基于自動(dòng)曲面創(chuàng)建的鞋楦逆向設(shè)計(jì)應(yīng)用

陳周五

(安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，合肥 230051)

在追求個(gè)性化的當(dāng)今，傳統(tǒng)的鞋楦設(shè)計(jì)無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)多元化的需求[1]。傳統(tǒng)的鞋楦設(shè)計(jì)制造時(shí)間周期長(zhǎng)，關(guān)鍵部位如頭型、后身過(guò)分依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)，所獲取的數(shù)據(jù)也難以準(zhǔn)確表達(dá)鞋楦曲面的3維數(shù)據(jù)，更難以滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化需求[2]。本文以某款鞋楦模型為例，利用逆向工程技術(shù)，采集鞋楦的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行逆向建模，所生成的逆向模型可依據(jù)用戶(hù)的需求進(jìn)行修改，以滿(mǎn)足用戶(hù)在尺寸、舒適度和運(yùn)動(dòng)生理特征等方面的需求，縮短鞋類(lèi)的設(shè)計(jì)周期，增加企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 自動(dòng)曲面創(chuàng)建鞋楦的逆向建模

1.1 逆向工程概述

逆向工程是一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)反求過(guò)程，利用測(cè)量工具獲取產(chǎn)品的測(cè)量數(shù)據(jù)，重構(gòu)產(chǎn)品CAD模型并創(chuàng)新的一種設(shè)計(jì)方法[3]。通過(guò)逆向工程技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以對(duì)原始產(chǎn)品模型進(jìn)行還原、優(yōu)化和再設(shè)計(jì)等，有利于產(chǎn)品的快速創(chuàng)新開(kāi)發(fā)[4]。目前廣泛應(yīng)用在汽車(chē)、模具等領(lǐng)域。應(yīng)用逆向工程進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程分為6步：

(1)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集：獲取產(chǎn)品表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集是逆向工程中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、反求模型的基礎(chǔ)。本文采用北京三維天下科技有限公司生產(chǎn)的Win3DD單目三維掃描儀獲取原始產(chǎn)品表面各離散點(diǎn)的3維坐標(biāo)和法向量等相關(guān)物理參數(shù)。如圖1所示。

由于鞋楦材質(zhì)表面不感光或全反射，需要對(duì)其采取噴漆處理，使取得的點(diǎn)數(shù)據(jù)完整、清晰，有利于后續(xù)點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理。

原始鞋楦點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

(2) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理：采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)因存在設(shè)備誤差、掃描方式誤差、測(cè)量誤差和環(huán)境因素導(dǎo)致的誤差，本文采用Geomagic Studio 軟件對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

采用高斯濾波器去除采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪聲，公式為：

(1)

由于在數(shù)據(jù)采集時(shí)，往往需要進(jìn)行多次掃描，導(dǎo)致數(shù)據(jù)密度增大，且所得數(shù)據(jù)中包含著大量的冗余數(shù)據(jù)，因此在該軟件中通過(guò)將數(shù)據(jù)點(diǎn)間的絕對(duì)間距為設(shè)定為0.7mm 進(jìn)行數(shù)據(jù)去冗。在此基礎(chǔ)上，利用Geomagic Studio 軟件對(duì)去冗后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去刪除釘狀物、修補(bǔ)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺陷處理，最終生成符合逆向建模要求的點(diǎn)云文件[5]。

(3)逆向建模過(guò)程：應(yīng)用逆向軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)產(chǎn)品CAD模型。重構(gòu)CAD模型要能反映原始產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路，既要滿(mǎn)足產(chǎn)品的光順度要求又要保證產(chǎn)品的精度要求[6]。

(4)CAD質(zhì)量分析：通過(guò)對(duì)重構(gòu)CAD模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析，獲取關(guān)鍵點(diǎn)位置的3D和2D偏差、尺寸精度誤差、形位誤差等信息，以反映整個(gè)零件各部位的偏差情況，進(jìn)而改進(jìn)和完善CAD模型，降低制造流程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

(5)創(chuàng)新設(shè)計(jì)：依據(jù)實(shí)際需求，對(duì)重構(gòu)CAD模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足產(chǎn)品美觀(guān)、功能、成本等多方面的要求，增加企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

