基于Geomagic Desgin X計(jì)算機(jī)逆向建模技術(shù)與應(yīng)用研究

徐 彤

(天津市和平區(qū)新華職工大學(xué)，天津 300070)

1 逆向建模

逆向建模，也稱為反求建模，是指由實(shí)際現(xiàn)有的實(shí)物產(chǎn)品生成CAD幾何模型，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)復(fù)制實(shí)體，并在原模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修改、創(chuàng)新等再設(shè)計(jì)。目前，逆向建模技術(shù)主要應(yīng)用在汽車制造、航空、機(jī)械制造、個(gè)性化產(chǎn)品設(shè)計(jì)等行業(yè)。與此同時(shí)逆向建模技術(shù)也發(fā)展成為了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域中重要的新興應(yīng)用研究方向。

逆向建模過程中的核心環(huán)節(jié)包括實(shí)物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息采集，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與封裝，對(duì)面片數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析與逆向建模建造，具體流程圖如圖1所示。本文以實(shí)物葫蘆為例，通過三維掃描儀獲得葫蘆實(shí)物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并導(dǎo)出相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，再利用Geomagic studio 2016軟件對(duì)葫蘆實(shí)物的點(diǎn)云模型進(jìn)行預(yù)處理與封裝，形成面片數(shù)據(jù)。最后借助專業(yè)逆向設(shè)計(jì)軟件Geomagic Design X實(shí)現(xiàn)利用曲面面片數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)模型重構(gòu)的過程，通過計(jì)算機(jī)逆向建模軟件得到葫蘆實(shí)物的三維數(shù)字化CAD模型。根據(jù)得到的三維數(shù)字化CAD模型，以葫蘆實(shí)物為基礎(chǔ)，進(jìn)行后續(xù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)等操作。

圖1 逆向建模流程圖

2 逆向建模的優(yōu)勢(shì)

2.1 降低設(shè)計(jì)過程難度系數(shù)

逆向建模技術(shù)是基于三維掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)從實(shí)物到具體圖紙的設(shè)計(jì)過程與模型創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。對(duì)于復(fù)雜的產(chǎn)品，如果沒有具體的數(shù)據(jù)，正向設(shè)計(jì)過程難度大，需要很多次的測(cè)算與建模過程。而逆向設(shè)計(jì)可以首先基于一定的既定實(shí)物，通過三維掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過不同角度的擬合形成初步模型。設(shè)計(jì)者可以在初步模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加以修改和自我創(chuàng)新，這在很大程度上降低了因沒有具體數(shù)據(jù)而反復(fù)多次建模實(shí)驗(yàn)的過程，降低了設(shè)計(jì)過程中的難度系數(shù)。

2.2 降低產(chǎn)品研制設(shè)計(jì)成本

產(chǎn)品在研發(fā)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于復(fù)雜的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)師無法完全估計(jì)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中會(huì)出現(xiàn)什么樣的狀況，通常會(huì)經(jīng)歷反復(fù)設(shè)計(jì)與修改的過程。正向設(shè)計(jì)是首先繪制圖紙，測(cè)算具體數(shù)據(jù)，建立模型，并進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中一旦出現(xiàn)問題，如每次因一些局部的問題就推倒整個(gè)產(chǎn)品重來，這無論從時(shí)間成本還是人力成本上都是巨大的。而逆向設(shè)計(jì)方法則可以輕松解決這一難題。逆向設(shè)計(jì)通常是在現(xiàn)有實(shí)物模型或正向設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)已有模型的問題，進(jìn)行分析再設(shè)計(jì)，然后通過將對(duì)修正后的模型進(jìn)行掃描，得到新三維模型。這在很大程度上解決了產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)過程中的時(shí)間成本和人力成本。

2.3 適度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)榍捌趯?duì)實(shí)際模型的分析與試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)有實(shí)物模型進(jìn)行改造再設(shè)計(jì)，通過逆向設(shè)計(jì)得到的模型數(shù)據(jù)相比正向直接建立模型更能迅速找到產(chǎn)品適合的開發(fā)設(shè)計(jì)方案，適度縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。與此同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)客戶需求的私人定制，結(jié)合參與試驗(yàn)的模型，可以利用建模軟件對(duì)產(chǎn)品外觀、產(chǎn)品功能、產(chǎn)品分解部分設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)與修改，更好的貼和客戶的個(gè)性化要求。而不再需要反復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，這不僅提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的效率，也以更高效的方式滿足了個(gè)性化需求。

