曾 鋒

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東廣州 510510）

1 引言

逆向設(shè)計是一種效率很高的產(chǎn)品設(shè)計手段，可以極大地縮短產(chǎn)品的研發(fā)時間，降低產(chǎn)品的設(shè)計成本，其中快速曲面重構(gòu)是逆向設(shè)計軟件的發(fā)展方向。逆向設(shè)計代表軟件有Geomagic Wrap，以車載吸塵器逆向設(shè)計為例，其主要的設(shè)計流程是：點云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理及三角形面片化，對三角形面片編輯處理，快速曲面重建，完成產(chǎn)品外殼曲面造型，最后將圖形導(dǎo)入中望3D軟件進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后3D打印加工并進(jìn)行產(chǎn)品驗證。下面運用以上設(shè)計方法對車載吸塵器進(jìn)行外殼曲面逆向重構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 車載吸塵器點云處理

2.1 點云數(shù)據(jù)的獲取

高效并且準(zhǔn)確的獲取樣件的點云數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)產(chǎn)品逆向設(shè)計的前提和關(guān)鍵，其中完整性與精度是點云數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的兩個衡量指標(biāo)，目前，根據(jù)測量方式的不同，點云數(shù)據(jù)的獲得主要通過兩種手段，分別為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。本次車載吸塵器點云的獲得是利用非接觸式測量獲得，也叫拍照式掃描儀，這類掃描儀的特點是測量速度比較快，效率非常高，可以大幅提高逆向設(shè)計的效率。利用掃描儀掃描樣件獲得點云時，需要對樣件噴涂白色的顯像劑，同時，樣件上需要粘貼上標(biāo)志點，這樣不同方向掃描獲得的點云可以通過標(biāo)志點自動拼接在一起，形成一個完整的點云數(shù)據(jù)。掃描結(jié)果如圖1所示。

2.2 點云數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理

為了更加清晰、方便的觀察點云的形狀，先將點云進(jìn)行著色。掃描獲得的吸塵器點云數(shù)據(jù)存在很多的雜點，為了高效率完成點云數(shù)據(jù)的處理,我們需要對其進(jìn)行快速選擇，并且，進(jìn)行刪除雜點，在Geomagic Wrap 中對點云中的雜點有以下操作：非連接項命令選擇的是指同一物體上具有一定數(shù)量的點形成點群，而且相互間分離。通過調(diào)節(jié)點群距離主點云距離的大小來進(jìn)行選擇并刪除。體外孤點命令選擇與其它大部分的點云有一段距離的點，敏感度低數(shù)值選擇遠(yuǎn)距離點，數(shù)值高選擇的范圍接近真實數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理一般通過以上命令來完成，如果仍然沒辦法刪除雜點，就只能手動進(jìn)行選擇并刪除，能選擇的菜單命令主要有套索，畫筆選擇工具。

3 點云數(shù)據(jù)的多邊形處理階段

點云數(shù)據(jù)通過三角形網(wǎng)格化后進(jìn)入多邊形面片處理階段，點云多邊形面片模型是由大量的三角形面片組成。因為點云一般都會有一些表達(dá)不準(zhǔn)確的點，由這些不準(zhǔn)確的點構(gòu)成的三角形面片也要進(jìn)行刪除處理。在對點云進(jìn)行封裝之后，也出現(xiàn)破面、空孔，如圖2所示。

對三角面片數(shù)據(jù)的處理，第一步先使用松弛命令，松弛命令可以最大限度減少單獨多邊形之間的角度，使面片更加平滑；第二步選擇刪除釘狀物菜單命令，“刪除釘狀物”對話框中，“平滑級別”調(diào)到在中間位置后，鼠標(biāo)點擊“應(yīng)用”；第三步，由于模型存在部分位置點云數(shù)據(jù)不完整。使用填充孔命令可以修補缺失的位置，在通常的填充孔過程中，如果直接填補孔洞的效果不好，可以把孔洞旁邊的三角面刪除，然后再進(jìn)行孔洞填充，填充完整的三角面如圖3所示；第四步，對于不平滑的區(qū)域，可以使用去除特征功能。對于點云數(shù)據(jù)中存在的一些缺陷，利用套索工具圈選特征，在多邊形工具條里使用去除特征功能命令，便得到優(yōu)化后的模型形狀，并將該區(qū)域與旁邊其它區(qū)域形成光滑的連續(xù)狀態(tài)。最終點云處理結(jié)果如圖4所示。

4 Geomagic Design X快速曲面重建階段

首先導(dǎo)入“STL”數(shù)據(jù)，建立坐標(biāo)系。由于模型是對稱模型，可以先做一半，然后利用鏡像命令完成模型的整體外形創(chuàng)建。由于模型的孔位較多，可以利用面片草圖進(jìn)行提取線條，并利用布爾運算創(chuàng)建孔位筋條。模型擁有不規(guī)則圓角，需要使用不規(guī)則圓角命令并通過精度分析調(diào)整。建模精度分析，最后導(dǎo)出“STP”標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)，為下一步結(jié)構(gòu)設(shè)計做準(zhǔn)備。

（1）特征領(lǐng)域創(chuàng)建。

Geomagic DesignX 具有強大的點云數(shù)據(jù)處理能力和逆向設(shè)計的功能，其中在逆向建模中最常用的就是領(lǐng)域功能命令。點擊“領(lǐng)域組”命令，進(jìn)入到領(lǐng)域組模式。運用手動分割的方式，利用不同顏色來區(qū)分領(lǐng)域，如圖5所示。進(jìn)行領(lǐng)域劃分目的是為了區(qū)分每一個面的特征，方便后面使用面片擬合等高級曲面建模命令，并且要使用“田”字格式劃分，方便面片擬合命令的計算和精度。