(6)產(chǎn)品再造過(guò)程：利用機(jī)械加工或者3D打印技術(shù)將完成的CAD模型進(jìn)行再生制造，可進(jìn)一步檢驗(yàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能，以滿(mǎn)足質(zhì)量要求。

自動(dòng)曲面創(chuàng)建命令利用在面片上自動(dòng)或手動(dòng)構(gòu)建曲線(xiàn)網(wǎng)格，并將曲面擬合到能夠保持底層網(wǎng)格精度的網(wǎng)格，DX軟件可自動(dòng)估算或者根據(jù)指定的曲面片數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)對(duì)自動(dòng)生成的曲面片進(jìn)行縫合形成實(shí)體模型。這種重構(gòu)模型的方法效率高，曲面的擬合精度高，但對(duì)原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理有較高要求，因而能夠保證擬合曲面的光順度，特別適合產(chǎn)品的細(xì)節(jié)特征較多但對(duì)曲面精度要求不高的非機(jī)械類(lèi)零件的構(gòu)建。

1.2 流程設(shè)計(jì)

利用該命令重構(gòu)產(chǎn)品流程為：提取輪廓曲線(xiàn)構(gòu)造曲面片網(wǎng)格調(diào)整和移動(dòng)曲面片組擬合曲面補(bǔ)丁。

(1)提取輪廓曲線(xiàn)：該功能能夠自動(dòng)檢測(cè)并提取面片上的特征曲線(xiàn)，也可手動(dòng)繪制面片上的特征曲線(xiàn)，構(gòu)建產(chǎn)品的整體框架曲線(xiàn)，為后續(xù)構(gòu)造曲片面網(wǎng)格構(gòu)建前提條件。由于前期該鞋楦點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理較好(圖3所示)，結(jié)合該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用軟件自動(dòng)提取輪廓曲線(xiàn)和手動(dòng)繪制輪廓曲線(xiàn)兩種方式來(lái)生成該鞋楦的輪廓曲線(xiàn)，最終可將該點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建如圖4所示的輪廓曲線(xiàn)框架。

(2)構(gòu)造曲面片網(wǎng)格：利用生成的輪廓曲線(xiàn)自動(dòng)構(gòu)建面片網(wǎng)格，通過(guò)該命令創(chuàng)建可編輯的面板組網(wǎng)格包含輪廓線(xiàn)，該步也是構(gòu)建NURBS曲面的前提條件。DX軟件利用該命令可自動(dòng)估算或者根據(jù)指定的曲面片數(shù)來(lái)創(chuàng)建曲面片網(wǎng)格，如圖5所示。

(3)移動(dòng)曲面片組：構(gòu)造曲面片網(wǎng)格命令所生成的曲面片網(wǎng)格是軟件依據(jù)輪廓線(xiàn)隨機(jī)生成，隨機(jī)生成曲面片的UV線(xiàn)不符合曲面結(jié)構(gòu)和流線(xiàn)特征，NURBS曲面能夠比傳統(tǒng)的網(wǎng)格建模方式更好地控制物體表面的曲線(xiàn)度，因此需要對(duì)所生成的曲面片網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整從而能夠創(chuàng)建出更逼真、生動(dòng)的造型。移動(dòng)曲面片組命令可移動(dòng)并重新定位面板，為合理特征流配置曲面片網(wǎng)格。該命令依據(jù)輪廓線(xiàn)形狀可設(shè)置不同的UV線(xiàn)類(lèi)型(如柵格、帶、圓形等)以調(diào)整UV線(xiàn)的走向進(jìn)而控制NURBS曲面的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)移動(dòng)曲面片組命令調(diào)整后曲面片網(wǎng)格如圖6所示。

通過(guò)比較圖5與圖6可以明顯看出調(diào)整以后的曲面片網(wǎng)格符合曲面的結(jié)構(gòu)和流線(xiàn)特征，進(jìn)而構(gòu)建出符合要求的曲面。依次對(duì)鞋楦各個(gè)曲面片網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化處理，最終得到的曲面片網(wǎng)格如圖7所示。

