基于Geomagic Design X的工業(yè)產(chǎn)品逆向建模技術(shù)研究

汪 勇，王沙晶

（1.天水長城開關(guān)廠集團(tuán)有限公司，甘肅 天水 741018;2.寶雞市汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心，陜西 寶雞 721000）

傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)常常采用正向設(shè)計(jì)，從最初的概念設(shè)計(jì)到CAD/CAM技術(shù)，最后通過數(shù)控編程加工或其他各種加工技術(shù)制造出新產(chǎn)品，是一個(gè)從無到有的過程。當(dāng)今市場環(huán)境變化，工業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代加速，要求個(gè)性化小批量生產(chǎn)，對于外型特征相對復(fù)雜的產(chǎn)品，正向設(shè)計(jì)不再滿足工程需求，涌現(xiàn)出了逆向工程、快速成形和快速模具等產(chǎn)品快速開發(fā)技術(shù)。其中，逆向工程［1-2］（Reverse Engineering，RE）的思想是逆向設(shè)計(jì)，是將產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ?，通過數(shù)據(jù)采集，變換為三維CAD模型相關(guān)的數(shù)字化測量技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)［3-5］和產(chǎn)品制造技術(shù)的一種反求工程。簡單來講，逆向工程就是根據(jù)已有產(chǎn)品模型，反向推算獲取其設(shè)計(jì)參數(shù)，再對已有產(chǎn)品做合理的改良優(yōu)化，是一個(gè)“從實(shí)物到CAD模型，再到實(shí)物”的過程，能較好地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期［6］，廣泛應(yīng)用于家電、汽車、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、建筑、考古藝術(shù)和3D打印等領(lǐng)域。

逆向建模的最終目的是幾何模型的準(zhǔn)確重構(gòu)，主要思路如圖1所示，包括三維模型數(shù)據(jù)的采集，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和特征曲面的重構(gòu)。

圖1 幾何模型逆向建模思路

本論述以包含基礎(chǔ)特征的規(guī)則模型為例，連接3D掃描儀，使用相關(guān)的三維測量技術(shù)獲取曲面模型表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；再導(dǎo)入到Geomagic Wrap軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，包含點(diǎn)云封裝和多邊形處理，得到STL格式的三角面片模型；最后，Geomagic Design X軟件導(dǎo)入STL數(shù)據(jù)模型進(jìn)行三維模型重構(gòu)并做精確度分析。

1 三維數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集階段極其重要，所采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接決定逆向建模的精度。

首先，噴粉處理，在模型表面盡可能薄且均勻地噴涂一層顯像劑，去除模型表面反光對數(shù)據(jù)采集的影響，盡可能獲得較理想的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

其次，標(biāo)定處理，對待掃描的三維模型粘貼標(biāo)志點(diǎn)。標(biāo)定時(shí)需注意：標(biāo)志點(diǎn)盡量粘貼在曲率較小的平緩區(qū)域，且遠(yuǎn)離工件邊界；多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)不共線，且非對稱粘貼；公共標(biāo)志點(diǎn)至少3個(gè)，通常因掃描角度等原因，以5～7個(gè)為宜；標(biāo)志點(diǎn)根據(jù)工件的長寬高合理分布粘貼。

然后，通過掃描儀采集實(shí)物數(shù)據(jù)，掃描模式有拼合掃描和非拼合掃描2種。拼合掃描適用于較大物體，因?yàn)椴荒芤淮涡話呙杵淙繑?shù)據(jù)，可通過粘貼標(biāo)志點(diǎn)，各個(gè)部位分別掃描后拼合成一個(gè)整體；非拼合掃描一般適用于只要掃描一個(gè)面就能得到所需數(shù)據(jù)的物體。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

使用Geomagic Wrap軟件點(diǎn)云模塊中的相關(guān)功能，處理特征模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，關(guān)鍵技術(shù)包括雜點(diǎn)的刪除、數(shù)據(jù)拼合、數(shù)據(jù)簡化、數(shù)據(jù)填充和數(shù)據(jù)平滑等［7］，可為曲面重構(gòu)［8］提供三角面片模型或者特征點(diǎn)線面，包括2個(gè)階段：

