基于Geomagic的復(fù)雜曲面產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

張文灼 高亮 劉杰 胡孟謙 張曉娜

摘? 要：當(dāng)前，各行業(yè)產(chǎn)品部件表面的復(fù)雜度日益提升，設(shè)計(jì)難度越發(fā)提高，僅憑傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)難以滿足要求。逆向設(shè)計(jì)作為一種全新的設(shè)計(jì)手段，可以快速地解決復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)問(wèn)題，文章基于Geomagic系列工具，論述了復(fù)雜曲面產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，可為典型復(fù)雜曲面產(chǎn)品部件的數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、逆向重構(gòu)模型和型面精度檢測(cè)提供一種技術(shù)思路。

關(guān)鍵詞：Geomagic;復(fù)雜曲面;逆向設(shè)計(jì);關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391.7? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）16-0152-03

Research on Key Technology of Reverse Design of Complex Surface Products

Based on Geomagic

ZHANG Wenzhuo1，GAO Liang2，LIU Jie1，HU Mengqian1，ZHANG Xiaona1

（1.Hebei College of Industry and Technology，Shijiazhuang? 050091，China;

2.Hebei Vocational College of Rail Transportation，Shijiazhuang? 050051，China）

Abstract：At present，the surface complexity of product parts in various industries is increasing，and the design difficulty is increasing. It is difficult to meet the requirements only by the traditional forward design. As a new design method，reverse design can quickly solve the problem of complex surface design. Based on Geomagic series tools，this paper discusses several key technologies of reverse design of complex surface products，which can provide a technical idea for data acquisition，point cloud data processing，reverse reconstruction model and surface accuracy detection of typical complex surface products..

Keywords：Geomagic;complex surface;reverse design;key technology

0? 引? 言

隨著時(shí)代發(fā)展，各行業(yè)產(chǎn)品部件表面的復(fù)雜程度日益提升，尤其在工業(yè)、民用、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)乃至考古與文物保護(hù)等領(lǐng)域，如汽車(chē)部件的復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)、古文物復(fù)雜表面翻新復(fù)制、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的人體器官與骨骼等組織的復(fù)制等，尤其是越來(lái)越多的私人定制需求逐漸顯現(xiàn)，產(chǎn)品所呈現(xiàn)出的特點(diǎn)是曲面、復(fù)雜且造型不規(guī)則等。面對(duì)著日趨復(fù)雜的設(shè)計(jì)需求，廣泛使用的CAD正向設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)無(wú)法很好地滿足設(shè)計(jì)方面的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求。逆向設(shè)計(jì)是對(duì)實(shí)物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，然后對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并建立三維模型，從而構(gòu)建一個(gè)與原形狀一致的三維模型，并在該基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)制、改良及創(chuàng)新設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)有些全新產(chǎn)品時(shí)，可以利用特制的泡沫、黏土、纖維玻璃以及木頭等材料，

在最初的輪廓上進(jìn)行反復(fù)的貼補(bǔ)和去除，從而制作出手工模型，然后逆向設(shè)計(jì)，快速完成CAD模型;在已有的復(fù)雜曲面實(shí)物部件基礎(chǔ)上進(jìn)行外觀與結(jié)構(gòu)上的改良創(chuàng)新，也可以通過(guò)逆向設(shè)計(jì)快速完成。具體應(yīng)用如表1所示。

河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院和河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院共同開(kāi)展了對(duì)逆向設(shè)計(jì)與精度檢測(cè)方面課題的研究，本文主要從基于Geomagic的復(fù)雜曲面產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了論述。

1? 基于Geomagic的復(fù)雜曲面產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

逆向工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)一般體現(xiàn)在四個(gè)方面：實(shí)物點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，逆向模型的重建，曲面型面的精度檢測(cè)。當(dāng)前Geomagic系列專業(yè)軟件在這些方面都能提供非常完美的解決手段。

1.1? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

這個(gè)環(huán)節(jié)在逆向工程設(shè)計(jì)當(dāng)中是最為基礎(chǔ)的一個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)也是最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)又細(xì)分為接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量。其中接觸式測(cè)量的具體操作方法是以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為主展開(kāi)相關(guān)的數(shù)據(jù)測(cè)量;而非接觸式測(cè)量則是通過(guò)三維掃描儀展開(kāi)測(cè)量工作。近幾十年來(lái)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)一直都備受各個(gè)領(lǐng)域的歡迎，并且已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)前精密度較高的一種測(cè)量設(shè)備，其原理是以坐標(biāo)測(cè)量為依據(jù)，利用專業(yè)的控制軟件和驅(qū)動(dòng)來(lái)完成對(duì)工件的大小及形位的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集。非接觸式測(cè)量是近段時(shí)間興起的一種測(cè)量方法，通過(guò)激光掃描的方式采集部件的三維數(shù)據(jù)。由于采集設(shè)備的不同，兩種方法所采集到的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度之間都存在一定的差距。

