何秀超，夏會芳

(武漢華夏理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430223)

0 引言

現(xiàn)代化工業(yè)日益進步，許多企業(yè)發(fā)展的重心都開始偏向于具有特色的產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)，傳統(tǒng)的正向設(shè)計已不能滿足現(xiàn)在的產(chǎn)品開發(fā)要求，以至于逆向設(shè)計被設(shè)計者們廣泛應(yīng)用[1]。

“正向設(shè)計”是依照所設(shè)計產(chǎn)品的功能以及產(chǎn)品的設(shè)計理念，利用建模軟件繪制出空間三維模型的工藝過程[2]。而“逆向設(shè)計”相對于 “正向設(shè)計”而言，是利用三維掃描設(shè)備采集產(chǎn)品的點云數(shù)據(jù)，并對該產(chǎn)品進行模型重構(gòu)[3]，最后利用快速成型技術(shù)生產(chǎn)出該產(chǎn)品的過程，該設(shè)計方法常用于復(fù)雜曲面及模具的重構(gòu)等[4，5]。

本文以吹風(fēng)機外形為研究對象，結(jié)合Geomagic一系列軟件對吹風(fēng)機進行逆向建模及快速成型。

1 逆向設(shè)計工作流程

逆向設(shè)計工作流程如圖1所示。

圖1 逆向設(shè)計工作流程

2 吹風(fēng)機點云數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 點云數(shù)據(jù)采集

模型逆向重構(gòu)之前，必須獲得精準(zhǔn)的點云數(shù)據(jù)。本次掃描選取日本柯尼卡美能達三維掃描儀RANGE5對吹風(fēng)機外形進行數(shù)據(jù)采集，獲取吹風(fēng)機外形的點云數(shù)據(jù)。掃描時，首先將托盤和吹風(fēng)機貼上標(biāo)記點(見圖2)，軟件掃描時會根據(jù)模型上粘貼的標(biāo)記點對各次掃描的點云數(shù)據(jù)進行自動拼接對齊，掃描過程如圖3所示。經(jīng)旋轉(zhuǎn)方向，多次掃描最終獲取的吹風(fēng)機點云數(shù)據(jù)如圖4所示，最后將點云數(shù)據(jù)以asc文件格式進行保存。

圖2 吹風(fēng)機貼標(biāo)記點

圖3 掃描過程

圖4 吹風(fēng)機點云數(shù)據(jù)

2.2 點云數(shù)據(jù)處理

由于掃描過程中會采集到一些無關(guān)的數(shù)據(jù)(如實驗臺表面)，同時掃描數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)中會包含大量的噪點，所以將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件中進行處理。

2.2.1 刪除非連接項

將模型進行著色處理后，先對模型周圍比較遠的非連接項即紅色點(如圖5所示)進行刪除。

圖5 非連接項 圖6 體外孤點 圖7 減少噪音

2.2.2 刪除體外孤點

對模型周圍比較近的質(zhì)量不好的非連接點即體外孤點(如圖6所示)進行刪除。

2.2.3 減少噪音

點擊減少噪音命令進一步優(yōu)化點云(如圖7所示)，設(shè)置迭代值為3，偏差限制為0.2 mm。點擊“應(yīng)用”，然后“確定”。

2.2.4 點云封裝

點擊“封裝”，將點云變成面片。封裝完成的面片如圖8所示。

圖8 封裝完成 圖9 孔填充及光順處理 圖10 吹風(fēng)機領(lǐng)域分割

2.2.5 填充孔及光順處理

最后通過“孔填充”命令及光順處理得到如圖9所示面片。

3 吹風(fēng)機模型重構(gòu)

將處理好的吹風(fēng)機面片文件導(dǎo)入Geomagic Design X軟件進行建模。Geomagic Design X軟件是一款強大的正逆向混合設(shè)計軟件，這款正逆向軟件不僅可以在點云面片的基礎(chǔ)上使重構(gòu)模型的曲面生成實體，也可以通過二維草圖和三維草圖生成實體，它把正向建模和逆向建模兩種不同的建模方法有機地結(jié)合起來，完美地詮釋了正向建模與逆向建模的相輔相成。