第一階段：點(diǎn)云階段，消除掃描過程中產(chǎn)生的雜點(diǎn)、非連接項(xiàng)、體外孤點(diǎn)和噪音點(diǎn)等，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝成三角面片。

第二階段：多邊形階段，在保留模型原始特征的前提下，將封裝后的三角面片數(shù)據(jù)通過刪除釘狀物、填充孔、降噪、除雜等處理光順、完整，并保存成STL格式的文件。點(diǎn)云處理后的STL文件如圖2所示。

圖2 STL模型

3 三維模型重構(gòu)

三維模型重構(gòu)是根據(jù)實(shí)物樣件的結(jié)構(gòu)特征，用Geomagic Design X軟件的建模功能，對點(diǎn)云處理后的三角面片（即STL文件）進(jìn)行曲面擬合，從而實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體建模的過程，一般有2種方法：對于表面復(fù)雜但精度要求低的產(chǎn)品，常采用三角面片直接建模；對于表面復(fù)雜且精度要求高的產(chǎn)品，常采用擬合曲面或參數(shù)曲面的方式建模。

模型重構(gòu)需要完成領(lǐng)域分割、坐標(biāo)對齊和特征重構(gòu)三個(gè)步驟。

3.1 領(lǐng)域的分割

領(lǐng)域可以理解成不同顏色的曲面色塊，反映模型的特征，用于提取STL模型的形狀和尺寸信息，是擬合曲面片的重要依據(jù)。

領(lǐng)域的分割有自動(dòng)分割和手動(dòng)分割兩種。自動(dòng)分割是根據(jù)曲面的曲率變化，Geomagic Design X軟件啟動(dòng)分割算法將面片自動(dòng)劃分成不同的曲面域，以不同的顏色顯示不同的區(qū)域，快速便捷。手動(dòng)分割是人為地將曲面歸類為不同的曲面域，可完成領(lǐng)域的分割、合并和插入。自動(dòng)分割簡單便捷，手動(dòng)分割自主性強(qiáng)，常常要根據(jù)點(diǎn)云模型的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)選擇領(lǐng)域分割方式。本文的數(shù)據(jù)模型大面積多比較規(guī)整，采用自動(dòng)分割方式得到曲面的領(lǐng)域分布如圖3所示，主要包含平面域、凹面域和凸面域。

圖3 領(lǐng)域的分割

3.2 坐標(biāo)對齊處理

由于掃描數(shù)據(jù)的坐標(biāo)具有隨機(jī)性，數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向建模軟件后坐標(biāo)系也是隨機(jī)的。直接建模會(huì)產(chǎn)生因坐標(biāo)系不同而帶來的誤差，所以需要把模型的數(shù)據(jù)對齊到軟件的同一坐標(biāo)系中。Geomagic Design X軟件的坐標(biāo)系對齊方式有兩種：3-2-1對齊方式，又稱為面-線-點(diǎn)對齊；X-Y-Z對齊方式，指定空間坐標(biāo)軸的方向即可完成對齊處理。論述中選擇3-2-1對齊方式，結(jié)果如圖4所示，數(shù)據(jù)模型平行于其中的一個(gè)基準(zhǔn)平面，垂直于另外兩個(gè)相互垂直的基準(zhǔn)平面。

圖4 坐標(biāo)對齊

3.3 特征的重構(gòu)

Geomagic Design X是一款典型的三維模型逆向重構(gòu)軟件，該軟件功能豐富。工作界面提供了初始、模型、草圖、3D草圖、對齊、曲面創(chuàng)建、實(shí)時(shí)采集、點(diǎn)、多邊形、領(lǐng)域、精確曲面等功能，能根據(jù)曲率和特征將面片歸類為不同的幾何區(qū)域，完成各類特征的建模，自動(dòng)檢測并提取面片上的特征曲線，檢測并修復(fù)曲面片網(wǎng)格中的問題幾何形狀，移動(dòng)并重新定位面板，通過實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換和其他三維造型軟件共享3D模型文件。

