基于Geomagic Design Direct的正逆向混合建模創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

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(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州　510006)

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基于Geomagic Design Direct的正逆向混合建模創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

王喬，成思源，楊雪榮，張湘?zhèn)ィ瑓紊?/p>

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州510006)

摘要：混合建模設(shè)計(jì)是正向設(shè)計(jì)與逆向設(shè)計(jì)的結(jié)合，提出了一種基于Geomagic Design Direct軟件的正逆向混合建模的方法。通過(guò)數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云預(yù)處理、曲面重構(gòu)，然后編輯曲面、實(shí)體特征造型以及參數(shù)化修改獲得最終CAD模型。以游戲手柄模型為例，應(yīng)用Geomagic Design Direct軟件的強(qiáng)大功能對(duì)零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行混合建模創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了游戲手柄的快速還原以及對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行第二次創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)Geomagic Design Direct軟件實(shí)現(xiàn)混合建模技術(shù)，能高效的對(duì)原始模型進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：逆向工程；混合建模；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

0引言

隨著數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，使我們的機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)不同以往的發(fā)展階段，人們對(duì)產(chǎn)品的需求也進(jìn)入到了個(gè)性化的階段，產(chǎn)品生命周期大幅減少，更新?lián)Q代更加頻繁。這就要求我們必須從設(shè)計(jì)研發(fā)到推出產(chǎn)品的期間提高效率。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造方法以正向設(shè)計(jì)為主，但并不能滿(mǎn)足當(dāng)代的需求，將正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)已成為設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域的必然趨勢(shì)[1]。

逆向設(shè)計(jì)和正向設(shè)計(jì)方法各有所長(zhǎng)，逆向設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的強(qiáng)大處理功能和復(fù)雜自由曲面的設(shè)計(jì)，一般逆向軟件都提供了對(duì)自由曲面的重構(gòu)、編輯修改等功能，正向設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于特征造型和實(shí)體造型，對(duì)零件特征的編輯修改比較方便。復(fù)雜產(chǎn)品外殼常常既帶有復(fù)雜曲面，又包含一些簡(jiǎn)單特征，要通過(guò)單一的逆向設(shè)計(jì)或正向設(shè)計(jì)方法都難以實(shí)現(xiàn)。為此，需要把逆向設(shè)計(jì)和正向設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，即采用正逆向混合建模技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行第二次創(chuàng)新[2]。

1正逆向建模

1.1逆向工程與正向工程

逆向設(shè)計(jì)也稱(chēng)作逆向工程，通常是根據(jù)正向設(shè)計(jì)概念所產(chǎn)生的產(chǎn)品原始模型或者已有產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行改良，基本方法是將一個(gè)實(shí)體物體進(jìn)行數(shù)據(jù)的掃描然后進(jìn)行三維重構(gòu)并進(jìn)行再設(shè)計(jì)，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)[3]。逆向工程運(yùn)用于設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域是必然的發(fā)展趨勢(shì)[4]。而基于點(diǎn)云的曲面重構(gòu)技術(shù)的研究與發(fā)展是逆向工程實(shí)現(xiàn)的基石，是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。逆向建模流程如圖1所示。

圖1　逆向工程流程

正向開(kāi)發(fā)流程一般是設(shè)計(jì)師根據(jù)項(xiàng)目策劃進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和效果圖制作，進(jìn)行產(chǎn)品總體草圖布置，從而制作產(chǎn)品模型。從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)到生成數(shù)字化模型，再到設(shè)計(jì)評(píng)估，其中設(shè)計(jì)如果通過(guò)評(píng)估即可制造和檢測(cè)，如沒(méi)通過(guò)，在概念設(shè)計(jì)或者所設(shè)計(jì)的數(shù)字化模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，再進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估，直到滿(mǎn)足工程要求。這是一個(gè)從未知到已知，從抽象到具體的過(guò)程。正向建模流程如圖2所示。

圖2　正向工程流程

1.2正逆向混合建模

混合設(shè)計(jì)即正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)地結(jié)合，從測(cè)量數(shù)據(jù)中提取出可以重新進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的特征及設(shè)計(jì)意圖，進(jìn)行再設(shè)計(jì)，完成 CAD 模型[5]。目前，混合建模大致分為三種：①基于特征與自由形狀的反求建模方法的混合。②基于截面線(xiàn)與基于面的曲面重建方法的混合③幾何形狀創(chuàng)建過(guò)程中曲線(xiàn)曲面的特征形式表達(dá)與NURBS形式表達(dá)的混合[6]。

混合建模結(jié)合了正向建模與逆向建模的優(yōu)勢(shì)，將產(chǎn)品經(jīng)過(guò)三維掃描，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)工件進(jìn)行對(duì)齊、封裝、修復(fù)、填充等處理建立網(wǎng)格面模型，然后經(jīng)過(guò)特征提取，草圖設(shè)計(jì)，定位對(duì)齊等來(lái)正向設(shè)計(jì)，以此獲得CAD模型。對(duì)模型分析后看是否滿(mǎn)意，如滿(mǎn)意就可加工模型，獲得新的模型。反之，再次進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。具體的流程圖如圖3。

