基于Geomagic Design Direct的正逆向混合建模創新設計*

王　喬，成思源，楊雪榮，張湘偉，呂　瑟

(廣東工業大學 機電工程學院，廣州　510006)

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基于Geomagic Design Direct的正逆向混合建模創新設計*

王喬，成思源，楊雪榮，張湘偉，呂瑟

(廣東工業大學 機電工程學院，廣州510006)

摘要：混合建模設計是正向設計與逆向設計的結合，提出了一種基于Geomagic Design Direct軟件的正逆向混合建模的方法。通過數據采集、點云預處理、曲面重構，然后編輯曲面、實體特征造型以及參數化修改獲得最終CAD模型。以游戲手柄模型為例，應用Geomagic Design Direct軟件的強大功能對零件點云數據進行混合建模創新設計，實現了游戲手柄的快速還原以及對產品進行第二次創新。實驗結果表明，通過Geomagic Design Direct軟件實現混合建模技術，能高效的對原始模型進行創新設計。

關鍵詞：逆向工程；混合建模；創新設計

0引言

隨著數字化時代的到來，使我們的機械設計制造領域進入了一個不同以往的發展階段，人們對產品的需求也進入到了個性化的階段，產品生命周期大幅減少，更新換代更加頻繁。這就要求我們必須從設計研發到推出產品的期間提高效率。傳統的設計制造方法以正向設計為主，但并不能滿足當代的需求，將正向設計和逆向設計有機的結合起來已成為設計研發領域的必然趨勢[1]。

逆向設計和正向設計方法各有所長，逆向設計優勢在于測量數據點的強大處理功能和復雜自由曲面的設計，一般逆向軟件都提供了對自由曲面的重構、編輯修改等功能，正向設計優勢在于特征造型和實體造型，對零件特征的編輯修改比較方便。復雜產品外殼常常既帶有復雜曲面，又包含一些簡單特征，要通過單一的逆向設計或正向設計方法都難以實現。為此，需要把逆向設計和正向設計的優勢結合起來，即采用正逆向混合建模技術，對現有產品進行第二次創新[2]。

1正逆向建模

1.1逆向工程與正向工程

逆向設計也稱作逆向工程，通常是根據正向設計概念所產生的產品原始模型或者已有產品來進行改良，基本方法是將一個實體物體進行數據的掃描然后進行三維重構并進行再設計，反向推出產品的設計數據[3]。逆向工程運用于設計與制造領域是必然的發展趨勢[4]。而基于點云的曲面重構技術的研究與發展是逆向工程實現的基石，是至關重要的環節。逆向建模流程如圖1所示。

圖1　逆向工程流程

正向開發流程一般是設計師根據項目策劃進行概念設計和效果圖制作，進行產品總體草圖布置，從而制作產品模型。從產品的概念設計到生成數字化模型，再到設計評估，其中設計如果通過評估即可制造和檢測，如沒通過，在概念設計或者所設計的數字化模型基礎上進行改進，再進行設計評估，直到滿足工程要求。這是一個從未知到已知，從抽象到具體的過程。正向建模流程如圖2所示。

圖2　正向工程流程

1.2正逆向混合建模

混合設計即正向設計和逆向設計地結合，從測量數據中提取出可以重新進行參數化設計的特征及設計意圖，進行再設計，完成 CAD 模型[5]。目前，混合建模大致分為三種：①基于特征與自由形狀的反求建模方法的混合。②基于截面線與基于面的曲面重建方法的混合③幾何形狀創建過程中曲線曲面的特征形式表達與NURBS形式表達的混合[6]。

混合建模結合了正向建模與逆向建模的優勢，將產品經過三維掃描，獲得點云數據，對工件進行對齊、封裝、修復、填充等處理建立網格面模型，然后經過特征提取，草圖設計，定位對齊等來正向設計，以此獲得CAD模型。對模型分析后看是否滿意，如滿意就可加工模型，獲得新的模型。反之，再次進行正向設計。具體的流程圖如圖3。

圖3　混合建模設計流程

本文基于現有產品的混合建模是從正逆向混合建模設計的角度分析零件的模型，根據零件外形的幾何特征對零件的點云數據進行分區，將幾何特征明顯部分的設計參數提取出來用于再設計,自由曲面部分提取出關鍵曲線進行蒙皮等，充分發揮正向設計和逆向設計各自的優勢特點重構CAD模型，使其盡可能符合產品原來的設計意圖和造型方法，并可實現參數化設計。其核心思想是將正向設計中的特征提取、約束技術引入到逆向CAD建模，通過正向混合建模設計的角度對零件進行建模與分析。

