彭志強 譚偉林 鄧浩

摘要：本文通過Siemens NX對玩具公仔外殼的逆向造型設計，對建立玩具公仔外殼STL模型坐標系和曲面逆向造型等問題進行詳細描述，最終獲得可編輯三維模型。通過第三方對比軟件Geomagic Control對逆向造型結果和原有STL模型進行對比，結果顯示逆向造型結果符合設計要求，也表明本文描述的逆向造型設計方法能高質量的完成玩具公仔等曲面類零件的造型。

關鍵詞：Siemens NX;玩具公仔;逆向造型

一、前言

逆向造型設計是指利用各類型三維測量或掃描設備獲取現(xiàn)有零件表面任意點的三維坐標數(shù)據(jù)（或稱為“點云”數(shù)據(jù)），運用逆向建模軟件，將“點云”數(shù)據(jù)推導并形成特征明顯、且可編輯的三維模型的全過程。隨著逆向造型技術的不斷發(fā)展，其逆向手段日趨成熟，具有設計周期短、效率高等特點，逐漸成為產(chǎn)品開發(fā)、設計的重要手段，尤其是曲面特征較豐富的汽車外殼造型、玩具公仔造型等領域。

逆向造型設計主要有三個關鍵過程：采集“點云”數(shù)據(jù)、逆向造型和結果比對。采集“點云”數(shù)據(jù)的方式有利用接觸式三維測量和非接觸式掃描：接觸式三維測量一般利用三坐標測量儀的測量頭直接與零件接觸獲取數(shù)據(jù)，其獲取的“點云”數(shù)量少、數(shù)據(jù)體積小、“點云”分布規(guī)則、速度慢，而且需要采集“點云”的技術人員具備一定的逆向造型知識，以確保采集的“點云”數(shù)據(jù)能完成逆向造型;非接觸式掃描一般利用光學掃描設備，采用結構光技術、相位測量技術、計算機視覺技術等復合方式獲取數(shù)據(jù)，其獲取的“點云”數(shù)量多、數(shù)據(jù)體積大、“點云”分布不規(guī)則、速度快，對設備操作人員的要求不高，相對于接觸式三維測量而言，非接觸式掃描能完成大型零件、文物的掃描，正逐漸成為主流的“點云”數(shù)據(jù)采集設備。逆向造型是指利用逆向建模軟件根據(jù)獲取的“點云”數(shù)據(jù)推導并形成特征明顯、可編輯的三維模型的過程，常見的具備逆向造型功能的軟件有：Geomagic Design X、Siemens NX、CATIA、Cero等，各軟件逆向造型思維大同小異，在機械設計、質量檢測、文物修復等領域具有不同程度的應用。結果比對是指將逆向造型結果與“點云”數(shù)據(jù)進行對比，以驗證逆向造型結果是否與原始數(shù)據(jù)的偏差是否在規(guī)定值以內(nèi)，根據(jù)任務不同，其偏差值一般在0.01～0.5mm以內(nèi)，常見的比對軟件主要為Gomagic Cotrol。

本文以復雜曲面構成的玩具公仔為項目載體，從如何獲取玩具公仔表面“點云”數(shù)據(jù)、如何進行逆向造型設計、如何進行結果比對等三方面詳細玩具公仔外殼逆向造型的全過程。

二、采集“點云”數(shù)據(jù)

本文采用非接觸式掃描設備——PowerScan面結構光三維掃描儀獲取玩具公仔表面“點云”數(shù)據(jù)。主要操作步驟為：①噴涂顯像劑——將玩具公仔外殼零件置于室外或室內(nèi)空曠環(huán)境，搖勻顯影劑后，零件30cm距離開始噴涂，使霧狀顯影劑均勻附著在零件表明上，當零件表面被白色顯像劑基本上覆蓋后，即可停止噴涂;②校隊掃描儀——將PowerScan面結構光三維掃描儀按照設備開機后，按照使用規(guī)程校隊設備使其自動恢復至最佳精度狀態(tài);③粘貼三維基準標志點——在零件合適表面粘貼標志點，確保每一次旋轉都能有至少三個標志點能被三維掃描儀捕捉形成測量基準;④掃描“點云”數(shù)據(jù)——利用三維掃描儀掃描已處理好的零件，即可獲得“點云”數(shù)據(jù)，通過旋轉或移動調(diào)整零件位置，獲得零件不同方位的“點云”數(shù)據(jù)，最后由系統(tǒng)自動完成拼接，形成完整的玩具公仔外殼表面數(shù)據(jù)，輸出為STL格式模型（如圖1所示），便于后續(xù)逆向造型。

三、逆向造型

本文將運用Siemens NX使用正逆向混合造型的方式對玩具公仔外殼進行逆向造型設計，主要通過模型定位、曲面逆向和細節(jié)優(yōu)化三個階段描述逆向造型全過程。