圖3　混合建模設(shè)計(jì)流程

本文基于現(xiàn)有產(chǎn)品的混合建模是從正逆向混合建模設(shè)計(jì)的角度分析零件的模型，根據(jù)零件外形的幾何特征對(duì)零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)，將幾何特征明顯部分的設(shè)計(jì)參數(shù)提取出來(lái)用于再設(shè)計(jì),自由曲面部分提取出關(guān)鍵曲線(xiàn)進(jìn)行蒙皮等，充分發(fā)揮正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)各自的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)重構(gòu)CAD模型，使其盡可能符合產(chǎn)品原來(lái)的設(shè)計(jì)意圖和造型方法，并可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。其核心思想是將正向設(shè)計(jì)中的特征提取、約束技術(shù)引入到逆向CAD建模，通過(guò)正向混合建模設(shè)計(jì)的角度對(duì)零件進(jìn)行建模與分析。

混合建模技術(shù)能夠?qū)a(chǎn)品的特征曲線(xiàn)曲面很好地表達(dá)以及重建，更加有效地反求出產(chǎn)品原始的設(shè)計(jì)意圖；能夠很好地處理特征曲面與自由曲面的重建問(wèn)題；并且構(gòu)建出來(lái)的CAD模型能夠進(jìn)行參數(shù)化修改，這將有利于產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)；對(duì)于那些由于磨損、斷裂、腐蝕而損壞的零件，可以利用混合建模技術(shù)很好的對(duì)零件進(jìn)行修復(fù)，還原出原始的CAD模型。

2Geomagic Design Direct的混合建模

2.1Geomagic Design Direct簡(jiǎn)介

Geomagic Design Direct 是由美國(guó)Geomagic公司開(kāi)發(fā)的一款功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)正逆向混合設(shè)計(jì)軟件。Geomagic Design Direct從網(wǎng)格對(duì)象直接建模和抽取幾何形狀成CAD面和實(shí)體，是業(yè)界唯一一款結(jié)合了實(shí)時(shí)三維掃描、三維點(diǎn)云和三角網(wǎng)格編輯功能以及全面CAD造型設(shè)計(jì)、裝配建模、二維出圖等功能的三維設(shè)計(jì)軟件[7]。

Geomagic Design Direct逆向設(shè)計(jì)的原理是用許多細(xì)小空間三角網(wǎng)格來(lái)逼近還原CAD實(shí)體模型。其曲面、實(shí)體重建流程最重要的階段是捕獲階段和設(shè)計(jì)階段，捕獲階段共享了Geomagic Studio中的點(diǎn)處理和多邊形處理功能方法，而設(shè)計(jì)階段則在多邊形網(wǎng)格上進(jìn)一步抽取成曲線(xiàn)、曲面或?qū)嶓w，最終建成CAD模型[8]。

2.2Geomagic Design Direct混合建模流程

本章提出基于實(shí)體特征識(shí)別及提取的正逆向建模方法，其基本思想是：首先對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊、精簡(jiǎn)、光順等預(yù)處理，以獲取表面質(zhì)量光順的三角網(wǎng)格面模型；再?gòu)娜蔷W(wǎng)格面模型中識(shí)別并提取實(shí)體特征，或提取實(shí)體特征(如旋轉(zhuǎn)體)的二維截面線(xiàn)(旋轉(zhuǎn)軸和母線(xiàn))后應(yīng)用正向建模的方法重構(gòu)；然后對(duì)所有的實(shí)體特征進(jìn)行布爾運(yùn)算和參數(shù)化修改，以得到最終的實(shí)體模型并進(jìn)行分析改進(jìn)。該方法混合建模流程如圖4所示。

圖4　Geomagic Design Direct混合建模

3實(shí)例應(yīng)用

以某品牌游戲手柄(圖5所示)為例使用混合建模技術(shù)進(jìn)行第二次創(chuàng)新。針對(duì)某一游戲手柄可能面臨市場(chǎng)的淘汰風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)其逆向設(shè)計(jì)與二次創(chuàng)新，有3個(gè)創(chuàng)新要求：①在原有的游戲手柄上增加視屏顯示裝置；②在原有的游戲手柄上設(shè)計(jì)輔助快捷按鍵；③為進(jìn)一步適應(yīng)手部舒適度，需要在手柄自由曲面上進(jìn)一步改進(jìn)。

圖5　游戲手柄

在采集游戲手柄的數(shù)據(jù)時(shí)，由于單純使用光學(xué)掃描儀數(shù)據(jù)來(lái)建立規(guī)格特征部分模型時(shí)，誤差比較大，所以對(duì)規(guī)則部分(圓柱孔，槽等)使用CMM測(cè)量，進(jìn)一步提高模型質(zhì)量。即將游戲手柄使用光學(xué)掃描和三坐標(biāo)測(cè)量?jī)刹窟M(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將光學(xué)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三坐標(biāo)測(cè)量特征參數(shù)兩組數(shù)據(jù)分別建模，在相同的坐標(biāo)系下進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊，布爾減運(yùn)算等獲得最終CAD模型,最后在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行再創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

