下拉菜單中分為，高、中、低選項(xiàng)，表示點(diǎn)束距離主點(diǎn)云距離的大小。體外孤點(diǎn)命令選擇偏離主點(diǎn)云的三點(diǎn)，敏感性值越大，偏離主點(diǎn)云越小的點(diǎn)則會(huì)被選擇。減少噪音有助于于減少主點(diǎn)云在掃描中的噪音點(diǎn)。點(diǎn)云一般都需要進(jìn)行以上三項(xiàng)的處理，然而，當(dāng)使用了以上三項(xiàng)命令，如仍然無(wú)法清除雜點(diǎn)，需要手動(dòng)進(jìn)行選擇刪除，選擇的命令主要有套索，畫(huà)筆選擇工具。

圖1 固定數(shù)據(jù)與浮動(dòng)數(shù)據(jù)

1.3 點(diǎn)云采樣

在很多情況下，從掃描儀中的得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)很大，為提高效率可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。該軟件提供了四種采樣模式：統(tǒng)一采樣、曲率采樣、等距采樣和隨機(jī)采樣。在一般情況中，采用統(tǒng)一采樣，統(tǒng)一采樣使平坦曲面上的點(diǎn)數(shù)目減少量一致，但以規(guī)定密度減少曲面上的點(diǎn)數(shù)目，然后對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行封裝，進(jìn)入到多邊形階段。輸入定義點(diǎn)云間距，輸入0.15，完成對(duì)點(diǎn)云數(shù)量的精簡(jiǎn)。

2 點(diǎn)云的多邊形階段

2.1 Geomagic studio中關(guān)于填充孔的問(wèn)題以及填充技巧

點(diǎn)云經(jīng)過(guò)三角化處理進(jìn)入多邊形階段，多邊形階段的模型即大量的由點(diǎn)與點(diǎn)之間拼接成三角形而組成。由于通常會(huì)存在多余的、錯(cuò)誤的或表達(dá)不準(zhǔn)確的點(diǎn)，因此由這些點(diǎn)構(gòu)成的三角形也要進(jìn)行刪除或其他編輯處理。

對(duì)于點(diǎn)云質(zhì)量較差的情況，在封裝之后，會(huì)出現(xiàn)破面，空孔，如圖3所示，可以使用填充單個(gè)孔進(jìn)行修復(fù)，填充分為內(nèi)部孔、邊界和橋接三種方式，按實(shí)際情況使用[5]。填充中的技巧：在通常的填充孔過(guò)程中，有時(shí)直接填補(bǔ)孔洞的效果差強(qiáng)人意，這種情況?？梢园芽字車娜敲鎰h除，再進(jìn)行填充。

圖3 電吹風(fēng)點(diǎn)云封裝后產(chǎn)生的空孔

圖2 對(duì)齊數(shù)據(jù)

2.2 三角面的松弛問(wèn)題以及簡(jiǎn)化、網(wǎng)格醫(yī)生命令的使用

在多邊形階段，松弛命令的使用十分敏感，通常情況下不要進(jìn)行過(guò)分的改動(dòng)，否則會(huì)造成模型的變樣，盡量不要對(duì)整體進(jìn)行松弛操作，可以通過(guò)選取局部面，對(duì)局部進(jìn)行松弛處理。網(wǎng)格醫(yī)生命令可以清除三角面中存在釘狀物，小通道等缺陷。運(yùn)用簡(jiǎn)化命令，可以通過(guò)設(shè)置百分比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)三角面的精簡(jiǎn)，在電吹風(fēng)三角面中，輸入70%完成對(duì)三角面的精簡(jiǎn)。

2.3 電吹風(fēng)模型坐標(biāo)的對(duì)齊

對(duì)模型形狀進(jìn)行分析，電吹風(fēng)主體可以由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，把手上表面為平面，根據(jù)以上的分析，利用Geomagic stu?dio特征工具中直線（圓柱/圓錐/旋轉(zhuǎn)軸）和平面（最佳擬合、過(guò)點(diǎn)垂直于）命令，構(gòu)建將用于對(duì)齊全局坐標(biāo)的特征，將模型與坐標(biāo)系對(duì)齊。

2.4 去除特征以及松弛邊界

對(duì)于模型中存在的一下缺陷以及細(xì)小特征，使用套索工具圈選特征，在多邊形工具條里使用去除特征功能，可獲得優(yōu)化后的模型形狀，對(duì)于模型邊界不平整的部分，使用編輯邊界命令，調(diào)整控制點(diǎn)以及張力，獲得平滑的邊界。