3 逆向建模過程

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理

實(shí)現(xiàn)實(shí)物逆向建模首先需要采集實(shí)物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)即通過測(cè)量實(shí)物表面的點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值，得到得大量坐標(biāo)點(diǎn)的集合。根據(jù)測(cè)量頭在測(cè)量時(shí)是否與實(shí)物相接觸,分為接觸式、非接觸式兩大類。本次建模的實(shí)物對(duì)象是葫蘆，葫蘆是一個(gè)曲面立體物體，其表面比較光滑，接觸式測(cè)量頭無法接觸到葫蘆表面的所有點(diǎn)，測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此本文采用非接觸式測(cè)量?jī)x，即激光掃描儀采集葫蘆實(shí)體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

實(shí)物如圖2所示。首先需要在葫蘆的表面貼點(diǎn)，激光掃描儀通過拍照的形式以貼點(diǎn)的位置作為參考，參加大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最終生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件。如圖3所示。掃描完成后，由于掃描儀的技術(shù)限制及掃描環(huán)境的影響，不可避免地帶來多余的點(diǎn)云或噪點(diǎn),可手動(dòng)選擇這些點(diǎn)云刪除。然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Geomagic Studio 2016軟件，對(duì)葫蘆點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理，包括刪除體外孤點(diǎn)、減少噪點(diǎn)、統(tǒng)一采樣頻率等。然后利用“封裝”命令把點(diǎn)云數(shù)據(jù)聚合在一起形成面片模型，在形成的面片模型基礎(chǔ)上進(jìn)行填充孔、刪除釘狀物、去除特征、砂紙、網(wǎng)格醫(yī)生等操作，使模型表面變得更加光滑。優(yōu)化處理后的面片數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出stl格式文件，進(jìn)行完成逆向建模的準(zhǔn)備工作。如圖2所示。

圖2 葫蘆模型圖

4 基于Geomagic DesignX的實(shí)體重構(gòu)

4.1 Geomagic Design X軟件簡(jiǎn)介

Geomagic Design X軟件是美國(guó)3D Systems公司推出的一款功能強(qiáng)大的逆向工程設(shè)計(jì)軟件，是Geomagic系列軟件中專門用于曲面模型重構(gòu)的軟件，是業(yè)界最有效的基于3D掃描的CAD解決方案，該軟件具有結(jié)合實(shí)體數(shù)模、高級(jí)曲面建模、網(wǎng)格編輯和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理等功能。在建模過程中，如果點(diǎn)云處理之后得到的面片數(shù)據(jù)相對(duì)簡(jiǎn)單、規(guī)則，則可以采用Pro/E、Solidworks等軟件進(jìn)行建模，而如果建模模型的曲面特征不規(guī)則、比較復(fù)雜，則多采用Geomagic Design X完成逆向建模設(shè)計(jì)。

將葫蘆面片模型導(dǎo)入Geomagic Design X，如圖4所示。Geomagic Design X可以實(shí)現(xiàn)逆向建模，也同時(shí)具備正向建模功能，用戶可以根據(jù)需要，采用Geomagic Design X軟件中提供的正向建模工具，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的圖形或?qū)嶓w，并與逆向建模的模型相融合，可以導(dǎo)出CAD文件。

4.2 葫蘆逆向建模過程

4.2.1 領(lǐng)域的劃分

在逆向建模過程中需要提取物體特征，以物體特征為基礎(chǔ)，進(jìn)行后續(xù)的建模操作。葫蘆模型為一整體，在建模前需要對(duì)其進(jìn)行劃分。Geomagic Design X中領(lǐng)域組命令就是計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)物面片數(shù)據(jù)的曲率值自動(dòng)識(shí)別、分析物體的表面特征形狀，并以不同顏色加以分割。領(lǐng)域組在劃分后通常會(huì)形成包括圓柱、圓錐、球兒、圓環(huán)等在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)形狀；也包括平面、回轉(zhuǎn)、自由體等在內(nèi)的非標(biāo)準(zhǔn)形狀。通過領(lǐng)域組的劃分可以精確地識(shí)別出對(duì)象的外表面特征，為接下來的建模奠定基礎(chǔ)。由于葫蘆本身不規(guī)則，使得自動(dòng)分割不能很好地反映物體的準(zhǔn)確特征，自動(dòng)領(lǐng)域組劃分后，可以進(jìn)行領(lǐng)域組的編輯。利用“添加新領(lǐng)域”命令可以將不符合要求的特征劃分掉，將領(lǐng)域特征進(jìn)行細(xì)分，劃分出新的領(lǐng)域特征。如圖3所示。

圖3 基于曲率值的領(lǐng)域劃分圖

4.2.2 坐標(biāo)對(duì)齊

創(chuàng)建基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)平面和點(diǎn)，葫蘆由于自然生長(zhǎng)，其外形各異，并不是規(guī)則的圓形或圓柱型，如果并不正，或者不能站立住，需要在領(lǐng)域劃分的基礎(chǔ)上，追加中心葫蘆底平面為水平基準(zhǔn)面，并提取葫蘆軸心線為基準(zhǔn)軸線，選取參照線和平面的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)。