圖6　手柄正逆向混合設(shè)計(jì)流程

3.1逆向設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是逆向設(shè)計(jì)的重要部分。本文所使用測(cè)量設(shè)備是Hexagon公司的Romer Infinite 2.0系列關(guān)節(jié)臂和Perceptron公司的ScanWorks V4i激光掃描頭，測(cè)量精度為0.024mm。掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7　掃描點(diǎn)云

關(guān)節(jié)臂掃描儀采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多次多方位采集后，數(shù)據(jù)可能雜亂無(wú)序，甚至密度較大，分布不均勻，當(dāng)數(shù)據(jù)密度很高時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)中存在很多的冗余數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響效率。同時(shí)，由于環(huán)境和人為等因素的影響，數(shù)據(jù)中也存在一些噪音點(diǎn)。因此需要數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、降噪等處理[9]。處理后獲得其網(wǎng)格面格式，如圖8所示。

圖8　網(wǎng)格面

游戲手柄網(wǎng)格面在Geomagic Design Direct中模型重構(gòu)是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步。在重構(gòu)的過(guò)程中，將手柄分為兩部分：自由曲面和規(guī)則特征。如圖8所示游戲手柄左右手握部分是自由曲面部分，其他為規(guī)則特征。規(guī)則特征部分通過(guò)草繪、拉伸、布爾裁剪等操作可迅速建模。自由曲面部分通過(guò)“擬合自由”功能擬合出該區(qū)域形狀分布的自由曲面，再經(jīng)過(guò)曲面裁剪，拉伸曲面等操作得到自由曲面部分的實(shí)體。

3.2正向設(shè)計(jì)

游戲手柄的規(guī)則特征使用CMM測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　CMM測(cè)量結(jié)果

其中，游戲手柄的槽是由一個(gè)方槽和兩個(gè)半圓組合而成，方槽為長(zhǎng)寬為6.7013×3.6098，圓直徑為3.6002mm。

通坐標(biāo)對(duì)齊[10]，布爾裁剪等操作獲得原始模型。如下圖9所示。

圖9　最終游戲手柄原始模型

完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，逆向建模等步驟后，緊接著根據(jù)設(shè)計(jì)需求在以上模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。分別在游戲手柄的正上方設(shè)計(jì)一個(gè)30×10mm的方槽放置顯示屏幕。利用草圖模式，在手柄右邊曲面上正向設(shè)計(jì)1個(gè)方槽，大小為5×10mm。對(duì)于左右手柄的自由曲面，在其上正向設(shè)計(jì)直徑為3mm的半球，來(lái)防止手握游戲手柄時(shí)滑動(dòng)和對(duì)手部不適。設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品見(jiàn)圖10。

圖10　混合建模設(shè)計(jì)產(chǎn)品

4結(jié)論

針對(duì)逆向工程建模中存在的問(wèn)題，從新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新角度出發(fā)，提出了將正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)相結(jié)合的逆向工程CAD混合建模的方法。通過(guò)基于

Geomagic Design Direct軟件的混合建模的方法對(duì)具有復(fù)雜曲面的零件進(jìn)行模型重構(gòu),并在此基礎(chǔ)上通過(guò)零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，模型重構(gòu)與再創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)正逆向混合建模的方法，能有效的提高二次創(chuàng)新效率和提高反求參數(shù)化的修改能力。

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(編輯趙蓉)

The Innovative Design of Forward and Reverse Hybrid Modeling Based on Geomagic Design Direct

WANG Qiao, CHENG Si-yuan, YANG Xue-rong, ZHANG Xiang-wei , LV Se

( School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006,China )

Abstract：Hybrid modeling design is the combination of forward and reverse design, and this paper puts forward a new hybrid modeling method based on Geomagic Design Direct software. Through data collection, point cloud pretreatment, surface reconstruction, and then edit the surface, solid feature modeling and parametric modification to obtain the final CAD model..Taking gamepad model as an example, the powerful capability of Geomagic Design Direct is applied to complete the hybrid modeling and innovative design of parts’ point cloud data, which could realize the rapid reconstruction of gamepad, as well as the secondary innovation for products. The results show that the realization of hybrid modeling technology by Geomagic Design Direct software can contribute to innovative design of the original model efficiently.

Key words：reverse engineering; hybrid modeling; innovative design

文章編號(hào)：1001-2265(2016)05-0059-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.016

收稿日期：2015-06-29；修回日期：2015-07-26

*基金項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(2014A040401078，2013B061000006，2011A060901001)

作者簡(jiǎn)介：王喬(1989—)，男，湖北黃岡人，廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)槟嫦蚬こ碳盎旌辖＃?E-mail)915292378@qq.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH166;TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A