基于Design X軟件的汽車水槍逆向建模

張利華

摘? 要：逆向工程技術(shù)作為目前發(fā)展較快的專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在模具設(shè)計與制造、汽車鈑金等領(lǐng)域得到了更多的研究與應(yīng)用。逆向工程作為吸收先進(jìn)技術(shù)的一種手段，使產(chǎn)品研制周期縮短40%以上。本文以家用汽車洗水槍為例，為了更好地滿足用戶的需求，利用逆向工程技術(shù)對洗車水槍的外觀進(jìn)行重構(gòu)，從點云的獲取過程、點云的處理過程，以及逆向建模過程及打印過程進(jìn)行詳細(xì)的探究。

關(guān)鍵詞：汽車水槍? 逆向工程技術(shù)? 點云? 曲面建模

中圖分類號：TP391.7 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）04（c）-0066-03

Reverse Modeling of Automobile Water Gun Based on Design X Software

ZHANG Lihua1，2

（1. Advanced Vocational Technical College of Shanghai University of Engineering Science， Shanghai， 200437 China; 2. Shanghai Technician School， Shanghai， 200437? China）

Abstract： Reverse engineering technology as the rapid development of the professional field， in the mold design and manufacturing， automotive sheet metal and other fields has been more research and application.Reverse engineering， as a means of absorbing advanced technology， shortens the development cycle of products by more than 40%. In this paper， household washing gun as an example， in order to better meet the needs of users， using reverse engineering technology to reconstruct the appearance of washing water， including processing process， point cloud acquisition point cloud， and the reverse modeling process and printing process are explored.

Key Words： Automobile water gun; Reverse engineering technology; Point cloud; Surface modeling

逆向工程，又稱反求工程或逆向建模與再設(shè)計，是將已有實物通過掃描的方式獲取點云轉(zhuǎn)化為數(shù)模，并在這個基礎(chǔ)上進(jìn)行工程分析和創(chuàng)新設(shè)計的一種現(xiàn)代高精度測量方法和先進(jìn)技術(shù)，能夠大大提高產(chǎn)品的制造技術(shù)及設(shè)計技術(shù)水平，縮短設(shè)計周期，有效獲取產(chǎn)品競爭力，是獲取先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)而創(chuàng)新和開發(fā)各種新產(chǎn)品的重要手段。了解及掌握逆向工程技術(shù)的應(yīng)用，對國家的先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展、生產(chǎn)制造水平的提高和適應(yīng)市場發(fā)展能力的提升，具有較高的意義。

汽車洗水槍是生活中一件非常實用的部件，其外觀曲面特征較多，加工制造較為困難，因此通過逆向工程的方法進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的采集和模型的重構(gòu)，并將最終重新構(gòu)造的模型通過快速成型的方式進(jìn)行制作，進(jìn)行比較研究。

1? 點云獲取階段

1.1 掃描前期準(zhǔn)備（粘貼標(biāo)志點）

因要求為掃描整體點云，所以需要粘貼標(biāo)志點，以進(jìn)行拼接掃描。

標(biāo)志點粘貼注意事項：標(biāo)志點粘貼在實物表面的平坦區(qū)，且距離工件邊界較遠(yuǎn)一些[1];標(biāo)志點避免在一條直線上粘貼，且不要對稱粘貼;每次拼接兩個區(qū)域標(biāo)志點至少為3個，但因掃描角度等原因，一般建議5～7個為宜;標(biāo)志點應(yīng)使掃描鏡頭在多個角度可以同時看到;如圖1所示，標(biāo)志點的粘貼較為合理，當(dāng)然還有其他粘貼方式。

1.2 掃描過程

如圖2獲取汽車洗水槍點云數(shù)據(jù)是逆向工程的首個步驟[2]，本例通過非接觸式掃描儀來獲取點云數(shù)據(jù)，其優(yōu)點是相比一般接觸式測量（三坐標(biāo)測量）效率高，適應(yīng)性強(qiáng)。點云的掃描質(zhì)量直接決定著產(chǎn)品的建模質(zhì)量。所有參數(shù)調(diào)整好即可點擊“掃描操作”，逐步獲取局部點云至完全拼合成完整的點云數(shù)據(jù)。

2? 點云處理階段

2.1 點云階段

點云的處理是逆向建模前非常重要的一個步驟，非接觸式掃描往往會產(chǎn)生很多的雜點、破洞，變形的曲面等外觀缺陷。故需要利用Geomagic Wrap軟件對點云進(jìn)行處理，以獲得完整的光順的點云[3]。