（2）構(gòu)建主體曲面。

利用面片擬合命令，選擇圖6所示的區(qū)域，分辨率選擇“許可偏差”，偏差值可以設(shè)置為0.1，平滑適中，選擇延長選項，手動拖拽以調(diào)整大小。并創(chuàng)建另外幾個領(lǐng)域。利用剪切命令，對創(chuàng)建的曲面進(jìn)行剪切。利用可變圓角命令，進(jìn)行倒圓角。利用精度分析功能，調(diào)整所選圓角的大小，使得可變圓角的尺寸匹配點云。利用剪切和鏡像命令，從中間剪切曲面，并進(jìn)行鏡像和縫合，如圖7所示。利用面片草圖命令，創(chuàng)建小特征。

（3）精度分析。

對逆向建模完成后的模型進(jìn)行精度分析是對產(chǎn)品的還原度進(jìn)行實際驗證的重要步驟。主要是分析逆向構(gòu)建的曲面與車載吸塵器點云之間的偏差，點擊分析工具欄中的體偏差功能，最終效果圖如圖8 所示。圖8右側(cè)面為偏差數(shù)值表，顏色和數(shù)值代表了誤差范圍，車載吸塵器模型中顯示綠色部分，表示曲面與點云的偏差在-0.1～+0.1mm，誤差很小。顯示為顏色紅的部分說明曲面與點云偏差大于+0.1mm，顏色越紅偏差越大，顯示顏色為藍(lán)色，說明該特征面與點云數(shù)據(jù)小-0.1mm，顏色越藍(lán)偏差越大。圖8中車載吸塵器模型顏色顯示基本為綠色，模型與點云的誤差小于0.1mm，符合逆向設(shè)計精度要求。

5 中望3D軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）拆分模型，進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。

將文件另存為STP 格式后導(dǎo)入中望3D 中打開，然后通過“簡化”命令，將不需要的特征進(jìn)行刪除。使用這個命令通過刪除所選面來簡化某個零件。這個命令會試圖延伸和重新連接面來閉合零件中的間隙。創(chuàng)建想要的模型特征，主要模型特征是通風(fēng)孔，開關(guān)按鈕，濾網(wǎng)和擋位按鈕，如圖9所示。通風(fēng)孔采用圓孔型，位置處于電機的側(cè)邊，保證散熱正常。

拆分模型，進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。塑料模具的分型面選擇需要有利于塑料制品出模；模具結(jié)構(gòu)能夠被簡化；有利于塑料模具配模；有利于保證塑料制品的表面質(zhì)量。在車載吸塵器模型中，選取其截面尺寸的最大處為其分型面，如圖10所示。

在模型的內(nèi)壁增加加強筋，布置加強筋可以增強產(chǎn)品的強度和剛性，保證產(chǎn)品不會歪扭變形，并節(jié)約塑料的用量，減輕產(chǎn)品重量，降低生產(chǎn)成本。

（2）車載吸塵器前殼的創(chuàng)建。

在已知裝配線的情況下，通過創(chuàng)建草圖，對曲面進(jìn)行放樣，并進(jìn)行倒角。分別設(shè)計風(fēng)口，設(shè)計濾網(wǎng)蓋子，開關(guān)按鈕和擋位按鈕，最后的完成車載吸塵器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，產(chǎn)品造型分解圖如圖11所示。

6 產(chǎn)品3D打印加工及裝配

在中望3D 軟件中將吸塵器模型導(dǎo)出為STL 格式，并導(dǎo)入3D 打印軟件CURA4.8 中進(jìn)行切片處理。由于使用的是PLA 材料，所以3D 打印加工的設(shè)置參數(shù)為：噴嘴溫度：200°打印床溫度：60°走絲速度：50mm/s。打印車載吸塵器前蓋，采用如圖12 所示這種方式擺放，能最大程度減少支撐的數(shù)量，并且提供曲面質(zhì)量，使支撐只在內(nèi)部的進(jìn)出風(fēng)口的位置。為了方便拆除支撐,采用鋸齒形15%密度的支撐。為了保證支撐能更好的粘附在打印工作臺上，在模型的底部增加了一個木筏，保證模型在打印過程中不會移動。打印切片的層高設(shè)置為0.2mm，首層高度給0.15mm，使得底部木筏能更好的粘附在打印床上。打印底層木筏時，不需要開啟冷卻風(fēng)扇，以便木筏能更緊附在打印床上。最大限度減少薄壁的支撐，避免拆除支撐時破壞薄壁。由于開關(guān)和檔位按鈕體型較小，可以采取兩個一起打印的方法。最后打印完所有零件，去除支撐材料，裝配并進(jìn)行產(chǎn)品驗證，如圖13所示。

7 結(jié)論

隨著工業(yè)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，越來越多的復(fù)雜曲面產(chǎn)品應(yīng)用在日常生活中，產(chǎn)品逆向設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，能極大的縮短新產(chǎn)品的設(shè)計周期，提高產(chǎn)品競爭力。通過拍照式掃描儀得到樣件的點云數(shù)據(jù)，在Geomagic軟件中快速重建產(chǎn)品的曲面，然后，在中望3D設(shè)計軟件中對曲面產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后，通過快速成型技術(shù)制作樣件并進(jìn)行產(chǎn)品驗證，極大的縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，大幅度降低企業(yè)設(shè)計成本，對復(fù)雜曲面產(chǎn)品的設(shè)計具有借鑒意義。