3.1 領(lǐng)域劃分

領(lǐng)域組的劃分是根據(jù)原始點云數(shù)據(jù)的3D特征把模型分成不同區(qū)域。根據(jù)模型特點和需要，把吹風(fēng)機分為手柄和主殼兩部分，主殼類似于橢圓形狀，我們將它分為上下左右4個面，左右有內(nèi)凹的特征，先把上下平滑的面和規(guī)則的面分割出來，這樣可以更快地實現(xiàn)面片擬合，從而得出平滑的實體面，以縮短建模的時間，減少建模的難度；其次，將手柄特征部分分為一個領(lǐng)域，其余平滑地分為兩個領(lǐng)域即可。最終劃分的領(lǐng)域如圖10所示。

3.2 對齊坐標(biāo)系

對齊坐標(biāo)系就是將模型的基準(zhǔn)特征或選擇的點云數(shù)據(jù)領(lǐng)域與世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸或坐標(biāo)平面匹配，使模型與世界坐標(biāo)系對齊。本例中先對吹風(fēng)機建立兩個標(biāo)準(zhǔn)的對稱平面，然后利用“手動對齊”命令對齊坐標(biāo)系，對齊后的坐標(biāo)系如圖11所示。

圖11 對齊坐標(biāo)系 圖12 面片擬合 圖13 剪切曲面

3.3 創(chuàng)建面片模型

對分割的領(lǐng)域分別進行面片擬合，并對相鄰的面片依次進行擬合。面片擬合過程中需要調(diào)整擬合出面片的大小，使面片能夠完全覆蓋所選領(lǐng)域，如圖12所示。兩個面片相交會產(chǎn)生多余的部分，對于交叉多余部分點擊剪切曲面，選擇剪切面和被剪切面，保留需要的部分，如圖13所示。

3.4 曲面填充

由于掃描過程中實物模型本身結(jié)構(gòu)或人為操作等原因，吹風(fēng)機外殼存在部分掃描不到的死角，在面片擬合時會出現(xiàn)缺失，對后續(xù)實物模型的重構(gòu)造成很大的影響，故需要對孔洞進行縫合、修補。根據(jù)不同的孔洞形式，選擇相應(yīng)的填補方式。本例中面片擬合后縫合及曲面填充的效果如圖14所示。

圖14 縫合及曲面填充 圖15 曲面賦厚 圖16 倒圓角

3.5 曲面賦厚

利用Geomagic Design X軟件中“賦予厚度”命令，對擬合的面片模型進行曲面賦厚，得到如圖15所示模型。

3.6 圓角

由于面片擬合表面復(fù)雜不平整，很多面片相交的部位并不平滑，用倒圓角命令可以使面和面的相交處連接平滑。選擇布爾運算命令，點擊可變圓角，選取要素邊線，點擊自動計算各個位置的圓角半徑大小，點擊完成，完成倒圓角命令，如圖16所示。

3.7 導(dǎo)出實體

點擊“布爾運算”進行合并，使其成為一個整體(見圖17)，進行精確度分析，偏差較小(見圖18)，最后保存文件。

圖17 合并整體 圖18 精度分析 圖19 2D比較

4 模型偏差分析

利用Geomagic Control X軟件可動態(tài)觀察模型的體偏差、曲率、連續(xù)性等建模情況。分別測量2D或3D中的尺寸偏差，根據(jù)色譜來判斷模型不同位置的偏差，綠色為最佳，偏向紅色說明檢測的模型在這個位置相對于參考模型有凸起，偏向藍色則說明檢測的模型在這個位置相對于參考模型有凹陷。通過2D比較、3D比較(如圖19、圖20所示)對模型進行偏差對比分析檢查，結(jié)果表明，所建模型對比分析偏差在允許的范圍之內(nèi)。

5 3D打印

將建好的模型導(dǎo)入Print 3D軟件中進行模擬分片，調(diào)整打印位置及方向，設(shè)置填充密度及打印速度等參數(shù)，然后導(dǎo)出為STL文件，最后進行3D打印。打印過程如圖21所示，最終打印的成品如圖22所示。

圖20 3D比較 圖21 打印過程 圖22 吹風(fēng)機3D打印樣品

6 結(jié)論

如果是使用傳統(tǒng)正向建模的方法，對于吹風(fēng)機復(fù)雜曲面的設(shè)計會無從下手，而利用逆向工程技術(shù)可以有效地采集三維數(shù)據(jù)，并結(jié)合逆向工程軟件重構(gòu)數(shù)字模型。本文對吹風(fēng)機外形進行了逆向建模，結(jié)果表明，逆向設(shè)計可大大縮短產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)周期。