王 學(xué)，靳峰峰

(1.濟(jì)源鋼鐵集團(tuán)有限公司一冶煉廠，河南 濟(jì)源 459000；2.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源 459000)

0 引言

隨著科技不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們?cè)絹碓阶⒅厣眢w健康。戶外活動(dòng)越來越受人追捧，而一直僅作為農(nóng)具的鐵锨轉(zhuǎn)變成為戶外活動(dòng)的裝備之一。人們用它防身、開路、挖野菜等，給戶外活動(dòng)帶來便利。因此，鐵锨外形改造就顯得尤其重要了，因構(gòu)成鐵锨的各個(gè)面都是曲面，其產(chǎn)品優(yōu)化適合逆向設(shè)計(jì)。

1 逆向設(shè)計(jì)流程

逆向工程設(shè)計(jì)的主要流程：獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)、處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)、重建原型CAD模型。

獲取數(shù)據(jù)是逆向設(shè)計(jì)CAD建模的首要環(huán)節(jié)。獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)是運(yùn)用數(shù)據(jù)測(cè)量設(shè)備獲取實(shí)物模型表面點(diǎn)云，通常采用的數(shù)據(jù)測(cè)量設(shè)備有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、三維數(shù)字化掃描儀、工業(yè)CT和激光掃描測(cè)量儀等。

點(diǎn)云處理運(yùn)用點(diǎn)云處理軟件的相關(guān)功能進(jìn)行，消除多余的點(diǎn)，獲取比較整齊的點(diǎn)云，并多邊形化處理。點(diǎn)云處理是逆向工程CAD建模的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以直接影響后期重建模型的質(zhì)量。主要內(nèi)容包括散亂點(diǎn)排序、多視拼合、誤差剔除、數(shù)據(jù)表面光順、數(shù)據(jù)精簡、特征提取和數(shù)據(jù)分塊等。

逆向建模：利用處理好的數(shù)據(jù)，在逆向工程軟件中進(jìn)行曲面重構(gòu)和曲面拼接，獲得原有產(chǎn)品的三維CAD模型。此技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)、圖像處理、圖形學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算幾何、激光測(cè)量和數(shù)控等眾多交叉學(xué)科及領(lǐng)域。運(yùn)用CAD系統(tǒng)模型,將一些分割后形成的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)做表面模型的擬合,并通過各曲面片的求交與拼接來獲取零件原型表面的CAD模型。其目的在于獲得完整一致的邊界表示CAD模型,即用完整的面、邊、點(diǎn)信息來表示模型的位置和形狀。

2 鐵锨逆向設(shè)計(jì)

市場上銷售的鐵锨較多。鐵锨具有以下特點(diǎn)：(1)自由曲面多，實(shí)物模型用正向設(shè)計(jì)軟件很難建立；(2)尺寸適中，適合運(yùn)用三維數(shù)字化掃描儀獲取數(shù)據(jù)；(3)鐵锨本身精度不高。

2.1 獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)

運(yùn)用三維數(shù)字化掃描儀對(duì)鐵锨進(jìn)行掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。鐵锨整體點(diǎn)云如圖1所示。

圖1 鐵锨整體點(diǎn)云

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Geomagic Wrap將鐵锨正面點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別統(tǒng)一曲率、著色、選擇非連接項(xiàng)，刪除多余點(diǎn)云后進(jìn)行注冊(cè)。

手動(dòng)注冊(cè)指在重合區(qū)內(nèi)定義對(duì)應(yīng)點(diǎn)以允許用戶創(chuàng)建兩個(gè)或者更多重合掃描數(shù)據(jù)的初始拼接，全局注冊(cè)是對(duì)兩個(gè)或更多初始拼接后的點(diǎn)對(duì)象或者多邊形對(duì)象的精細(xì)拼接。如圖2所示，將鐵锨正面點(diǎn)云設(shè)置為固定的，將背面點(diǎn)云設(shè)置為浮動(dòng)的，選擇兩塊點(diǎn)云的共同特點(diǎn)，使背面點(diǎn)云靠近正面點(diǎn)云，看起來像整體點(diǎn)云，然后全局注冊(cè)使兩塊點(diǎn)云精細(xì)拼接。

點(diǎn)云封裝數(shù)據(jù)、刪除釘狀物、填充數(shù)據(jù)孔特征、去除特征、光順處理數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)。這個(gè)過程將點(diǎn)云數(shù)據(jù)編程三角面片，處理后數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2 鐵锨點(diǎn)云手動(dòng)注冊(cè)

圖3 鐵锨三角面片

2.3 逆向建摸

對(duì)產(chǎn)品逆向建模，獲取3D模型，為優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

逆向建?；静襟E：運(yùn)用Design X提供的命令進(jìn)行建模。逆向建?？梢苑譃轭I(lǐng)域劃分、對(duì)齊坐標(biāo)系、建模三個(gè)階段。領(lǐng)域劃分是根據(jù)掃描數(shù)據(jù)的曲率和功能將面片歸類為不同的幾何形狀領(lǐng)域，經(jīng)過分類的特征領(lǐng)域具有幾何特征信息，可用于快速創(chuàng)建特征；對(duì)齊坐標(biāo)系，將掃描坐標(biāo)系和建模軟件坐標(biāo)系對(duì)齊，如圖4所示；鐵锨的各個(gè)面都是曲面，適合使用Design X中面片擬合命令，擬合出各個(gè)面，如圖5所示；然后運(yùn)用剪切命令裁出鐵锨曲面模型，如圖6所示；運(yùn)用Design X賦厚曲面，得到鐵锨的實(shí)體模型，如圖7所示。

圖4 對(duì)齊坐標(biāo)系后鐵锨

圖5 曲面擬合鐵锨的各個(gè)曲面

圖6 裁剪后的鐵锨曲面模型

圖7 鐵锨實(shí)體模型

3 結(jié)論

運(yùn)用三維掃描儀獲取鐵锨的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并運(yùn)用Geomagic Wrap中手動(dòng)注冊(cè)獲取模型的完整點(diǎn)云，為獲取薄壁件點(diǎn)云提供方法；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到鐵锨外形的三角面片；運(yùn)用曲面擬合命令獲取模型的各個(gè)曲面并剪切，得到曲面模型，運(yùn)用賦厚曲面得到模型的實(shí)體，為鐵锨的逆向設(shè)計(jì)提供參考。