(4)擬合曲面補(bǔ)?。和ㄟ^(guò)擬合曲面補(bǔ)丁命令將曲面補(bǔ)丁擬合到之前已生成的曲面片網(wǎng)格，并將所擬合曲面片縫合成實(shí)體模型，最終完成整個(gè)的鞋楦逆向建模，如圖8所示。

2 鞋楦的逆向建模質(zhì)量分析

通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向完成的CAD模型構(gòu)建，由于原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集誤差、處理誤差和逆向過(guò)程中的建模誤差，導(dǎo)致無(wú)法完全還原原始產(chǎn)品模型。為了獲取逆向CAD模型和原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的誤差信息，進(jìn)而改進(jìn)和完善CAD模型，本文利用Geomagic Control軟件來(lái)獲取相關(guān)的誤差信息。Geomagic Control軟件是業(yè)界最全面、強(qiáng)大和最精確的3維計(jì)量解決方案的自動(dòng)化平臺(tái)，該軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD模型進(jìn)行比較，通過(guò)獲取關(guān)鍵點(diǎn)位置的3D和2D偏差、尺寸精度誤差、形位誤差等信息來(lái)反映整個(gè)零件各部位的偏差情況，降低制造流程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

3D比較分析是將逆向CAD模型(測(cè)試數(shù)據(jù))與點(diǎn)云數(shù)據(jù)(參考數(shù)據(jù))進(jìn)行3D對(duì)比，計(jì)算測(cè)試數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)之間的整體偏差，生成一個(gè)以不同顏色區(qū)分參考對(duì)象間不同偏差的顏色偏差3D圖。圖9為鞋楦逆向CAD模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建的3D比較分析圖，從圖中可以看出，CAD模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體吻合度很高，只有少部分區(qū)域呈現(xiàn)淺藍(lán)色，其他部分都為吻合程度較高的綠色。由軟件給出的3D誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果和偏差分布如表1和圖10所示。

表1 3D誤差統(tǒng)計(jì)分析

本文設(shè)定公差為0.2mm，上偏差為0.1mm，下偏差為-0.1mm。從表1中可看出，重構(gòu)模型的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0226mm，總體誤差值在允許的偏差范圍內(nèi)。從圖8偏差分布圖中可以看出94.8264%的數(shù)據(jù)偏差集中在±0.02920mm之間，偏差值大于+0.07310mm和偏差值小于-0.02925mm的數(shù)據(jù)為0，逆向CAD模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體誤差滿(mǎn)足精度要求。

表2 3D表面關(guān)鍵點(diǎn)位偏差統(tǒng)計(jì)

表2為圖7所示的關(guān)鍵點(diǎn)位的關(guān)鍵點(diǎn)位偏差統(tǒng)計(jì)，從狀態(tài)值中可以看出：A001、A002、A003狀態(tài)為失敗，3個(gè)位置偏差值過(guò)大，且超過(guò)設(shè)定值，此位置主要集中在鞋楦?jìng)?cè)面與底面的過(guò)渡面上，主要原因?yàn)椋孩僭紥呙椟c(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理誤差；②生成的曲面網(wǎng)格不夠精細(xì)。

3 結(jié)論

本文利用逆向工程功能中的自動(dòng)曲面創(chuàng)建命令快速重構(gòu)鞋楦的CAD模型，通過(guò)Geomagic Control軟件進(jìn)行重構(gòu)CAD模型與原始點(diǎn)云質(zhì)量分析，可得出重構(gòu)CAD模型滿(mǎn)足尺寸精度要求。針對(duì)誤差產(chǎn)生的主要原因：原始掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理誤差和生成的曲面網(wǎng)格不夠精細(xì)導(dǎo)致的誤差，可一方面在采集和處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行細(xì)致處理；另一方面在進(jìn)行逆向建模時(shí)細(xì)化曲面網(wǎng)格的方式來(lái)進(jìn)一步減小偏差值。本文中逆向工程技術(shù)也為縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，提高設(shè)計(jì)效率提供依據(jù)，有效地提高了產(chǎn)品響應(yīng)市場(chǎng)需求的能力。