（1）著色點。為了更加清晰、方便地觀察點云的形狀，將點云進(jìn)行著色[4]。

（2）非連接項。選擇斷開組件連接，指同一物體上具有一定數(shù)量的點形成點群，并且彼此間分離。

（3）減少噪音。因為逆向設(shè)備與掃描方法的緣故，掃描數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，其中有一些掃描點的誤差比較大，超出允許范圍的就是噪音點 。

（4）封裝。如圖3所示，對點云進(jìn)行三角面片化，對實物點云進(jìn)行表面采樣。通過設(shè)置點間距來進(jìn)行采樣。目標(biāo)三角形的數(shù)量可以進(jìn)行人為設(shè)定，目標(biāo)三角形數(shù)量設(shè)置的越大，封裝之后的多邊形網(wǎng)格則越緊密。

2.2 多邊形處理階段

多邊形階段主要操作命令如下。

（1）填充孔。修補(bǔ)因為點云缺失而造成漏洞，可根據(jù)曲率趨勢補(bǔ)好漏洞。

（2）去除特征。先選擇有特征的位置，應(yīng)用該命令可以去除特征，并將該區(qū)域與其他部位形成光滑的連續(xù)狀態(tài)[5]。該命令用于刪除模型中不規(guī)則的三角形區(qū)域，并且插入一個更有秩序且與周邊三角形連接更好的多邊形網(wǎng)格。但必須先用手動選擇方式去除特征的區(qū)域，然后執(zhí)行“多邊形”“去除特征”，如圖4所示。

3? 逆向建模階段

3.1 建模主要方法與流程

研究選擇的建模軟件為Geomagic Design X。

3.1.1 步驟一——坐標(biāo)系建立

（1）導(dǎo)入處理完成的shuiqiang.STL數(shù)據(jù)。

點擊菜單欄中的“插入”“導(dǎo)入”，選擇shuiqiang.STL文件，選擇僅導(dǎo)入按鈕。

（2）分析模型特征并手動修改領(lǐng)域。

點擊（領(lǐng)域組）按鈕，會彈出自動分割領(lǐng)域的對話框，將菜單欄內(nèi)的敏感度設(shè)置為5，點擊預(yù)覽按鈕，模型自動會將不同曲率的區(qū)域以不同的顏色劃分[6]。

（3）建立一個參照平面用于創(chuàng)建坐標(biāo)系。

點擊（參照平面）按鈕，方法選擇“提取”，更改地選擇模式為“矩形選擇模式”在洗車水槍噴頭的底端平面區(qū)域選擇領(lǐng)域創(chuàng)建參照平面。

（4）建立對稱平面用于創(chuàng)建坐標(biāo)系。

點擊（面片草圖）按鈕，選擇參照平面2，進(jìn)入面片草圖模式，點擊短粗箭頭鼠標(biāo)手動拉動前后位置，截取此處外輪廓圓。點擊（手動對齊）按鈕，選擇點云模型。

3.1.2 步驟二——模型主體手柄創(chuàng)建

點擊（面片擬合）按鈕，選擇手柄上段區(qū)域的領(lǐng)域，參數(shù)設(shè)置分辨率選擇“控制點數(shù)”，平滑拉至最大，勾選延長選擇，手動調(diào)整大小。

建模結(jié)果如圖5所示，整個建模流程主要根據(jù)局部面片的擬合，對整個汽車水槍進(jìn)行曲面的拆分。

3.2 建模的結(jié)果比對

如圖6所示，構(gòu)建完成的模型與原有的水槍STL模型進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)。模型的整體都呈現(xiàn)綠色，表明兩者的曲面貼合較好，精度較高[8]。根據(jù)精度設(shè)置，綠色部分的精度低于0.1mm，黃色部分的精度在0.1～0.3mm之間，紅色部分的精度大于0.3mm，屬于超差比較大的 部分。

4? 結(jié)語

Geomagic Design X軟件是一款非常強(qiáng)大的逆向工程軟件，可以利用曲面的擬合、修建、縫合等功能快速、有效地進(jìn)行產(chǎn)品的逆向再構(gòu)建。與一般的三維建模軟件如UG等在逆向建模上的比較，Design X速度更快、精度更高，建模方法簡單實用。Geomagic Design X是專業(yè)領(lǐng)域最全面的逆向工程軟件，結(jié)合基于歷史樹的CAD數(shù)模和三維掃描數(shù)據(jù)處理，可創(chuàng)建出可編輯、基于特征的CAD數(shù)模并與現(xiàn)有的CAD軟件兼容。本例通過該軟件進(jìn)行逆向建模，要求精度保證在0.2mm，根據(jù)結(jié)果，完全符合建模要求。

參考文獻(xiàn)

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