1.2? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

通常情況下，當(dāng)獲取到原始的三維數(shù)據(jù)后，需要針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，因?yàn)橥ㄟ^(guò)三維掃描設(shè)備所掃描到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在一定的噪點(diǎn)和異常點(diǎn)，加上設(shè)備自身的因素與相關(guān)操作人員的因素都極有可能造成數(shù)據(jù)誤差。如果選擇直接重構(gòu)曲面，會(huì)在不同程度上對(duì)后續(xù)的曲線及曲面重構(gòu)的精準(zhǔn)度造成影響。所以在實(shí)際應(yīng)用中一般會(huì)對(duì)三維采集設(shè)備所收集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)展開(kāi)預(yù)處理，例如降低噪點(diǎn)、精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)、處理異常點(diǎn)、數(shù)據(jù)平滑、坐標(biāo)變換以及消除特征等手段。

Geomagic Wrap是目前較為常見(jiàn)的負(fù)責(zé)預(yù)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的關(guān)鍵工具，該工具的掃描功能可以對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行創(chuàng)建并根據(jù)數(shù)據(jù)編輯相應(yīng)的多邊形模型。利用3D掃描技術(shù)對(duì)導(dǎo)入文件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終得出后續(xù)3D模型并應(yīng)用在處理工序當(dāng)中，目前工程、藝術(shù)、考古、制造等領(lǐng)域都在應(yīng)用Geomagic Wrap工具來(lái)完成逆轉(zhuǎn)的工程3D模型。該工具具有較強(qiáng)的重分格柵功能，該功能能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行掃描并整理其中有用的數(shù)據(jù)，最終構(gòu)建符合要求的完美的多變性模型，該專用軟件具有強(qiáng)大的處理功能，可以對(duì)采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括對(duì)三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行基于掃描特征的填充、修補(bǔ)和順滑等操作，最終得到的精確曲面的質(zhì)量和布局能夠符合標(biāo)準(zhǔn)。

1.3? 逆向模型的重構(gòu)

實(shí)際上逆向模型的重新構(gòu)建技術(shù)是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)，其所構(gòu)建出的實(shí)物與CAD模型最為相近，同時(shí)也是完成工程分析以及數(shù)控加工的重要前提。曲面模型重構(gòu)技術(shù)可以有效地對(duì)逆向產(chǎn)品進(jìn)行深入的分析與數(shù)控加工及產(chǎn)品創(chuàng)新等。CAD模型的重構(gòu)方式有三種：線架重構(gòu)、整體自動(dòng)重構(gòu)以及面片重構(gòu)。其中線架重構(gòu)的基本原理相對(duì)較為傳統(tǒng)，是通過(guò)由線到面完成的。在早期階段所采取的重構(gòu)軟件基本上都是線架重構(gòu)方式?，F(xiàn)階段線架重構(gòu)軟件一般都應(yīng)用于較為簡(jiǎn)單的外形零件制作當(dāng)中，與在點(diǎn)云基礎(chǔ)上繪制CAD模型基本相似。Geomagic Design X是逆向工程軟件中專業(yè)性極高的設(shè)計(jì)軟件，也是專門(mén)用來(lái)構(gòu)建逆向模型的軟件之一，該軟件是由Raindrop公司收購(gòu)后研發(fā)推出的，2013年3D Systems公司再次將該軟件收購(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與改良，目前該軟件的功能及性能既專業(yè)又強(qiáng)大，成為市場(chǎng)中的佼佼者，同時(shí)該軟件也相繼被各國(guó)的工程人員爭(zhēng)相采用，最近幾年也成為高校教學(xué)的首選。

所謂面片重構(gòu)實(shí)際上就是在從樣件中直接采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)并從中抽取面片，雖然說(shuō)上述的所有軟件都能夠完成該環(huán)節(jié)，但是所實(shí)現(xiàn)的效果并不理想。然而RapidForm軟件的優(yōu)化轉(zhuǎn)型使Geomagic Design X在面片重構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)變得越發(fā)顯著，并且還能夠幫助很多用戶完成自動(dòng)拼接和分塊工作。利用智能化軟件完成整體重構(gòu)的目標(biāo)，這個(gè)過(guò)程中所涉及的面片重構(gòu)與線架重構(gòu)都能夠依靠專業(yè)的、智能的軟件實(shí)現(xiàn)擬合，需將關(guān)注的重點(diǎn)放在了產(chǎn)品的整體性上。

