基于Geomagic的復雜曲面產品逆向設計關鍵技術研究

張文灼 高亮 劉杰 胡孟謙 張曉娜

摘? 要：當前，各行業產品部件表面的復雜度日益提升，設計難度越發提高，僅憑傳統正向設計難以滿足要求。逆向設計作為一種全新的設計手段，可以快速地解決復雜曲面設計問題，文章基于Geomagic系列工具，論述了復雜曲面產品的逆向設計的幾個關鍵技術，可為典型復雜曲面產品部件的數據采集、點云數據處理、逆向重構模型和型面精度檢測提供一種技術思路。

關鍵詞：Geomagic;復雜曲面;逆向設計;關鍵技術

中圖分類號：TP391.7? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）16-0152-03

Research on Key Technology of Reverse Design of Complex Surface Products

Based on Geomagic

ZHANG Wenzhuo1，GAO Liang2，LIU Jie1，HU Mengqian1，ZHANG Xiaona1

（1.Hebei College of Industry and Technology，Shijiazhuang? 050091，China;

2.Hebei Vocational College of Rail Transportation，Shijiazhuang? 050051，China）

Abstract：At present，the surface complexity of product parts in various industries is increasing，and the design difficulty is increasing. It is difficult to meet the requirements only by the traditional forward design. As a new design method，reverse design can quickly solve the problem of complex surface design. Based on Geomagic series tools，this paper discusses several key technologies of reverse design of complex surface products，which can provide a technical idea for data acquisition，point cloud data processing，reverse reconstruction model and surface accuracy detection of typical complex surface products..

Keywords：Geomagic;complex surface;reverse design;key technology

0? 引? 言

隨著時代發展，各行業產品部件表面的復雜程度日益提升，尤其在工業、民用、醫學、藝術乃至考古與文物保護等領域，如汽車部件的復雜曲面設計、古文物復雜表面翻新復制、醫學領域的人體器官與骨骼等組織的復制等，尤其是越來越多的私人定制需求逐漸顯現，產品所呈現出的特點是曲面、復雜且造型不規則等。面對著日趨復雜的設計需求，廣泛使用的CAD正向設計軟件已經無法很好地滿足設計方面的高標準、嚴要求。逆向設計是對實物進行數據采集工作，然后對所采集的數據進行分析、處理并建立三維模型，從而構建一個與原形狀一致的三維模型，并在該基礎上進行復制、改良及創新設計。在設計有些全新產品時，可以利用特制的泡沫、黏土、纖維玻璃以及木頭等材料，

在最初的輪廓上進行反復的貼補和去除，從而制作出手工模型，然后逆向設計，快速完成CAD模型;在已有的復雜曲面實物部件基礎上進行外觀與結構上的改良創新，也可以通過逆向設計快速完成。具體應用如表1所示。

河北工業職業技術學院和河北軌道運輸職業技術學院共同開展了對逆向設計與精度檢測方面課題的研究，本文主要從基于Geomagic的復雜曲面產品逆向設計的幾個關鍵技術展開了論述。

1? 基于Geomagic的復雜曲面產品逆向設計關鍵技術

逆向工程設計的關鍵技術一般體現在四個方面：實物點云數據的采集，點云數據處理，逆向模型的重建，曲面型面的精度檢測。當前Geomagic系列專業軟件在這些方面都能提供非常完美的解決手段。

1.1? 點云數據的采集

這個環節在逆向工程設計當中是最為基礎的一個環節，同時也是最為重要的一個環節。該環節又細分為接觸式測量與非接觸式測量。其中接觸式測量的具體操作方法是以三坐標測量機為主展開相關的數據測量;而非接觸式測量則是通過三維掃描儀展開測量工作。近幾十年來，三坐標測量機一直都備受各個領域的歡迎，并且已經發展成為當前精密度較高的一種測量設備，其原理是以坐標測量為依據，利用專業的控制軟件和驅動來完成對工件的大小及形位的測量和數據采集。非接觸式測量是近段時間興起的一種測量方法，通過激光掃描的方式采集部件的三維數據。由于采集設備的不同，兩種方法所采集到的數據以及數據的精準度之間都存在一定的差距。

1.2? 點云數據處理

通常情況下，當獲取到原始的三維數據后，需要針對數據進行一系列的處理，因為通過三維掃描設備所掃描到的點云數據存在一定的噪點和異常點，加上設備自身的因素與相關操作人員的因素都極有可能造成數據誤差。如果選擇直接重構曲面，會在不同程度上對后續的曲線及曲面重構的精準度造成影響。所以在實際應用中一般會對三維采集設備所收集到的點云數據展開預處理，例如降低噪點、精簡數據、處理異常點、數據平滑、坐標變換以及消除特征等手段。

Geomagic Wrap是目前較為常見的負責預處理點云數據的關鍵工具，該工具的掃描功能可以對數據點云進行創建并根據數據編輯相應的多邊形模型。利用3D掃描技術對導入文件進行轉化，最終得出后續3D模型并應用在處理工序當中，目前工程、藝術、考古、制造等領域都在應用Geomagic Wrap工具來完成逆轉的工程3D模型。該工具具有較強的重分格柵功能，該功能能夠對數據進行掃描并整理其中有用的數據，最終構建符合要求的完美的多變性模型，該專用軟件具有強大的處理功能，可以對采集得到的點云數據進行預處理，包括對三維數據模型進行基于掃描特征的填充、修補和順滑等操作，最終得到的精確曲面的質量和布局能夠符合標準。