3 構(gòu)建參數(shù)曲面階段

構(gòu)建參數(shù)曲面流程：探測(cè)區(qū)域→編輯輪廓線→區(qū)域分類→擬合曲面→擬合連接→裁剪縫合曲面。

3.1 探測(cè)區(qū)域，編輯輪廓線

執(zhí)行探測(cè)區(qū)域命令，并計(jì)算生成分隔符，對(duì)生成錯(cuò)誤的分隔符進(jìn)行刪除，使用畫(huà)筆選擇工具繪制分隔符界線。對(duì)區(qū)域進(jìn)行抽取線條操作，利用編輯輪廓線，對(duì)輪廓線進(jìn)行優(yōu)化，合理布局，目的是為了區(qū)分每一個(gè)面的特征。

3.2 區(qū)域分類，擬合曲面

區(qū)域分類的意義在于定義曲面類型，電吹風(fēng)曲面類型可分為平面、旋轉(zhuǎn)、掃描、自有形態(tài)，通過(guò)選中面區(qū)域，利用區(qū)域分類，可對(duì)其進(jìn)行定義。選中已分類曲面進(jìn)行擬合生成曲面。

3.3 擬合連接，裁剪縫合

通過(guò)定義曲面相接處的連接形態(tài)，來(lái)擬合兩個(gè)曲面，在電吹風(fēng)模型中，主要連接形狀有尖角，半徑，以及自由形態(tài)，當(dāng)擬合曲面之間完成時(shí)即可縫合曲面。

4 UG軟件建模

4.1 對(duì)導(dǎo)入的曲面進(jìn)行優(yōu)化

根據(jù)上步所縫合的曲面，保存為IGS格式，將其導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中進(jìn)行處理。對(duì)于質(zhì)量較差的點(diǎn)云，所生成的曲面帶有缺陷，造成在造型軟件中，無(wú)法進(jìn)行縫合及鏡像特征，在這種情況下，曲面無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)體化生成，對(duì)于外形精度不高的產(chǎn)品，可以在UG草繪環(huán)境中進(jìn)行對(duì)其輪廓線的提取，分析其形狀的組成，合理采用回轉(zhuǎn)等命令，來(lái)重造曲面外形。通過(guò)上步抽取的面的曲線，對(duì)電吹風(fēng)主體進(jìn)行回轉(zhuǎn)曲面創(chuàng)建，把手部分則通過(guò)截面及兩條引導(dǎo)線，掃描得到。修剪把手曲面在主體多余的伸出項(xiàng)，對(duì)電吹風(fēng)出風(fēng)口位置以及把手的下端，使用有界平面命令對(duì)其進(jìn)行封口，完成后依次將所有曲面縫合，繼而生成實(shí)體模型，如圖4所示。

圖4 生成實(shí)體模型

4.2 模型分型面的選擇

塑料模具的分型面選擇是否合理，關(guān)系到塑料制品的出模、塑料模具結(jié)構(gòu)、塑料模具的使用壽命等，選擇塑料模具分型面需要遵循以下原則：①有利于塑料制品出模；②簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)；③有利于塑料模具配模；④有利于確保塑料制品的表面質(zhì)量。在電吹風(fēng)模型中，選擇分型面，應(yīng)當(dāng)以其截面尺寸的最大處為其分型面。

圖6 拉伸實(shí)體至止口終止位置

4.3 電吹風(fēng)前殼的創(chuàng)建

4.3.1 電吹風(fēng)分型面以及出風(fēng)口形狀的建立

在電吹風(fēng)模型中，選擇截面尺寸的最大處為其分型面，在UG中繪制分型面的分型線，如圖5所示，以此曲線拉伸片體，使用修剪體命令，將實(shí)體分割為前殼與后殼部分。對(duì)電吹風(fēng)的前殼主體設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在出風(fēng)口以及電動(dòng)機(jī)固定結(jié)構(gòu)，在UG中通過(guò)對(duì)實(shí)體進(jìn)行拆分，偏置面，可以建立主體外形，對(duì)實(shí)體進(jìn)行抽殼，以及拉伸求差，制作出風(fēng)口。

圖5 繪制分型線

4.3.2 在UG中創(chuàng)建止口的技巧

止口分為內(nèi)止口與外止口，在電吹風(fēng)前殼的內(nèi)止口制作中，由于把手位置的分型面為彎曲面，直接提取線條拉伸，會(huì)造成曲面間的剪切不完全，所以，在制作止口時(shí)，選取一個(gè)平面，投影提取所需止口的線條，拉伸實(shí)體至止口終止位置，圖6所示終止位置是由分型面偏移4 mm得來(lái)，通過(guò)該位置對(duì)拉伸的實(shí)體進(jìn)行剪切，最終由主體和該拉伸實(shí)體求差，得到圖7所示的止口形狀。