快速曲面重構(gòu)過(guò)程如下：

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊轉(zhuǎn)變?yōu)槿蔷W(wǎng)格曲面。最初的點(diǎn)云數(shù)據(jù)難以保持過(guò)渡期間的平滑性，因此需要適量變化點(diǎn)云曲率尋找其中的規(guī)律性，以此確保曲面最終所取得的擬合精度，提升曲面的最終質(zhì)量，另外，點(diǎn)云分塊期間應(yīng)當(dāng)確保拆分的電暈?zāi)K之間具有公共邊，這樣有助于曲面的拼接。

（2）曲面擬合。首先應(yīng)當(dāng)針對(duì)分片的子網(wǎng)格曲面采取具有針對(duì)性的處理方式，其次對(duì)子網(wǎng)絡(luò)曲面進(jìn)行參數(shù)化的轉(zhuǎn)變，最后利用曲面片擬合的手段來(lái)取得具體的CAD模型，該技術(shù)能夠?qū)η孢M(jìn)行重構(gòu)，并且因其簡(jiǎn)單和直觀的優(yōu)勢(shì)被大多數(shù)操作工人廣泛應(yīng)用，并且能夠通過(guò)Geomagic Design X來(lái)完成具體的數(shù)據(jù)處理與曲面擬合。

（3）曲面拼接。曲面拼接的具體方式包含曲面橋接、縫合曲面、曲面分離和曲面延伸等方式，其中橋接的方式所得到的曲面結(jié)果具有較強(qiáng)的順滑性和連接性，能夠?qū)ο噜徢嫘纬捎行У募s束效果。

1.4? 型面精度檢測(cè)技術(shù)

當(dāng)重新構(gòu)成曲面之后，需要進(jìn)一步對(duì)CAD模型進(jìn)行精準(zhǔn)度的檢測(cè)，檢測(cè)的內(nèi)容主要有：模型曲面品質(zhì)、精度等。一般精度檢測(cè)的主要目的是直觀地將逆向模型與實(shí)物間的差異反映出來(lái)。而相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)有：整體指標(biāo)、局部指標(biāo)、量化指標(biāo)以及非量化指標(biāo)等等。Geomagic Control是針對(duì)復(fù)雜曲面型面的三維檢測(cè)軟件，是現(xiàn)階段該領(lǐng)域性能較為強(qiáng)大、廣泛且精準(zhǔn)的三維計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)某三維部件的測(cè)量與質(zhì)量檢測(cè)，該軟件可以支持大量的計(jì)量工具，比如目前較為常見(jiàn)的非接觸式掃描，所取得的數(shù)據(jù)能夠用于檢測(cè)分析，通過(guò)該檢測(cè)技術(shù)可以適當(dāng)節(jié)省時(shí)間并提升檢測(cè)精準(zhǔn)度，另外還能夠支持對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的自動(dòng)化技術(shù)處理，其中形位公差、防偽檢測(cè)、硬測(cè)等可以完成對(duì)零器件的快速檢測(cè)并適當(dāng)提升精準(zhǔn)度，最終完成三維檢測(cè)報(bào)告的總結(jié)。如圖1所示，其中Dx、Dy、Dz分別是x、y、z三個(gè)方向的誤差值，D是x、y、z三個(gè)方向的平均誤差值。通過(guò)Geomagic Control，對(duì)某型號(hào)汽車(chē)節(jié)溫器蓋逆向模型外輪廓進(jìn)行精度檢測(cè)，可以看到點(diǎn)偏差均非常小，符合設(shè)計(jì)要求，而點(diǎn)A045處偏差最大，x、y、z三個(gè)方向平均偏差達(dá)-0.938 7 mm，經(jīng)調(diào)查得知，此處雖并非裝配面，也非功能性曲面，但偏差度影響產(chǎn)品外觀的美觀，不滿足逆向要求，需重新優(yōu)化逆向。

2? 結(jié)? 論

Geomagic系列工具在逆向設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)流行起來(lái)，是一個(gè)強(qiáng)有力的功能強(qiáng)大逆向設(shè)計(jì)軟件。雖然基于Geomagic的逆向設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、逆向模型的重建和型面精度檢測(cè)等方面都有巨大優(yōu)勢(shì)，但是必要的時(shí)候，還應(yīng)輔以傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)軟件如UG等進(jìn)行補(bǔ)充，才能讓設(shè)計(jì)變得更加靈活、快捷、準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張文灼（1979.09—），男，漢族，河北武強(qiáng)人，教研室主任，副教授，碩士，研究方向：智能制造技術(shù);高亮（1979.07—），男，漢族，河北新樂(lè)人，教師，講師，碩士，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù);劉杰（1979.05—），男，漢族，河北無(wú)極人，教研室主任，講師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù);胡孟謙（1979.12—），男，漢族，河北寧晉人，系副主任，副教授，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì);張曉娜（1979.05—），女，漢族，河北石家莊人，教師，副教授，碩士，研究方向：機(jī)械制造測(cè)試。