基于Geomagic的小家電產(chǎn)品的逆向設計

張春卿北京信息職業(yè)技術學院 北京 100015

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基于Geomagic的小家電產(chǎn)品的逆向設計

張春卿
北京信息職業(yè)技術學院 北京 100015

摘 要：本文基于逆向工程技術的基本流程及其在模具設計中的重要應用，利用Geomagic逆向反求軟件，以電話聽筒為例，對逆向設計的設計流程進行實例分析和總結。通過Geomagic軟件對電話聽筒進行了反求，完成了產(chǎn)品樣件的數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)處理和三維CAD模型的重建，并對產(chǎn)品進行了創(chuàng)新設計，為逆向設計在小家電產(chǎn)品中的應用提供了參考過程。

關鍵詞：逆向設計；數(shù)據(jù)采集；逆向建模；Geomagic Studio；Geomagic Design X

我國要加快從制造大國轉向制造強國，要依靠智能制造實現(xiàn)，而智能制造的首要環(huán)節(jié)就是智能設計。隨著3D打印技術的發(fā)展，逆向工程技術發(fā)展越來越趨于成熟。逆向工程技術可以通過掃描油泥模型或已有的物件實現(xiàn)跳轉設計過程，避免從一無所有開始設計，輔助和加速產(chǎn)品的設計與研發(fā)。逆向設計的一般流程如圖1所示，其中數(shù)據(jù)采集、點云處理和模型重構是逆向設計的關鍵技術。本文以一個日常生活中用到的小家電產(chǎn)品——電話聽筒為例，介紹基于Geomagic的產(chǎn)品逆向設計工作過程與特點。

1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是第一步，也是最基礎的，它的精準程度將影響后期的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集有接觸式和非接觸式兩種，接觸式可分為基于力—變形原理的觸發(fā)式和連續(xù)式，而非接觸式主要有三角形法、計算機視圖法、激光干涉法、結構光學法、超聲波法等。本案例中采用的是非接觸式掃描方法，使用的掃描設備是Win3DD-M，如圖2所示。電話聽筒在掃描之前，需要進行一些預處理，比如薄薄地噴上一層顯像劑，保證采集到的點云數(shù)據(jù)較好；在樣件表面粘貼上標注點，以利于掃描儀進行點識別和不同位置的掃描數(shù)據(jù)拼接，如圖3所示。

圖2　Win3DD-M掃描儀

圖3　產(chǎn)品樣件與預處理

在掃描儀完成標定之后，就可以對產(chǎn)品樣件進行拍照式掃描了。在掃描的過程中物體的擺放角度，標志點的位置等因素都會對掃描數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。掃描樣件的基本原則就是在數(shù)據(jù)完整的情況下盡可能地減少掃描步驟，以減少累計誤差。

2 點云處理

掃描得到的數(shù)據(jù)保存為點云文件，導入到Geomagic Studio軟件中做點云處理。Geomagic Studio軟件中的數(shù)據(jù)處理包括掃描數(shù)據(jù)的點階段處理、多邊形階段處理和形狀階段處理。電話聽筒的點云數(shù)據(jù)只做了一些點階段處理和比較簡單的多邊形階段處理，比如刪除產(chǎn)品以外的多余的點云數(shù)據(jù)，減少噪音點、統(tǒng)一采樣，然后進行封裝，去除釘狀物等，如圖4所示。但樣件上粘貼有標注點的地方不進行孔填充，以免在后期的模型重構環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤的不精準信息。

圖4　點云處理后的模型數(shù)據(jù)

3 模型重構

經(jīng)過點云處理后的模型數(shù)據(jù)可以導入到Geomagic Design X軟件中進行模型重構。Geomagic Design X軟件可以利用掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建完全參數(shù)化的CAD模型，并且對于一些自由曲面的構建能夠達到較為完美的效果。

3.1坐標系的對齊

掃描數(shù)據(jù)所在的坐標是由掃描儀產(chǎn)生的，將模型導入到Geomagic Design X中，首先將模型與設計坐標系進行對齊，方便后續(xù)的工作。這里的電話聽筒樣件是一個對稱件，因此通過找到對稱平面和某一平面，就可以將掃描數(shù)據(jù)進行坐標系的手動對齊操作，如圖5所示。

圖5　掃描數(shù)據(jù)手動對齊

對于對稱產(chǎn)品而言，找準對稱平面是很重要的，可以通過較為明顯的特征創(chuàng)建參照平面，還可以通過繪制2D草圖的方法進行驗證、微調(diào)。

3.2自由曲面的創(chuàng)建

根據(jù)曲率的變化，采用手動劃分的辦法將樣件表面劃分為不同的領域，再利用面片擬合的方法創(chuàng)建自由曲面，并通過精度分析(TM)隨時查看曲面與點云數(shù)據(jù)之間的誤差大小，如圖6所示。

圖6　領域劃分與面片擬合

在領域劃分時，可以采用手動筆刷式劃分，并注意避讓開數(shù)據(jù)不理想或沒有數(shù)據(jù)的地方，以保證生成曲面的質量。在面片擬合的時候，可以通過調(diào)整控制點數(shù)、控制網(wǎng)格的密度等來調(diào)整自由曲面的光滑程度。

3.3過渡部分的處理

在曲面與曲面之間的過渡區(qū)域先進行裁剪，再進行放樣，如圖7所示。面的裁剪可以通過繪制3D草圖的樣條曲線進行裁剪，在進行面的放樣時，將起始約束和終止約束設定為與面相切，曲面與曲面之間的過渡部分將會比較光順。個別曲面過渡部分或是三個曲面的交叉部分，可以利用面填補命令進行操作，效果會更理想。

圖7　曲面過渡部分處理

3.4整體的鏡像

對于電話聽筒這類的對稱零件，可以前期只做一半的曲面，最后通過對稱平面進行鏡像，如圖8所示，整體的曲面建模就完成了。將所有的曲面進行縫合處理之后，封閉的曲面就會自動生成實體，如圖9所示。

圖7　曲面鏡像與縫合

3.5其余部分處理

最后將電話聽筒的其他一些特征進行創(chuàng)建，比如圓角、凹陷等等，最終反求的CAD實體模型如圖8所示。也可以在重構的模型數(shù)據(jù)上進行產(chǎn)品的改良創(chuàng)新，比如添加按鍵與天線，將聽筒變?yōu)橐惑w機等等，如圖9所示。

圖8　添加樣件特征

圖9　產(chǎn)品創(chuàng)新設計

4 結束語

通過逆向設計可以快速得到電話聽筒的三維數(shù)字化數(shù)據(jù)，并在此基礎上展開快速創(chuàng)新設計，成本低，設計周期短，為逆向設計在其他同類型的小家電產(chǎn)品開發(fā)制造的應用中提供一定的參考價值。

參考文獻

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The Reverse Design of Household Electrical Appliances Based on Geomagic

Zhang Chunqing
Beijing Information Technology College, Beijing, 100015, China

Abstract:Taking telephone handset as an example, based on the basic processes of reverse engineering and the important application of reverse engineering technology in mould design, this paper introduces the modeling reconstruction of the product. The reverse design of telephone handset is made use of the Geomagic software. The reverse design has also completed data acquisition, point cloud data processing, model reconstruction and innovative design. It also provides a reference for the reverse engineering methods in the household electrical appliances design.

Key words:reverse design; data acquisition; model reconstruction; Geomagic Studio; Geomagic Design X

作者簡介：張春卿，碩士，副教授。

收稿日期：2015-07-07