基于Geomagic與中望3D車載吸塵器外殼曲面重建和結構設計＊

曾 鋒

（廣東工貿職業技術學院機電工程學院，廣東廣州 510510）

1 引言

逆向設計是一種效率很高的產品設計手段，可以極大地縮短產品的研發時間，降低產品的設計成本，其中快速曲面重構是逆向設計軟件的發展方向。逆向設計代表軟件有Geomagic Wrap，以車載吸塵器逆向設計為例，其主要的設計流程是：點云數據優化處理及三角形面片化，對三角形面片編輯處理，快速曲面重建，完成產品外殼曲面造型，最后將圖形導入中望3D軟件進行內部結構設計，最后3D打印加工并進行產品驗證。下面運用以上設計方法對車載吸塵器進行外殼曲面逆向重構和內部結構設計。

2 車載吸塵器點云處理

2.1 點云數據的獲取

高效并且準確的獲取樣件的點云數據，是實現產品逆向設計的前提和關鍵，其中完整性與精度是點云數據準確性的兩個衡量指標，目前，根據測量方式的不同，點云數據的獲得主要通過兩種手段，分別為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。本次車載吸塵器點云的獲得是利用非接觸式測量獲得，也叫拍照式掃描儀，這類掃描儀的特點是測量速度比較快，效率非常高，可以大幅提高逆向設計的效率。利用掃描儀掃描樣件獲得點云時，需要對樣件噴涂白色的顯像劑，同時，樣件上需要粘貼上標志點，這樣不同方向掃描獲得的點云可以通過標志點自動拼接在一起，形成一個完整的點云數據。掃描結果如圖1所示。

2.2 點云數據的優化處理

為了更加清晰、方便的觀察點云的形狀，先將點云進行著色。掃描獲得的吸塵器點云數據存在很多的雜點，為了高效率完成點云數據的處理,我們需要對其進行快速選擇，并且，進行刪除雜點，在Geomagic Wrap 中對點云中的雜點有以下操作：非連接項命令選擇的是指同一物體上具有一定數量的點形成點群，而且相互間分離。通過調節點群距離主點云距離的大小來進行選擇并刪除。體外孤點命令選擇與其它大部分的點云有一段距離的點，敏感度低數值選擇遠距離點，數值高選擇的范圍接近真實數據。點云數據的優化處理一般通過以上命令來完成，如果仍然沒辦法刪除雜點，就只能手動進行選擇并刪除，能選擇的菜單命令主要有套索，畫筆選擇工具。

3 點云數據的多邊形處理階段

點云數據通過三角形網格化后進入多邊形面片處理階段，點云多邊形面片模型是由大量的三角形面片組成。因為點云一般都會有一些表達不準確的點，由這些不準確的點構成的三角形面片也要進行刪除處理。在對點云進行封裝之后，也出現破面、空孔，如圖2所示。

對三角面片數據的處理，第一步先使用松弛命令，松弛命令可以最大限度減少單獨多邊形之間的角度，使面片更加平滑；第二步選擇刪除釘狀物菜單命令，“刪除釘狀物”對話框中，“平滑級別”調到在中間位置后，鼠標點擊“應用”；第三步，由于模型存在部分位置點云數據不完整。使用填充孔命令可以修補缺失的位置，在通常的填充孔過程中，如果直接填補孔洞的效果不好，可以把孔洞旁邊的三角面刪除，然后再進行孔洞填充，填充完整的三角面如圖3所示；第四步，對于不平滑的區域，可以使用去除特征功能。對于點云數據中存在的一些缺陷，利用套索工具圈選特征，在多邊形工具條里使用去除特征功能命令，便得到優化后的模型形狀，并將該區域與旁邊其它區域形成光滑的連續狀態。最終點云處理結果如圖4所示。

4 Geomagic Design X快速曲面重建階段

首先導入“STL”數據，建立坐標系。由于模型是對稱模型，可以先做一半，然后利用鏡像命令完成模型的整體外形創建。由于模型的孔位較多，可以利用面片草圖進行提取線條，并利用布爾運算創建孔位筋條。模型擁有不規則圓角，需要使用不規則圓角命令并通過精度分析調整。建模精度分析，最后導出“STP”標準格式數據，為下一步結構設計做準備。

