覃 群

（江漢大學智能制造學院， 湖北 武漢 430056）

引言

傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程一般為：根據(jù)產(chǎn)品的功能需求，構(gòu)思產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，設(shè)計零件圖和裝配體，然后加工生成產(chǎn)品。逆向設(shè)計是相對于正向設(shè)計而言的，它是根據(jù)樣件或者實物原型，通過數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的處理和模型的重構(gòu)來獲取產(chǎn)品，逆向設(shè)計并不是簡單的仿制，而是在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進行再設(shè)計和創(chuàng)新，不是設(shè)計的目的，而是設(shè)計過程中的一個環(huán)節(jié)。逆向設(shè)計方法被廣泛應用于飛機、汽車、模具、電子和機械產(chǎn)品等領(lǐng)域。

本文以一款游戲機手柄為例，如圖1 所示，論述了基于SolidWorks2021 的逆向建模的主要過程，并對于建模過程中可能出現(xiàn)的問題，提出了解決的辦法和解決技巧。

1 數(shù)據(jù)采集，獲取3D 文件

產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集的方法分為接觸式數(shù)據(jù)采集和非接觸式數(shù)據(jù)采集。接觸式數(shù)據(jù)采集應用比較廣的是三坐標測量機，它利用機械探頭，通過傳感器將信號傳給計算機，通過數(shù)據(jù)處理得到被測點的三維坐標；非接觸式測量，如激光掃描等，應用非接觸的方法和原理獲得被測點的三維坐標。

這兩種獲取數(shù)據(jù)的方法各有優(yōu)劣，前者測量物體邊界比較精確，但是速度慢、效率較低，后者效率高，但是可能會受顏色等因素的影響且成本較高。

本文以激光掃描工具獲得數(shù)據(jù)，通過計算機進行數(shù)據(jù)處理后得到網(wǎng)格3MF 文件進行逆向建模。

2 3MF 文件打開方法

在SolidWorks 軟件中打開3MF 文件，可以是實體形式或者曲面實體形式。

如果以曲面實體的形式打開，如圖2-1 所示，軟件只會導入圖形數(shù)據(jù)，不會嘗試生成任何的實體，這樣的數(shù)據(jù)不方便我們后期的建模操作，而以實體形式打開，如圖2-2 所示，后期建模會更加的方便，所以本文選用實體形式打開。

選擇“實體”形式的方法有兩種：

1）在“打開文件”的對話框中，點擊“選項”按鈕，如圖3 所示，選擇“實體”選項。

2）如果想每次打開軟件，都默認選“實體”選項，可以在軟件的選項- 系統(tǒng)選項- 導入- 文件格式（選3MF）- 實體中進行設(shè)置，主要設(shè)置后，軟件每次打開3MF 文件就默認是以實體形式打開了。

3 零件三維重建的主要過程

三維重建即通過對測量后得到的3MF 實體進行分割（切片），軟件將分割后的三維數(shù)據(jù)進行曲面擬合，最終形成零件原型。

3.1 切片生成輪廓草圖

運行切片命令，選擇上視基準面。切片的數(shù)量可以根據(jù)模型的高度來調(diào)整，例如，切片數(shù)量為8 個，距離為20 mm，切片后結(jié)果如圖4 所示。生成了8 個基準面，在實體上有8 個相交的輪廓草圖。

3.2 修改截面位置

觀察截面在實體中的相對位置，在曲面的關(guān)鍵位置最好有截面，這樣重建的曲面更精確。所以切片以后，有些截面的位置需要調(diào)整修改一下。方法如下：

鼠標雙擊設(shè)計樹上的相應的基準面的草圖，例如基準面7 的草圖7，然后就可以編輯修改草圖尺寸，如將120 改成125，如圖5-1 所示，修改后要重建模型，重建后的結(jié)果如圖5 中間圖所示，截面上移。同樣的方法，修改截面6 的草圖6，也上移，結(jié)果如圖5-2所示，正好都在曲面的拐點處。

3.3 生成曲面

1）選擇前視基準面，繪制草圖，運行草圖命令-點命令，分別在最上和最下各取一個點，作為輪廓開始和結(jié)尾的點。如圖6-1 所示。

2）選取輪廓點，生成曲面。運行曲面- 邊界曲面命令，然后從最下點開始，依次往上，每個輪廓截面上點擊一個點，以最上點結(jié)束，如圖6-2 所示，生成曲面。

3.4 修改、矯正曲面輪廓

觀察生成的曲面，對不夠光滑、比較尖的地方，例如最高點處，如圖7-1 所示，需要進行修改矯正。方法如下：修改邊界- 曲面的特征，在特征編輯框中點擊最高點，如圖7-2 所示，選方向向量，與上視基準面平齊，輸入距離值8，即可修復平滑，結(jié)果如圖7-3 所示。其他不光滑的地方都可以用這個方法修復，可以選擇方向向量或者與輪廓垂直的方式來調(diào)整。

3.5 刪除實體

在設(shè)計樹上選擇“輸入1”即打開的3MF 文件的實體名，然后運行“直接編輯- 刪除/保留實體”命令，將“輸入1”刪除掉。

3.6 分離重建的曲面

如上頁圖1 所示，該手柄部件由左右兩部分組成，所以在上面生成整體曲面以后，用前視基準面作為分割平面，運行“特征- 分割”命令，將它分成兩個部分。見下頁圖8。

4 重構(gòu)曲面中可能出現(xiàn)的問題及解決辦法

1）在切片生成輪廓草圖的時候，網(wǎng)格線如果是由許多曲線段組成的，如下頁圖9-1 所示，這樣對于后期的建模造型不是很方便，解決的方法是：如下頁圖9-2 所示，不要選切片編輯框里面的交叉點下面的“精確”選項，切片輪廓就是一個整圓了，結(jié)果如圖9-3 所示。

2）修改矯正曲面輪廓的時候，看不到圖7-1 所示的最高的尖點，這是由于“輸入1”輪廓覆蓋住了后來生成的曲面輪廓。這時只要鼠標右鍵點擊設(shè)計樹上的“輸入1”，然后點擊“隱藏”按鈕，讓“輸入1”不顯示，就可以觀察到曲面上的尖點了。

5 其他部分的建模造型

正視基準面上繪制LOGO 草圖，然后運行“草圖- 分割”線命令，選擇“投影”選項，點擊手柄兩曲面，讓LOGO 草圖投影到曲面上，如圖10-1 所示。而且此LOGO 將曲面分割成幾個區(qū)域，為后續(xù)著不同顏色做準備。著色后效果如圖10-2 所示。

6 結(jié)語

本文通過三維掃描獲取點云數(shù)據(jù)，通過逆向設(shè)計軟件進行數(shù)據(jù)處理后在Soldiworks 軟件中進行三維重建，還原零件原型。在此基礎(chǔ)上還可以進行改進設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計，并為快速成型加工提供基礎(chǔ)。實踐證明，逆向建模設(shè)計可以加快設(shè)計的速度，提高設(shè)計的效率和造型的效果。