4.2.3 葫蘆實(shí)體重建

(1)建立多個(gè)平面

Geomagic Design X軟件中系統(tǒng)默認(rèn)建立三個(gè)平面，分別是前面、上面和右面。以這三個(gè)平面為基準(zhǔn)，可以新建多個(gè)平面，葫蘆作為不規(guī)則的近似圓柱體，無法確立最準(zhǔn)確的唯一平面，需要使用偏移命令追加多個(gè)平面。先選擇 “上面”這個(gè)參考平面，利用偏移命令，設(shè)定偏移方向和偏移數(shù)量，從而得到多個(gè)平面。再選擇 “右面”這個(gè)參考平面，利用偏移命令，觀察偏移形成的位置，從而修改偏移方向和偏移數(shù)量，進(jìn)而得到多個(gè)平面，為后續(xù)的建模操作奠定基礎(chǔ)。

(2)平面與平面相交建立參考線

平面與參考線是Geomagic Design x建模的基礎(chǔ)，而參考線的建立有多種方式，對(duì)于不規(guī)則模型確立參考線不能直接拾取，也不能在模型上直接劃定，只能通過平面相交的形式確定。在葫蘆建模的過程中，通過平面偏移得到的多個(gè)平面相交確定葫蘆的位置和中心軸線，以確定的中心軸線作為參考線，為后續(xù)的建模操作奠定基礎(chǔ)。

(3)以平面為基礎(chǔ)繪制草圖

草圖是進(jìn)行建模操作的基礎(chǔ)，而若想繪制草圖首先要確立參考平面。首先需要選擇確定參考平面，進(jìn)入“面片草圖”命令，在“面片草圖”設(shè)定界面中移動(dòng)剖面獲取有效輪廓線，并以此輪廓線在參考平面上形成投影線，根據(jù)投影線利用草圖工具繪制草圖。在面片草圖設(shè)置中，拖動(dòng)稍細(xì)的箭頭可以改變斷面的位置，獲取物體不同位置輪廓線，拖動(dòng)稍粗的箭頭可以擴(kuò)大投影線范圍。當(dāng)物體外表面未能全部掃描完整，可以通過移動(dòng)剖面獲取相對(duì)完整的部位，使得草圖能表現(xiàn)正確的表面特征。Geomagic Design x提供的繪制草圖的工具有很多種，利用圓、相切圓、三點(diǎn)圓弧、剪切等工具可以沿著投影線繪制草圖。草圖在繪制過程中需要盡量貼合物體輪廓線，以便于進(jìn)行后續(xù)的操作。

(4)以草圖為基礎(chǔ)，圍繞參考線進(jìn)行回轉(zhuǎn)，得到葫蘆實(shí)體

回轉(zhuǎn)建摸是以輪廓線為基礎(chǔ)，沿著一個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)體或曲面建模。在回轉(zhuǎn)建摸中草圖的繪制至關(guān)重要，首先要準(zhǔn)確的獲取實(shí)體的外表面輪廓線作為草圖，且此草圖必須是封閉的，且可以沿某一軸線進(jìn)行回轉(zhuǎn)。在葫蘆實(shí)體建模過程中，通過平面與平面相交獲得了參考線，可以以此參考線作為軸線；在第三個(gè)步驟中以平面為基礎(chǔ)繪制了輪廓草圖，獲得了葫蘆表面特征的外輪廓線，需要通過“分離終點(diǎn)測(cè)試”檢查輪廓線是否封閉，確保連接點(diǎn)處未呈現(xiàn)綠色，即草圖呈現(xiàn)封閉狀態(tài)。選擇“回轉(zhuǎn)工具”命令，選擇相應(yīng)的草圖輪廓線，選擇軸線，設(shè)定360度旋轉(zhuǎn)角度，從而得到葫蘆實(shí)體。

4.2.4 偏差分析

使用Geomagic Design X建模軟件完成葫蘆模型的建模后，可以使用軟件自帶的“Accuracy Analyzer的偏差分析功能，對(duì)所建模型的曲面值進(jìn)行偏差分析，分析其與原始面片數(shù)據(jù)的偏差程度。通常情況下用戶可以自己設(shè)定偏差范圍，在本次葫蘆模型的偏差分析中，將偏差的上限和下限分別設(shè)定為0.1mm和-0.1mm，軟件會(huì)根據(jù)用戶設(shè)定的偏差范圍自動(dòng)計(jì)算出所建模型與原始面片數(shù)據(jù)之間的偏差，并采用偏差云圖的方式顯示出來。如圖4所示，綠色表示在公差許可范圍內(nèi)，顏色越接近紅色表示誤差越大。由圖可以看出，葫蘆建模之后的數(shù)據(jù)基本上大部分在公差許可范圍內(nèi)。小部分區(qū)域未獲得良好偏差測(cè)試結(jié)果，需要進(jìn)一步考慮表面平滑程度，掃描是否完整。偏差分析后，結(jié)果較理想，通過布爾操作可以形成整體結(jié)構(gòu)模型，以便于后續(xù)的設(shè)計(jì)操作。