1、模型定位

在采集“點云”數(shù)據(jù)階段形成的玩具公仔外殼STL模型，其坐標系是位于三維空間的任意位置，不便于后期的曲面逆向設計、模具設計及數(shù)控加工。因此，需將STL模型移動至原點坐標系，使其底面為XY平面，左右對稱平面為XZ平面，前后對稱平面為YZ平面，如圖1所示。移動方法步驟為：①在原有STL模型上根據(jù)需要建立三個平面，運用“三平面”的方式創(chuàng)建基準坐標系CSYS1;②運用“移動對象”命令，運用“坐標系到坐標系”方式，將STL模型從CSYS1坐標系移動至原點坐標系，完成模型定位。

2、曲面逆向

（1）構建關鍵線

利用“截面曲線”命令，選擇“要剖切對象”為STL模型，“剖切平面”為XZ平面或YZ平面，設置“輸出采樣點”的采樣間距為1mm，完成系列關鍵點的創(chuàng)建;再一次再XZ平面或YZ平面上創(chuàng)建草圖，并繪制曲面的關鍵線（如圖2（a）所示）;再創(chuàng)建一批平行于XY平面的平面，通過“截面曲面”和“草圖”命令完成交叉曲線的創(chuàng)建（如圖2（b）所示）。

（2）構建曲面

首先創(chuàng)建邊界條件所需的曲面，通過“拉伸”命令，將YZ平面上的曲線拉伸5mm，形成曲面A1（如圖2（c）所示）;利用“通過曲線網(wǎng)格”命令，拾取關鍵線，制定曲面A1為想切面，控制曲面相切關系，形成主體曲面（如圖2（d）所示）;為便于填補頂部曲面，首先運用修剪主體曲面，使其頂部形成一個四邊缺口（如圖2（e）所示），便于運用“通過曲線網(wǎng)格”命令補齊曲面（如圖2（f）所示）。

重復上述操作，或通過拉伸、修剪片體等方式依次完成玩具公仔外殼的其他曲面，結果如圖2（g）所示。最后通過“鏡像”命令完成玩具公仔主體曲面逆向造型，通過修剪、縫合等命令，獲得玩具公仔的實體模型（如圖2（h）所示）。

3、細節(jié)優(yōu)化

（1）創(chuàng)建細節(jié)特征

創(chuàng)建“肚臍”特征——在XZ平面上繪制與STL模型一致的圓形，拉伸高度與STL模型保持一致，經(jīng)倒圓角后即可獲得“肚臍”特征;創(chuàng)建“肚子”特征——在XZ平面上繪制與STL模型上“肚子”一致的形狀，拉伸高度應高于原有STL模型高度，再通過“偏置曲面”命令，將原有“肚子”曲面向外偏置1mm，最后通過“修剪片體”命令，將兩個曲面互相修剪;創(chuàng)建“嘴部”特征——與創(chuàng)建“肚子”特征的方法一致;倒圓角——仔細觀察STL模型結構，完成模型各部分的倒圓角操作。最終結果如圖3（a）所示。

（3）創(chuàng)建消失面特征

玩具公仔的眼睛為典型消失面特征，具體做法為：運用“拉伸”將頭部曲面上的眼睛輪廓切除;運用“掃掠”完成眼睛內(nèi)部曲面的創(chuàng)建，并用“拉伸”完成內(nèi)部曲面的切割;運用“通過曲線組”命令完成眼睛下部與頭部的連接;運用“通過曲線網(wǎng)格”命令完成眼睛上部與頭部的連接;運用“修剪體”命令，利用生成的曲面切割實體，最終形成眼睛部分的消失面特征的創(chuàng)建，結果如圖3（b）所示。

四、結果比對

為檢查玩具公仔的逆向造型設計結果是否與原始數(shù)據(jù)的偏差是否在±0.3mm以內(nèi)，借助Geomagic Control軟件分別導入設計結果與參考STL模型進行對比檢查，結果如表1所示。通過分析對比數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)偏差在±0.3mm以內(nèi)的比例為82.6%，偏差在±0.3～0.5mm以內(nèi)的比例為97.9%，結果表明玩具公仔外殼逆向造型設計結果符合逆向造型要求。

五、結語

本文主要借助Siemens NX軟件對玩具公仔外殼的逆向造型設計的全過程進行描述，將整個逆向造型設計過程總結為三個階段：模型定位、逆向造型和結果比對，可適用于各類有復雜曲面的逆向造型設計。同時也表明運用Siemens NX軟件正逆向混合造型理念，能快速完成零件逆向造型設計，在逆向造型領域具有較大潛力。

參考文獻：

[1]譚偉林，彭志強.基于Geomagic Studio和NX10的玩具逆向造型[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（13）：8-9.

[2]譚偉林，彭志強，鄧浩.基于Geomagic Design X的玩具公仔逆向造型設計[J].南方農(nóng)機，2019，50（23）：99+108.

[3]譚偉林，彭志強.基于NX10的路由器外殼模型的逆向造型[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（22）：19+22.

作者簡介：彭志強，男，（1987年—），湖南常德，副教授，研究方向：機械設計與制造、逆向造型技術