基于Geomagic Wrap的自由曲面零件逆向設(shè)計(jì)

朱興文 劉勇 張?zhí)煸?/p>

摘 要：以自由曲面工藝品逆向設(shè)計(jì)為例，介紹了基于Geomagic Wrap實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、逆向建模的過程。結(jié)果表明，對于復(fù)雜自由曲面類零件，通過分割特征、構(gòu)造有序的柵格、重構(gòu)曲面片的逆向建模方法，有利于提高曲面的光順度與精度。

關(guān)鍵詞：自由曲面;Geomagic Wrap;逆向設(shè)計(jì);精度

0? ? 引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是再生產(chǎn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)物，是通過測量手段及三維幾何建模方法，將原有實(shí)物轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字模型，并對模型進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、分析和加工的過程[1]。逆向工程技術(shù)現(xiàn)已成為產(chǎn)品開發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一種重要手段，被廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、醫(yī)療、汽車和文化創(chuàng)意等行業(yè)和領(lǐng)域。利用三維掃描技術(shù)與逆向工程軟件，對原始模型進(jìn)行掃描，可將實(shí)物數(shù)字化，同時也可在原有模型的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新。本文選擇典型自由曲面工藝品零件為研究載體，按照“三維掃描→點(diǎn)云處理→模型重構(gòu)”的典型流程，重點(diǎn)研究復(fù)雜曲面的點(diǎn)云處理及曲面片構(gòu)建方法。

1? ? 數(shù)據(jù)掃描

數(shù)據(jù)掃描是指通過特定的測量方法和設(shè)備，將實(shí)物模型外形特征轉(zhuǎn)化成幾何空間點(diǎn)，從而得到逆向設(shè)計(jì)及尺寸評價所需數(shù)據(jù)的過程[2]。目前三維數(shù)據(jù)的獲取主要還是通過三維測量技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。通過對所測模型進(jìn)行清洗、噴涂顯像劑、粘貼標(biāo)志點(diǎn)等處理，利用Win3D三維激光掃描儀對模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，獲得模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖1所示。

2? ? 數(shù)據(jù)處理

采用三維激光掃描儀對模型進(jìn)行掃描所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會存在一些孔洞缺陷，且數(shù)據(jù)網(wǎng)格表面也不光順。數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)包括雜點(diǎn)刪除、多視角數(shù)據(jù)拼合、數(shù)據(jù)簡化、空洞填充、特征刪除、平滑等。

2.1? ? 點(diǎn)云處理

本文研究對象曲面構(gòu)造復(fù)雜，在一些細(xì)節(jié)位置，如邊界、曲率變化較大的曲面不容易被掃描測量或數(shù)據(jù)容易丟失，這時需要對模型進(jìn)行多方位掃描，得到不同坐標(biāo)下的多視角點(diǎn)云，于是便需要把不同坐標(biāo)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對齊到同一坐標(biāo)下，從而實(shí)現(xiàn)多視角點(diǎn)云數(shù)據(jù)的合并。在測量過程中因光線、輔助支撐等，在掃描時會形成雜點(diǎn)，需要通過點(diǎn)云處理軟件對其進(jìn)行刪除。本文基于Geomagic Wrap點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，將掃描的多視角點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，對單視角點(diǎn)云進(jìn)行“雜點(diǎn)刪除”，然后進(jìn)行“手動對齊”“刪除體外弧點(diǎn)” “減少噪聲” “封裝”等處理，生成三角面片。Geomagic Wrap點(diǎn)云處理過程如圖2所示。

2.2? ? 面片處理

對于復(fù)雜模型，常測量的數(shù)據(jù)密度會很高，會形成大量的冗余數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響后續(xù)算法效率，因此也需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化處理[3]。在掃描過程中，會因模型本身的幾何拓?fù)涞仍?，所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在缺損等現(xiàn)象，因而需對數(shù)據(jù)進(jìn)行填充補(bǔ)缺處理[4]。在掃描過程中常因輕微振動、模型粗糙等原因，掃描的數(shù)據(jù)中包含一些噪聲點(diǎn)，這些噪聲點(diǎn)將影響曲面重構(gòu)的質(zhì)量，通過數(shù)據(jù)平滑處理，可改善曲面重構(gòu)的質(zhì)量[5]。利用Geomagic Wrap點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件的“網(wǎng)格醫(yī)生” “減少噪聲” “填充孔” “去除特征”等功能指令，對封裝后的面片進(jìn)行優(yōu)化處理，得到修復(fù)后模型，如圖3所示。

3? ? 逆向建模

利用Geomagic Wrap的逆向曲面功能，對模型進(jìn)行逆向重構(gòu)。首先通過軟件的“繪制曲線”功能，在封裝的點(diǎn)或多邊形對象上徒手繪制與操縱曲線，對模型關(guān)鍵特征曲率變化進(jìn)行區(qū)域分割。以“構(gòu)造曲面片”功能對分割的區(qū)域通過邊界線生成面片邊界結(jié)構(gòu)，通過“移動面板”命令組織面板中的面片并用面片填充空白面板，“構(gòu)造柵格”命令在對象上的每個面片中創(chuàng)建有序的柵格，并修復(fù)相交區(qū)域，如圖4所示。最后，通過“擬合曲面”命令在對象上生成NURBS曲面。按此操作完成各分割區(qū)域的逆向建模，合并生成CAD模型，如圖5所示。

4? ? 結(jié)語

本文圍繞如何快速高精度完成自由曲面零件的逆向設(shè)計(jì)任務(wù)，研究基于Geomagic Wrap逆向設(shè)計(jì)軟件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云處理及逆向建模方法。對于形狀復(fù)雜且具有較多自由曲面的零件，通過特征分割，再對其利用構(gòu)造曲面片、移動面板、構(gòu)造柵格等方法重構(gòu)曲面片，有效解決了自由曲面在直接擬合過程中出現(xiàn)的精度不高、曲面扭曲等問題，對從事逆向工程的技術(shù)人員具有一定的借鑒意義。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 趙明炯，許鵬宇，江萍.基于Geomagic studio和DesignX的端蓋逆向設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（8）：28-29.

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收稿日期：2021-05-25

作者簡介：朱興文（1971—），男，四川宜賓人，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。