混合建模技術能夠將產品的特征曲線曲面很好地表達以及重建，更加有效地反求出產品原始的設計意圖；能夠很好地處理特征曲面與自由曲面的重建問題；并且構建出來的CAD模型能夠進行參數化修改，這將有利于產品的創新設計；對于那些由于磨損、斷裂、腐蝕而損壞的零件，可以利用混合建模技術很好的對零件進行修復，還原出原始的CAD模型。

2Geomagic Design Direct的混合建模

2.1Geomagic Design Direct簡介

Geomagic Design Direct 是由美國Geomagic公司開發的一款功能強大的計算機正逆向混合設計軟件。Geomagic Design Direct從網格對象直接建模和抽取幾何形狀成CAD面和實體，是業界唯一一款結合了實時三維掃描、三維點云和三角網格編輯功能以及全面CAD造型設計、裝配建模、二維出圖等功能的三維設計軟件[7]。

Geomagic Design Direct逆向設計的原理是用許多細小空間三角網格來逼近還原CAD實體模型。其曲面、實體重建流程最重要的階段是捕獲階段和設計階段，捕獲階段共享了Geomagic Studio中的點處理和多邊形處理功能方法，而設計階段則在多邊形網格上進一步抽取成曲線、曲面或實體，最終建成CAD模型[8]。

2.2Geomagic Design Direct混合建模流程

本章提出基于實體特征識別及提取的正逆向建模方法，其基本思想是：首先對測量數據進行對齊、精簡、光順等預處理，以獲取表面質量光順的三角網格面模型；再從三角網格面模型中識別并提取實體特征，或提取實體特征(如旋轉體)的二維截面線(旋轉軸和母線)后應用正向建模的方法重構；然后對所有的實體特征進行布爾運算和參數化修改，以得到最終的實體模型并進行分析改進。該方法混合建模流程如圖4所示。

圖4　Geomagic Design Direct混合建模

3實例應用

以某品牌游戲手柄(圖5所示)為例使用混合建模技術進行第二次創新。針對某一游戲手柄可能面臨市場的淘汰風險，需要對其逆向設計與二次創新，有3個創新要求：①在原有的游戲手柄上增加視屏顯示裝置；②在原有的游戲手柄上設計輔助快捷按鍵；③為進一步適應手部舒適度，需要在手柄自由曲面上進一步改進。

圖5　游戲手柄

在采集游戲手柄的數據時，由于單純使用光學掃描儀數據來建立規格特征部分模型時，誤差比較大，所以對規則部分(圓柱孔，槽等)使用CMM測量，進一步提高模型質量。即將游戲手柄使用光學掃描和三坐標測量兩部進行數據采集，然后將光學掃描點云數據和三坐標測量特征參數兩組數據分別建模，在相同的坐標系下進行數據對齊，布爾減運算等獲得最終CAD模型,最后在模型的基礎上進行再創新設計。

圖6　手柄正逆向混合設計流程

3.1逆向設計

數據采集是逆向設計的重要部分。本文所使用測量設備是Hexagon公司的Romer Infinite 2.0系列關節臂和Perceptron公司的ScanWorks V4i激光掃描頭，測量精度為0.024mm。掃描點云數據如圖7所示。

圖7　掃描點云

關節臂掃描儀采集的數據，經過多次多方位采集后，數據可能雜亂無序，甚至密度較大，分布不均勻，當數據密度很高時，采集到的數據中存在很多的冗余數據，嚴重影響效率。同時，由于環境和人為等因素的影響，數據中也存在一些噪音點。因此需要數據簡化、降噪等處理[9]。處理后獲得其網格面格式，如圖8所示。

圖8　網格面

游戲手柄網格面在Geomagic Design Direct中模型重構是整個設計的關鍵一步。在重構的過程中，將手柄分為兩部分：自由曲面和規則特征。如圖8所示游戲手柄左右手握部分是自由曲面部分，其他為規則特征。規則特征部分通過草繪、拉伸、布爾裁剪等操作可迅速建模。自由曲面部分通過“擬合自由”功能擬合出該區域形狀分布的自由曲面，再經過曲面裁剪，拉伸曲面等操作得到自由曲面部分的實體。

