基于Geomagic Wrap的自由曲面零件逆向設計

朱興文 劉勇 張天源

摘 要：以自由曲面工藝品逆向設計為例，介紹了基于Geomagic Wrap實現點云數據處理、逆向建模的過程。結果表明，對于復雜自由曲面類零件，通過分割特征、構造有序的柵格、重構曲面片的逆向建模方法，有利于提高曲面的光順度與精度。

關鍵詞：自由曲面;Geomagic Wrap;逆向設計;精度

0? ? 引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是再生產設計的產物，是通過測量手段及三維幾何建模方法，將原有實物轉化為三維數字模型，并對模型進行創新設計、分析和加工的過程[1]。逆向工程技術現已成為產品開發和創新設計的一種重要手段，被廣泛應用于電子、機械、醫療、汽車和文化創意等行業和領域。利用三維掃描技術與逆向工程軟件，對原始模型進行掃描，可將實物數字化，同時也可在原有模型的基礎上對其進行優化與創新。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→點云處理→模型重構”的典型流程，重點研究復雜曲面的點云處理及曲面片構建方法。

1? ? 數據掃描

數據掃描是指通過特定的測量方法和設備，將實物模型外形特征轉化成幾何空間點，從而得到逆向設計及尺寸評價所需數據的過程[2]。目前三維數據的獲取主要還是通過三維測量技術來實現。通過對所測模型進行清洗、噴涂顯像劑、粘貼標志點等處理，利用Win3D三維激光掃描儀對模型點云數據進行采集，獲得模型點云數據，如圖1所示。

2? ? 數據處理

采用三維激光掃描儀對模型進行掃描所獲得的點云數據會存在一些孔洞缺陷，且數據網格表面也不光順。數據處理的關鍵技術包括雜點刪除、多視角數據拼合、數據簡化、空洞填充、特征刪除、平滑等。

2.1? ? 點云處理

本文研究對象曲面構造復雜，在一些細節位置，如邊界、曲率變化較大的曲面不容易被掃描測量或數據容易丟失，這時需要對模型進行多方位掃描，得到不同坐標下的多視角點云，于是便需要把不同坐標下的點云數據對齊到同一坐標下，從而實現多視角點云數據的合并。在測量過程中因光線、輔助支撐等，在掃描時會形成雜點，需要通過點云處理軟件對其進行刪除。本文基于Geomagic Wrap點云數據處理軟件，將掃描的多視角點云數據導入軟件，對單視角點云進行“雜點刪除”，然后進行“手動對齊”“刪除體外弧點” “減少噪聲” “封裝”等處理，生成三角面片。Geomagic Wrap點云處理過程如圖2所示。

2.2? ? 面片處理

對于復雜模型，常測量的數據密度會很高，會形成大量的冗余數據，嚴重影響后續算法效率，因此也需要對點云數據進行簡化處理[3]。在掃描過程中，會因模型本身的幾何拓撲等原因，所采集的點云數據存在缺損等現象，因而需對數據進行填充補缺處理[4]。在掃描過程中常因輕微振動、模型粗糙等原因，掃描的數據中包含一些噪聲點，這些噪聲點將影響曲面重構的質量，通過數據平滑處理，可改善曲面重構的質量[5]。利用Geomagic Wrap點云數據處理軟件的“網格醫生” “減少噪聲” “填充孔” “去除特征”等功能指令，對封裝后的面片進行優化處理，得到修復后模型，如圖3所示。

3? ? 逆向建模

利用Geomagic Wrap的逆向曲面功能，對模型進行逆向重構。首先通過軟件的“繪制曲線”功能，在封裝的點或多邊形對象上徒手繪制與操縱曲線，對模型關鍵特征曲率變化進行區域分割。以“構造曲面片”功能對分割的區域通過邊界線生成面片邊界結構，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，“構造柵格”命令在對象上的每個面片中創建有序的柵格，并修復相交區域，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域的逆向建模，合并生成CAD模型，如圖5所示。

4? ? 結語

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

[參考文獻]

[1] 張真真，史紅燕.基于逆向工程的工業產品數字化設計與制造[J].現代制造技術與裝備，2021，57（1）：166-168.

[2] 趙明炯，許鵬宇，江萍.基于Geomagic studio和DesignX的端蓋逆向設計[J].內燃機與配件，2021（8）：28-29.

[3] 龔海軍，周濤，李歡，等.基于杰魔的鋁合金零件逆向建模及壓鑄模具設計[J].鑄造，2020，69（6）：596-601.

[4] 伍詠暉，嚴桂英.基于Geomagic和快速成型的產品逆向設計[J].裝備制造技術，2016（5）：214-215.

[5] 徐桂才，陳學斌，陳葉娣，等.逆向工程與3D打印在自動牙線盒正向設計中的應用[J].模具制造，2021，21（3）：80-83.

收稿日期：2021-05-25

作者簡介：朱興文（1971—），男，四川宜賓人，助理實驗師，研究方向：機械設計。