陳周五

(安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230051)

在追求個性化的當(dāng)今，傳統(tǒng)的鞋楦設(shè)計(jì)無法滿足用戶多元化的需求[1]。傳統(tǒng)的鞋楦設(shè)計(jì)制造時(shí)間周期長，關(guān)鍵部位如頭型、后身過分依賴經(jīng)驗(yàn)，所獲取的數(shù)據(jù)也難以準(zhǔn)確表達(dá)鞋楦曲面的3維數(shù)據(jù)，更難以滿足用戶個性化需求[2]。本文以某款鞋楦模型為例，利用逆向工程技術(shù)，采集鞋楦的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行逆向建模，所生成的逆向模型可依據(jù)用戶的需求進(jìn)行修改，以滿足用戶在尺寸、舒適度和運(yùn)動生理特征等方面的需求，縮短鞋類的設(shè)計(jì)周期，增加企業(yè)競爭力。

1 自動曲面創(chuàng)建鞋楦的逆向建模

1.1 逆向工程概述

逆向工程是一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)反求過程，利用測量工具獲取產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)，重構(gòu)產(chǎn)品CAD模型并創(chuàng)新的一種設(shè)計(jì)方法[3]。通過逆向工程技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以對原始產(chǎn)品模型進(jìn)行還原、優(yōu)化和再設(shè)計(jì)等，有利于產(chǎn)品的快速創(chuàng)新開發(fā)[4]。目前廣泛應(yīng)用在汽車、模具等領(lǐng)域。應(yīng)用逆向工程進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程分為6步：

(1)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集：獲取產(chǎn)品表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集是逆向工程中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、反求模型的基礎(chǔ)。本文采用北京三維天下科技有限公司生產(chǎn)的Win3DD單目三維掃描儀獲取原始產(chǎn)品表面各離散點(diǎn)的3維坐標(biāo)和法向量等相關(guān)物理參數(shù)。如圖1所示。

由于鞋楦材質(zhì)表面不感光或全反射，需要對其采取噴漆處理，使取得的點(diǎn)數(shù)據(jù)完整、清晰，有利于后續(xù)點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理。

原始鞋楦點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

(2) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理：采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)因存在設(shè)備誤差、掃描方式誤差、測量誤差和環(huán)境因素導(dǎo)致的誤差，本文采用Geomagic Studio 軟件對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

采用高斯濾波器去除采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪聲，公式為：

(1)

由于在數(shù)據(jù)采集時(shí)，往往需要進(jìn)行多次掃描，導(dǎo)致數(shù)據(jù)密度增大，且所得數(shù)據(jù)中包含著大量的冗余數(shù)據(jù)，因此在該軟件中通過將數(shù)據(jù)點(diǎn)間的絕對間距為設(shè)定為0.7mm 進(jìn)行數(shù)據(jù)去冗。在此基礎(chǔ)上，利用Geomagic Studio 軟件對去冗后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去刪除釘狀物、修補(bǔ)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺陷處理，最終生成符合逆向建模要求的點(diǎn)云文件[5]。

(3)逆向建模過程：應(yīng)用逆向軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)產(chǎn)品CAD模型。重構(gòu)CAD模型要能反映原始產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路，既要滿足產(chǎn)品的光順度要求又要保證產(chǎn)品的精度要求[6]。

(4)CAD質(zhì)量分析：通過對重構(gòu)CAD模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析，獲取關(guān)鍵點(diǎn)位置的3D和2D偏差、尺寸精度誤差、形位誤差等信息，以反映整個零件各部位的偏差情況，進(jìn)而改進(jìn)和完善CAD模型，降低制造流程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

(5)創(chuàng)新設(shè)計(jì)：依據(jù)實(shí)際需求，對重構(gòu)CAD模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，滿足產(chǎn)品美觀、功能、成本等多方面的要求，增加企業(yè)競爭力。

(6)產(chǎn)品再造過程：利用機(jī)械加工或者3D打印技術(shù)將完成的CAD模型進(jìn)行再生制造，可進(jìn)一步檢驗(yàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能，以滿足質(zhì)量要求。

自動曲面創(chuàng)建命令利用在面片上自動或手動構(gòu)建曲線網(wǎng)格，并將曲面擬合到能夠保持底層網(wǎng)格精度的網(wǎng)格，DX軟件可自動估算或者根據(jù)指定的曲面片數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過對自動生成的曲面片進(jìn)行縫合形成實(shí)體模型。這種重構(gòu)模型的方法效率高，曲面的擬合精度高，但對原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理有較高要求，因而能夠保證擬合曲面的光順度，特別適合產(chǎn)品的細(xì)節(jié)特征較多但對曲面精度要求不高的非機(jī)械類零件的構(gòu)建。

1.2 流程設(shè)計(jì)

利用該命令重構(gòu)產(chǎn)品流程為：提取輪廓曲線構(gòu)造曲面片網(wǎng)格調(diào)整和移動曲面片組擬合曲面補(bǔ)丁。

(1)提取輪廓曲線：該功能能夠自動檢測并提取面片上的特征曲線，也可手動繪制面片上的特征曲線，構(gòu)建產(chǎn)品的整體框架曲線，為后續(xù)構(gòu)造曲片面網(wǎng)格構(gòu)建前提條件。由于前期該鞋楦點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理較好(圖3所示)，結(jié)合該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用軟件自動提取輪廓曲線和手動繪制輪廓曲線兩種方式來生成該鞋楦的輪廓曲線，最終可將該點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建如圖4所示的輪廓曲線框架。