圖7 得到的止口形狀

圖8 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.3.3 電吹風(fēng)前殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建

內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括了，電動(dòng)機(jī)的固定結(jié)構(gòu)，以及用于裝配的螺柱，開(kāi)關(guān)裝置的安裝限位結(jié)構(gòu)，內(nèi)部線束的卡位結(jié)構(gòu)，把手下端為線頭卡位結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

把止口的限位板與開(kāi)關(guān)固定結(jié)構(gòu)相連，起到既能加強(qiáng)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，又能實(shí)現(xiàn)內(nèi)外止口的裝配定位功能，尖角處倒圓角，起到易于裝配的作用。

由于螺絲柱長(zhǎng)度較長(zhǎng)，斜度大，低端也大，容易造成縮水，所以在此位置設(shè)置加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。把手下端的螺絲柱于線束的卡位結(jié)構(gòu)一體，在兩者之間布置加強(qiáng)筋。布置加強(qiáng)筋的作用主要有：①在不加大產(chǎn)品品壁厚的條件下，增強(qiáng)制品的強(qiáng)度和剛性，以節(jié)約塑料用量，減輕重量，降低成本。②可克服制品壁厚差帶來(lái)的應(yīng)力不均所造成的制品歪扭變形。③便于塑料熔體的流動(dòng)，在塑件本體某些壁部過(guò)薄處為熔體的充滿提供通道。

4.4 電吹風(fēng)后殼的創(chuàng)建

電吹風(fēng)后殼的設(shè)計(jì)部分主要有進(jìn)風(fēng)口外形的設(shè)計(jì)，在此出風(fēng)口的設(shè)計(jì)，主要通過(guò)UG中的掃描，拉伸與修剪體的命令來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的原則的在于，兼顧美觀的同時(shí)還需要保證產(chǎn)品在制作時(shí)的難易程度，合理進(jìn)行設(shè)計(jì)，使后殼可以便于模具生產(chǎn)中的制件脫模，如圖9所示。

后殼螺絲柱應(yīng)當(dāng)在兩側(cè)制作加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)強(qiáng)度，防止縮水，螺絲柱圓柱面應(yīng)當(dāng)給予拔模角度（此螺絲柱拔模角度為2h）以便于制作生產(chǎn)中脫模自攻螺絲預(yù)制孔的的規(guī)格主要有M1.8、M2、M2.5、M2.9、M3、M4，本例子中選用M2預(yù)制孔。

后殼伸出項(xiàng)的主要作用是為了與前殼開(kāi)關(guān)的電位結(jié)構(gòu)一起作用，如圖10所示，前殼結(jié)構(gòu)主要起到限制橫向移動(dòng)，通過(guò)后殼伸出項(xiàng)的限制，可限制開(kāi)關(guān)的縱向移動(dòng)，對(duì)開(kāi)關(guān)裝置起到卡位功能，伸出項(xiàng)加強(qiáng)筋在四周面也應(yīng)該制作拔模角度2h。模塊中的電吹風(fēng)總裝模型如圖11所示，在UG中真實(shí)著色編輯器里進(jìn)行簡(jiǎn)單的效果制作。

圖9 進(jìn)風(fēng)口外形的設(shè)計(jì)

圖10 后殼伸出項(xiàng)結(jié)構(gòu)

4.5 模型的裝配與著色

前后殼的裝配主要通過(guò)裝配模塊中約束完成，通過(guò)約束前后殼的止口（約束類型為接觸）以及螺絲柱的軸線約束對(duì)齊。實(shí)現(xiàn)兩者的裝配?；谇皻ぁ⒑髿ねㄟ^(guò)UG裝配

圖11 電吹風(fēng)總裝模型

5 結(jié)論

隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜曲面的產(chǎn)品越來(lái)越多，逆向工程技術(shù)的運(yùn)用，能大幅度的縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力[2-8]。通過(guò)激光掃描儀獲取產(chǎn)品點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在Geomagic Studio中快速生成產(chǎn)品的NURBS曲面，然后在UG里面對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行修改及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過(guò)現(xiàn)代制造技術(shù)或者模具技術(shù)制作產(chǎn)品，極大地縮短復(fù)雜曲面產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造周期，大幅度降低企業(yè)成本，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造具有重要意義。

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