圖4 偏差分析圖

5 基于葫蘆建模模型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

通過掃描葫蘆實(shí)體，點(diǎn)云處理，逆向建模過程得到了偏差允許范圍內(nèi)的葫蘆模型數(shù)據(jù)。這從很大程度上克服了傳統(tǒng)工藝下使用工具測(cè)量，制作模具，反復(fù)試驗(yàn)?zāi)＞叩倪^程。直接通過實(shí)物得到了三維模型數(shù)據(jù)，基于得到的三維數(shù)據(jù)模型和用戶的需求，后續(xù)可以用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件等先進(jìn)制造技術(shù)完成具體細(xì)節(jié)與用戶定制化需求產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這很好地實(shí)現(xiàn)了將實(shí)物模型直接運(yùn)用到用戶定制化產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，而且效率更高，更具后續(xù)的創(chuàng)新與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5.1 鏤空設(shè)計(jì)，變身空氣清新劑容器

在原有葫蘆的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)增加了鏤空設(shè)計(jì)，鏤空花紋可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行定制，例如字母、圖案等。將原有的葫蘆產(chǎn)品進(jìn)行改造，利用Geomagic Desgin X軟件將鏤空部分的具體參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)與細(xì)化，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)葫蘆具體參數(shù)的設(shè)定，例如壁厚，曲率等。就此可以形成小型空氣凈化器的初步外觀模型，在實(shí)現(xiàn)私人定制的同時(shí)，滿足空氣凈化器的功能需求。

5.2 增加手握紋理處理，提升用戶手握的舒適感

葫蘆實(shí)物往往是光滑的，在手部抓握過程中往往會(huì)出現(xiàn)不便。在和用戶確定其實(shí)際應(yīng)用地點(diǎn)與方式后，可以增加手握紋理處理的方法克服葫蘆本身的缺陷。與此同時(shí)，手握紋的寬窄、樣式可以根據(jù)用戶的手型、抓握方式進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，利用Geomagic Desgin X軟件將手握紋部分的具體參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)與細(xì)化，導(dǎo)出三維模型數(shù)據(jù)，模型數(shù)據(jù)具備兼容性，后期再進(jìn)行其它設(shè)計(jì)時(shí)，可以直接導(dǎo)入Rhino、3D Max等軟件，方便使用不同建模軟件完成拓展設(shè)計(jì)工作。

5.3 增加底座處理，實(shí)現(xiàn)個(gè)性定制

在創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中，考慮到設(shè)計(jì)產(chǎn)品為空氣清新劑容器，需要具備放置空氣清新劑的專門區(qū)域。此外，考慮葫蘆實(shí)物特點(diǎn)，底部多成圓滑不規(guī)則曲率的曲面，在固定和放置平穩(wěn)度上存在缺陷，因此增加了底座設(shè)計(jì)，底座花紋圖案、形狀、樣式可以實(shí)現(xiàn)私人訂制，在此過程中可以使用正向建模軟件進(jìn)行具體細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。同時(shí)可以通過正向建模軟件將葫蘆建模體與底座建模體相分離，作為裝配組件，在實(shí)際應(yīng)用中可以靈活的將底座拆分下來，從而再后續(xù)的設(shè)計(jì)中增加專門放置空氣清新劑的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)其作為空氣清新劑容器的功能。

圖5 創(chuàng)新設(shè)計(jì)圖

6 結(jié)論

采用Geomagic Design X軟件以逆向建模方式完成對(duì)葫蘆模型的再建與重構(gòu)，其操作過程簡(jiǎn)單，建模速度快。經(jīng)過實(shí)物采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、面片數(shù)據(jù)分析等過程完成逆向建模，最終形成滿足偏差范圍的葫蘆模型，與此同時(shí)，使用Geomagic Design X軟件也可完成簡(jiǎn)單的正向建模設(shè)計(jì)，進(jìn)行了一定的個(gè)性化創(chuàng)新設(shè)計(jì)。由此可以看出使用Geomagic Design X軟件進(jìn)行逆向建模設(shè)計(jì)可以適度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)過程難度系數(shù)和研發(fā)成本，根據(jù)用戶的需求進(jìn)行個(gè)性化產(chǎn)品定制，具備一定的社會(huì)價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值。