基于Geomagic Wrap的甲殼蟲玩具汽車車身逆向設計

李 峰 陽夏冰

(武漢城市職業學院機電工程學院，湖北 武漢 430064)

1 點云數據采集

本次設計中數據采集使用北京技睿新天科技有限公司的JR雙目三維掃描系統，該系統運用標志點拼接技術，在三維掃描過程中不需要人為干預，對復雜實物樣件多個角度掃描，可以得到較為完整、相對精確的三維點云數據。

在點云數據采集之前應對掃描件進行結構分析，觀察工件是否為反光工件，若是反光工件則應對其表面進行處理，由于本次所掃描的甲殼蟲玩具汽車車身模型的反光能力較好，不需要做表面處理。該玩具汽車車身模型表面積較小，采用自動拼合掃描，這樣掃描的點云拼接精度更高。由于該玩具汽車車身模型需要從多個角度掃描，所以還需在模型的表面貼上標志點，這樣系統在自動拼合點云的時候多次掃描得到的不同坐標系的點云就可以通過粘貼的標志點實現自動拼合。本次模型通過JR三維掃描系統多次掃描自動拼合后得到的原始點云數據導入到Geomagic Wrap軟件進行數據處理(圖1)。

圖1 拼接后獲得點云數據

2 點云數據處理

在采集數據時得到的初始點云數量非常多，且存在很多重疊、偏離主曲面等無用的點云，這些都不可以直接用來進行曲面的重構，所以要對掃描后的初始點云數據進行精簡優化處理。

(1)將掃描的甲殼蟲玩具汽車車身點云數據導入Geomagic Wrap界面，點擊點工具欄的著色圖標，軟件會自動計算點云的法線，在點云上開啟照明和彩色效果，以幫助用戶更好的觀察其幾何形狀。如果掃描點云點擊著色仍然是黑色可以先點擊刪除法線然后再點擊著色。

(2)點擊點階段工具欄的非連接項圖標，彈出選擇非連接選項的對話框，在設置“分隔”中選擇“低”，然后點擊確定，軟件自動選擇非連接項的點云。退出對話框后按鍵盤上Delete鍵即可刪除選中的非連接的點云。

(3)點擊點階段工具欄的體外孤點圖標，此時彈出體外孤點對話框，將敏感度設置為85左右，點擊應用后確定，軟件自動選擇體外孤點，按按鍵盤上Delete鍵即可刪除選中的紅色點云，該命令可以使用2～3次。

(4)點擊點階段工具欄的減少噪音圖標，進入減少噪音對話框，選擇參數中自由曲面形狀，偏差限制設置為0.2 mm，點擊應用后確定。在掃描過程中掃描樣件表面質量較差、噴顯影劑不均勻、掃描設備輕微震動、光線變化等都可能會出現噪音點。

(5)點擊點階段工具欄中的統一采樣圖標，進入統一采樣對話框，在輸入中選擇“絕對”“間距”里輸入0.35 mm，優化中“曲率優先”拖到中間位置，勾選“保持邊界”點擊應用后確定。如圖2所示。這樣在不影響精度的情況下既可以快速刪除重疊點云、稀釋點云數量來減少整體點云數量，同時還保留了樣件模型原有的形狀。

圖2 點云處理

(6)點擊點階段工具欄的封裝圖標，進入封裝對話框，直接點擊確定，軟件根據處理好的點云自動計算完成三角形面的轉換。

(7)點擊多邊形工具欄的選擇填充單個孔圖標，填充需要修補的孔，最后按ESC退出命令。

(8)點擊套索選擇工具圖標，進入套索選擇工具的選擇狀態，選擇有缺陷的三角面，點擊多邊形工具欄的去除特征圖標，軟件將根據選擇的紅色三角面周圍的曲率變化進行光順處理。

(9)點擊多邊形工具欄下的砂紙圖標，將強度拖動至第二格，點擊固定邊界，鼠標拖動需要光順處理的面直至修復完成，點擊確定。

(10)點擊多邊形工具欄下的網格醫生圖標，軟件將自動選中存在缺陷的三角網格面，點擊應用后確定。該工具可以實現快速修復多邊形網格內存在缺陷的三角面。

(11)點擊多邊形工具欄下的增強網格圖標，點擊應用后確定。該命令常用于在曲率較大區域增加點云而不破壞原有的形狀，完成多邊形階段處理(圖3)。

圖3 多邊形處理

3 創建 NURBS 曲面

在Geomaic Wrap精確曲面階段可以是從多邊形階段轉化完成后經過一系列的編輯修復處理，得到相對理想的曲面模型，也可以根據編輯處理優化好的多邊形三角面片自動擬合成NURBS曲面。本次設計曲面較簡單，使用自動曲面功能進行擬合NURBS曲面。

(1)點擊精確曲面圖標，新建曲面片布局圖，將三角形網格面轉換為NURBS 曲面，進入精確曲面編輯處理階段。

(2)點擊自動曲面化圖標，選擇幾何圖形類型為“有機”、指定曲面片計數為“自動評估”、調節曲面細節值為中值、曲面擬合適應性公差設置為0.02 mm，單擊應用后軟件開始自動擬合曲面。

4 偏差檢測分析

創建完成后的NURBS曲面模型可以與掃描處理后的點云數據進行偏差分析，觀察創建完成后的NURBS曲面質量，同時通過偏差檢測分析功能獲得的偏差數值，可用于編輯修改NURBS曲面，減少曲面與原樣件實物誤差量，滿足產品創新設計開發需要[1]。點擊分析“偏差”圖標，點擊應用，軟件對創建的NURBS曲面進行偏差分析計算。本次甲殼蟲玩具汽車車身的偏差檢測分析結果如圖4所示。甲殼蟲玩具汽車車身 NURBS 曲面標準偏差為0.0187 mm，最 大 距 離 偏 差 為+0.0084 mm 及-0.0105 mm，平均距離偏差為0.0023 mm。圖示偏差顯示條往上正偏差逐漸增大，往下負偏差逐漸增大，中間部位偏差較小，模型上綠色區域是擬合質量較好的區域[2]，從圖中可以看出，擬合后的曲面模型基本上都在綠色偏差范圍內，表明擬合后的曲面與掃描點云數據的偏差很小[3]，所設計的曲面質量滿足要求。對擬合完成后的NURBS曲面可以保存成IGES格式或者STEP等其他格式，直接導入到CAD/CAM/CAE軟件中進行后續的產品創新設計、數控加工與模型分析等。

圖4 誤差檢測分析結果

5 結語

采用三維掃描技術采集樣件模型點云數據，結合逆向設計技術對采集的點云數據處理及三維曲面重構，獲取到的三維數據模型進行偏差檢測分析處理后輸出成IGES格式或STEP等格式，直接導入到CAD/CAM/CAE軟件中進行后續的設計、加工與分析，大大縮短了新產品的研發和上市周期，提高了企業新產品設計和生產效率，降低了企業成本，在促進客戶化、小批量和單件產品設計研發生產模式的發展等方面發揮了重要作用。