3.2正向設計

游戲手柄的規則特征使用CMM測量結果見表1。

表1　CMM測量結果

其中，游戲手柄的槽是由一個方槽和兩個半圓組合而成，方槽為長寬為6.7013×3.6098，圓直徑為3.6002mm。

通坐標對齊[10]，布爾裁剪等操作獲得原始模型。如下圖9所示。

圖9　最終游戲手柄原始模型

完成數據采集，數據處理，逆向建模等步驟后，緊接著根據設計需求在以上模型的基礎上進行創新設計。分別在游戲手柄的正上方設計一個30×10mm的方槽放置顯示屏幕。利用草圖模式，在手柄右邊曲面上正向設計1個方槽，大小為5×10mm。對于左右手柄的自由曲面，在其上正向設計直徑為3mm的半球，來防止手握游戲手柄時滑動和對手部不適。設計最終產品見圖10。

圖10　混合建模設計產品

4結論

針對逆向工程建模中存在的問題，從新產品開發和創新角度出發，提出了將正向設計和逆向設計相結合的逆向工程CAD混合建模的方法。通過基于

Geomagic Design Direct軟件的混合建模的方法對具有復雜曲面的零件進行模型重構,并在此基礎上通過零件點云數據，模型重構與再創新。實驗結果表明，通過正逆向混合建模的方法，能有效的提高二次創新效率和提高反求參數化的修改能力。

[參考文獻]

[1] 成思源，洪樹彬，楊雪榮. 逆向工程技術綜合實踐[M]. 北京:電子工業出版社，2010.

[2] 任國棟，孫文磊，謝元媛.風力發電機葉片正逆向混合重建的應用[J]. 機床與液壓，2009，37(11)：182-184.

[3] 王群,李愛平,黃治鐘.基于新產品開發中STL文件格式的二次設計[J].組合機床與自動化加工技術,2005(9):16-20.

[4] Haibin Zhao , Jean-Pierre Kruth, Nick Van Gestel, et al.Automated dimensional inspection planning using the combination of laser scanner and tactile probe[J]. Measurement, 2012(45)：1057-1066.

[5] 卞顯虎.逆正向混合工程在重卡車身開發中的應用與研究[D].合肥:合肥工業大學,2012.

[6] 徐進.反求工程CAD混合建模中若干問題的研究[D]. 杭州:浙江大學,2009.

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[8] 林希玲,饒錫新,曹俊華.基于Geomagic的曲面重構方法研究[J].組合機床與自動化加工技術,2013(7)：28-30.

[9] 劉鵬鑫.基于光學掃描和CMM測量數據的模型重建關鍵技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2010.

[10] 王喬,楊雪榮,成思源,等.基于CMM和光學掃描的集成測量與混合建模[J].制造業自動化,2015,37(4)：84-87.

(編輯趙蓉)

The Innovative Design of Forward and Reverse Hybrid Modeling Based on Geomagic Design Direct

WANG Qiao, CHENG Si-yuan, YANG Xue-rong, ZHANG Xiang-wei , LV Se

( School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006,China )

Abstract：Hybrid modeling design is the combination of forward and reverse design, and this paper puts forward a new hybrid modeling method based on Geomagic Design Direct software. Through data collection, point cloud pretreatment, surface reconstruction, and then edit the surface, solid feature modeling and parametric modification to obtain the final CAD model..Taking gamepad model as an example, the powerful capability of Geomagic Design Direct is applied to complete the hybrid modeling and innovative design of parts’ point cloud data, which could realize the rapid reconstruction of gamepad, as well as the secondary innovation for products. The results show that the realization of hybrid modeling technology by Geomagic Design Direct software can contribute to innovative design of the original model efficiently.

Key words：reverse engineering; hybrid modeling; innovative design

文章編號：1001-2265(2016)05-0059-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.016

收稿日期：2015-06-29；修回日期：2015-07-26

*基金項目：廣東省科技計劃項目資助(2014A040401078，2013B061000006，2011A060901001)

作者簡介：王喬(1989—)，男，湖北黃岡人，廣東工業大學碩士研究生,研究方向為逆向工程及混合建模，(E-mail)915292378@qq.com。

中圖分類號：TH166;TG659

文獻標識碼：A