(2)構(gòu)造曲面片網(wǎng)格：利用生成的輪廓曲線自動構(gòu)建面片網(wǎng)格，通過該命令創(chuàng)建可編輯的面板組網(wǎng)格包含輪廓線，該步也是構(gòu)建NURBS曲面的前提條件。DX軟件利用該命令可自動估算或者根據(jù)指定的曲面片數(shù)來創(chuàng)建曲面片網(wǎng)格，如圖5所示。

(3)移動曲面片組：構(gòu)造曲面片網(wǎng)格命令所生成的曲面片網(wǎng)格是軟件依據(jù)輪廓線隨機(jī)生成，隨機(jī)生成曲面片的UV線不符合曲面結(jié)構(gòu)和流線特征，NURBS曲面能夠比傳統(tǒng)的網(wǎng)格建模方式更好地控制物體表面的曲線度，因此需要對所生成的曲面片網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整從而能夠創(chuàng)建出更逼真、生動的造型。移動曲面片組命令可移動并重新定位面板，為合理特征流配置曲面片網(wǎng)格。該命令依據(jù)輪廓線形狀可設(shè)置不同的UV線類型(如柵格、帶、圓形等)以調(diào)整UV線的走向進(jìn)而控制NURBS曲面的質(zhì)量。經(jīng)過移動曲面片組命令調(diào)整后曲面片網(wǎng)格如圖6所示。

通過比較圖5與圖6可以明顯看出調(diào)整以后的曲面片網(wǎng)格符合曲面的結(jié)構(gòu)和流線特征，進(jìn)而構(gòu)建出符合要求的曲面。依次對鞋楦各個曲面片網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化處理，最終得到的曲面片網(wǎng)格如圖7所示。

(4)擬合曲面補(bǔ)?。和ㄟ^擬合曲面補(bǔ)丁命令將曲面補(bǔ)丁擬合到之前已生成的曲面片網(wǎng)格，并將所擬合曲面片縫合成實(shí)體模型，最終完成整個的鞋楦逆向建模，如圖8所示。

2 鞋楦的逆向建模質(zhì)量分析

通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向完成的CAD模型構(gòu)建，由于原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集誤差、處理誤差和逆向過程中的建模誤差，導(dǎo)致無法完全還原原始產(chǎn)品模型。為了獲取逆向CAD模型和原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的誤差信息，進(jìn)而改進(jìn)和完善CAD模型，本文利用Geomagic Control軟件來獲取相關(guān)的誤差信息。Geomagic Control軟件是業(yè)界最全面、強(qiáng)大和最精確的3維計(jì)量解決方案的自動化平臺，該軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD模型進(jìn)行比較，通過獲取關(guān)鍵點(diǎn)位置的3D和2D偏差、尺寸精度誤差、形位誤差等信息來反映整個零件各部位的偏差情況，降低制造流程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

3D比較分析是將逆向CAD模型(測試數(shù)據(jù))與點(diǎn)云數(shù)據(jù)(參考數(shù)據(jù))進(jìn)行3D對比，計(jì)算測試數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)之間的整體偏差，生成一個以不同顏色區(qū)分參考對象間不同偏差的顏色偏差3D圖。圖9為鞋楦逆向CAD模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建的3D比較分析圖，從圖中可以看出，CAD模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體吻合度很高，只有少部分區(qū)域呈現(xiàn)淺藍(lán)色，其他部分都為吻合程度較高的綠色。由軟件給出的3D誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果和偏差分布如表1和圖10所示。

表1 3D誤差統(tǒng)計(jì)分析

本文設(shè)定公差為0.2mm，上偏差為0.1mm，下偏差為-0.1mm。從表1中可看出，重構(gòu)模型的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0226mm，總體誤差值在允許的偏差范圍內(nèi)。從圖8偏差分布圖中可以看出94.8264%的數(shù)據(jù)偏差集中在±0.02920mm之間，偏差值大于+0.07310mm和偏差值小于-0.02925mm的數(shù)據(jù)為0，逆向CAD模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體誤差滿足精度要求。

表2 3D表面關(guān)鍵點(diǎn)位偏差統(tǒng)計(jì)

表2為圖7所示的關(guān)鍵點(diǎn)位的關(guān)鍵點(diǎn)位偏差統(tǒng)計(jì)，從狀態(tài)值中可以看出：A001、A002、A003狀態(tài)為失敗，3個位置偏差值過大，且超過設(shè)定值，此位置主要集中在鞋楦側(cè)面與底面的過渡面上，主要原因?yàn)椋孩僭紥呙椟c(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理誤差；②生成的曲面網(wǎng)格不夠精細(xì)。

3 結(jié)論

本文利用逆向工程功能中的自動曲面創(chuàng)建命令快速重構(gòu)鞋楦的CAD模型，通過Geomagic Control軟件進(jìn)行重構(gòu)CAD模型與原始點(diǎn)云質(zhì)量分析，可得出重構(gòu)CAD模型滿足尺寸精度要求。針對誤差產(chǎn)生的主要原因：原始掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理誤差和生成的曲面網(wǎng)格不夠精細(xì)導(dǎo)致的誤差，可一方面在采集和處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行細(xì)致處理；另一方面在進(jìn)行逆向建模時(shí)細(xì)化曲面網(wǎng)格的方式來進(jìn)一步減小偏差值。本文中逆向工程技術(shù)也為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，提高設(shè)計(jì)效率提供依據(jù)，有效地提高了產(chǎn)品響應(yīng)市場需求的能力。