本論述重構(gòu)的模型如圖4所示，是一個(gè)規(guī)則體，包含長方體、圓柱、方臺(tái)、凹槽、圓通孔、方通孔、圓錐孔、半圓球、圓角等特征。建模思路：首先草圖拉伸創(chuàng)建長方體塊，即主體部分；其次創(chuàng)建堆積在主體上的圓柱和方臺(tái)；然后通過拉伸切割已創(chuàng)建主體上的凹槽和通孔特征；再基于領(lǐng)域面，用基礎(chǔ)實(shí)體命令創(chuàng)建圓錐和圓球，通過布爾運(yùn)算切割出圓錐孔同時(shí)合并圓球；最后用圓角命令創(chuàng)建各棱邊對應(yīng)的圓角特征。完成特征重構(gòu)的實(shí)體模型如圖5所示。

圖5 重構(gòu)的曲面模型

3.3.1 構(gòu)建主體

啟動(dòng)草圖工具條里的面片草圖命令，設(shè)置模型的下表面領(lǐng)域?yàn)榛鶞?zhǔn)平面，拖動(dòng)繪圖區(qū)域中模型面域的箭頭截切出主體輪廓，選擇草圖工具繪制輪廓線條，需要使用編輯工具中的調(diào)整和剪切命令完成草圖的創(chuàng)建，這里的草圖線必須是一個(gè)封閉的環(huán)線，否則沒法拉伸出實(shí)體；啟動(dòng)模型工具條里的拉伸命令，創(chuàng)建出拉伸體。

3.3.2 構(gòu)建其他特征

（1）創(chuàng)建主體上疊加的圓柱、方臺(tái)，方法同主體的構(gòu)建。

（2）創(chuàng)建凹槽、通孔特征，方法同主體的創(chuàng)建。不同的是草圖線繪制中需要注意線線相切的設(shè)置，拉伸的實(shí)體用切割得到運(yùn)算結(jié)果，從而去除該位置的材料。

（3）創(chuàng)建圓錐、圓球特征，通過提取領(lǐng)域中的圓錐和圓球特征，用基礎(chǔ)實(shí)體命令創(chuàng)建圓錐實(shí)體和圓球?qū)嶓w。由于布爾運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)實(shí)體與實(shí)體之間的加減運(yùn)算，所以選擇布爾運(yùn)算命令在已有實(shí)體上切割掉圓錐實(shí)體生成圓錐孔，進(jìn)一步合并圓球?qū)嶓w，完成整個(gè)實(shí)體的重構(gòu)。

（4）倒圓角，接上一步的構(gòu)造結(jié)果，對重構(gòu)實(shí)體模型的棱邊做圓角修飾，圓角的半徑大小可由面片自動(dòng)估算。

3.4 誤差分析

Geomagic Design X軟件具有實(shí)體模型的誤差分析功能，調(diào)用Accuracy Analyzer（TM），根據(jù)實(shí)體模型顯示的顏色分布判別建模的精度。如圖6所示，重構(gòu)實(shí)體模型的顏色分布于偏差零界值對應(yīng)顯示顏色的附近，基本滿足建模的精度要求。

圖6 精度分析

4 結(jié)論

逆向設(shè)計(jì)是逆向工程的靈魂，通常需要從實(shí)物樣件獲取產(chǎn)品的模型數(shù)據(jù)，反求出三維實(shí)體模型。本論述以典型的基礎(chǔ)特征模型為例，應(yīng)用Geomagic Wrap軟件處理3D掃描儀獲取的實(shí)物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過降噪、去雜點(diǎn)、填補(bǔ)和光順處理等方法優(yōu)化模型的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云文件的三角面片化。Geomagic Design X是全球四大逆向工程軟件之一，其逆向建模功能強(qiáng)大，可導(dǎo)入三角面片模型擬合生成曲面，實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型的三維重構(gòu)，誤差分析表明Geomagic Design X可精確實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品的逆向建模，為快速成型的實(shí)現(xiàn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。