1.3? 逆向模型的重構

實際上逆向模型的重新構建技術是一項非常關鍵的技術，其所構建出的實物與CAD模型最為相近，同時也是完成工程分析以及數控加工的重要前提。曲面模型重構技術可以有效地對逆向產品進行深入的分析與數控加工及產品創新等。CAD模型的重構方式有三種：線架重構、整體自動重構以及面片重構。其中線架重構的基本原理相對較為傳統，是通過由線到面完成的。在早期階段所采取的重構軟件基本上都是線架重構方式?，F階段線架重構軟件一般都應用于較為簡單的外形零件制作當中，與在點云基礎上繪制CAD模型基本相似。Geomagic Design X是逆向工程軟件中專業性極高的設計軟件，也是專門用來構建逆向模型的軟件之一，該軟件是由Raindrop公司收購后研發推出的，2013年3D Systems公司再次將該軟件收購進行優化與改良，目前該軟件的功能及性能既專業又強大，成為市場中的佼佼者，同時該軟件也相繼被各國的工程人員爭相采用，最近幾年也成為高校教學的首選。

所謂面片重構實際上就是在從樣件中直接采集點云數據并從中抽取面片，雖然說上述的所有軟件都能夠完成該環節，但是所實現的效果并不理想。然而RapidForm軟件的優化轉型使Geomagic Design X在面片重構方面的優勢變得越發顯著，并且還能夠幫助很多用戶完成自動拼接和分塊工作。利用智能化軟件完成整體重構的目標，這個過程中所涉及的面片重構與線架重構都能夠依靠專業的、智能的軟件實現擬合，需將關注的重點放在了產品的整體性上。

快速曲面重構過程如下：

（1）點云數據分塊轉變為三角網格曲面。最初的點云數據難以保持過渡期間的平滑性，因此需要適量變化點云曲率尋找其中的規律性，以此確保曲面最終所取得的擬合精度，提升曲面的最終質量，另外，點云分塊期間應當確保拆分的電暈模塊之間具有公共邊，這樣有助于曲面的拼接。

（2）曲面擬合。首先應當針對分片的子網格曲面采取具有針對性的處理方式，其次對子網絡曲面進行參數化的轉變，最后利用曲面片擬合的手段來取得具體的CAD模型，該技術能夠對曲面進行重構，并且因其簡單和直觀的優勢被大多數操作工人廣泛應用，并且能夠通過Geomagic Design X來完成具體的數據處理與曲面擬合。

（3）曲面拼接。曲面拼接的具體方式包含曲面橋接、縫合曲面、曲面分離和曲面延伸等方式，其中橋接的方式所得到的曲面結果具有較強的順滑性和連接性，能夠對相鄰曲面形成有效的約束效果。

1.4? 型面精度檢測技術

當重新構成曲面之后，需要進一步對CAD模型進行精準度的檢測，檢測的內容主要有：模型曲面品質、精度等。一般精度檢測的主要目的是直觀地將逆向模型與實物間的差異反映出來。而相關的評價指標有：整體指標、局部指標、量化指標以及非量化指標等等。Geomagic Control是針對復雜曲面型面的三維檢測軟件，是現階段該領域性能較為強大、廣泛且精準的三維計量自動化技術應用軟件，能夠實現對某三維部件的測量與質量檢測，該軟件可以支持大量的計量工具，比如目前較為常見的非接觸式掃描，所取得的數據能夠用于檢測分析，通過該檢測技術可以適當節省時間并提升檢測精準度，另外還能夠支持對復雜數據的自動化技術處理，其中形位公差、防偽檢測、硬測等可以完成對零器件的快速檢測并適當提升精準度，最終完成三維檢測報告的總結。如圖1所示，其中Dx、Dy、Dz分別是x、y、z三個方向的誤差值，D是x、y、z三個方向的平均誤差值。通過Geomagic Control，對某型號汽車節溫器蓋逆向模型外輪廓進行精度檢測，可以看到點偏差均非常小，符合設計要求，而點A045處偏差最大，x、y、z三個方向平均偏差達-0.938 7 mm，經調查得知，此處雖并非裝配面，也非功能性曲面，但偏差度影響產品外觀的美觀，不滿足逆向要求，需重新優化逆向。

2? 結? 論

Geomagic系列工具在逆向設計領域已經流行起來，是一個強有力的功能強大逆向設計軟件。雖然基于Geomagic的逆向設計的幾項關鍵技術，在點云數據處理、逆向模型的重建和型面精度檢測等方面都有巨大優勢，但是必要的時候，還應輔以傳統正向設計軟件如UG等進行補充，才能讓設計變得更加靈活、快捷、準確。

參考文獻：

[1] 王亮.逆向工程技術在機械制造領域中的應用研究 [J].湖南城市學院學報（自然科學版），2015，24（3）：165-166.

[2] 張文灼.基于Geomagic的汽車節溫器蓋逆向工程設計及其型面精度檢測技術研究 [D].石家莊：河北科技大學，2018.

作者簡介：張文灼（1979.09—），男，漢族，河北武強人，教研室主任，副教授，碩士，研究方向：智能制造技術;高亮（1979.07—），男，漢族，河北新樂人，教師，講師，碩士，研究方向：先進制造技術;劉杰（1979.05—），男，漢族，河北無極人，教研室主任，講師，學士學位，研究方向：機電一體化技術;胡孟謙（1979.12—），男，漢族，河北寧晉人，系副主任，副教授，碩士，研究方向：機械設計;張曉娜（1979.05—），女，漢族，河北石家莊人，教師，副教授，碩士，研究方向：機械制造測試。