（1）特征領域創建。

Geomagic DesignX 具有強大的點云數據處理能力和逆向設計的功能，其中在逆向建模中最常用的就是領域功能命令。點擊“領域組”命令，進入到領域組模式。運用手動分割的方式，利用不同顏色來區分領域，如圖5所示。進行領域劃分目的是為了區分每一個面的特征，方便后面使用面片擬合等高級曲面建模命令，并且要使用“田”字格式劃分，方便面片擬合命令的計算和精度。

（2）構建主體曲面。

利用面片擬合命令，選擇圖6所示的區域，分辨率選擇“許可偏差”，偏差值可以設置為0.1，平滑適中，選擇延長選項，手動拖拽以調整大小。并創建另外幾個領域。利用剪切命令，對創建的曲面進行剪切。利用可變圓角命令，進行倒圓角。利用精度分析功能，調整所選圓角的大小，使得可變圓角的尺寸匹配點云。利用剪切和鏡像命令，從中間剪切曲面，并進行鏡像和縫合，如圖7所示。利用面片草圖命令，創建小特征。

（3）精度分析。

對逆向建模完成后的模型進行精度分析是對產品的還原度進行實際驗證的重要步驟。主要是分析逆向構建的曲面與車載吸塵器點云之間的偏差，點擊分析工具欄中的體偏差功能，最終效果圖如圖8 所示。圖8右側面為偏差數值表，顏色和數值代表了誤差范圍，車載吸塵器模型中顯示綠色部分，表示曲面與點云的偏差在-0.1～+0.1mm，誤差很小。顯示為顏色紅的部分說明曲面與點云偏差大于+0.1mm，顏色越紅偏差越大，顯示顏色為藍色，說明該特征面與點云數據小-0.1mm，顏色越藍偏差越大。圖8中車載吸塵器模型顏色顯示基本為綠色，模型與點云的誤差小于0.1mm，符合逆向設計精度要求。

5 中望3D軟件結構設計

（1）拆分模型，進行內部結構設計。

將文件另存為STP 格式后導入中望3D 中打開，然后通過“簡化”命令，將不需要的特征進行刪除。使用這個命令通過刪除所選面來簡化某個零件。這個命令會試圖延伸和重新連接面來閉合零件中的間隙。創建想要的模型特征，主要模型特征是通風孔，開關按鈕，濾網和擋位按鈕，如圖9所示。通風孔采用圓孔型，位置處于電機的側邊，保證散熱正常。

拆分模型，進行內部結構設計。塑料模具的分型面選擇需要有利于塑料制品出模；模具結構能夠被簡化；有利于塑料模具配模；有利于保證塑料制品的表面質量。在車載吸塵器模型中，選取其截面尺寸的最大處為其分型面，如圖10所示。

在模型的內壁增加加強筋，布置加強筋可以增強產品的強度和剛性，保證產品不會歪扭變形，并節約塑料的用量，減輕產品重量，降低生產成本。

（2）車載吸塵器前殼的創建。

在已知裝配線的情況下，通過創建草圖，對曲面進行放樣，并進行倒角。分別設計風口，設計濾網蓋子，開關按鈕和擋位按鈕，最后的完成車載吸塵器的結構設計，產品造型分解圖如圖11所示。

6 產品3D打印加工及裝配

在中望3D 軟件中將吸塵器模型導出為STL 格式，并導入3D 打印軟件CURA4.8 中進行切片處理。由于使用的是PLA 材料，所以3D 打印加工的設置參數為：噴嘴溫度：200°打印床溫度：60°走絲速度：50mm/s。打印車載吸塵器前蓋，采用如圖12 所示這種方式擺放，能最大程度減少支撐的數量，并且提供曲面質量，使支撐只在內部的進出風口的位置。為了方便拆除支撐,采用鋸齒形15%密度的支撐。為了保證支撐能更好的粘附在打印工作臺上，在模型的底部增加了一個木筏，保證模型在打印過程中不會移動。打印切片的層高設置為0.2mm，首層高度給0.15mm，使得底部木筏能更好的粘附在打印床上。打印底層木筏時，不需要開啟冷卻風扇，以便木筏能更緊附在打印床上。最大限度減少薄壁的支撐，避免拆除支撐時破壞薄壁。由于開關和檔位按鈕體型較小，可以采取兩個一起打印的方法。最后打印完所有零件，去除支撐材料，裝配并進行產品驗證，如圖13所示。

7 結論

隨著工業設計技術的發展，越來越多的復雜曲面產品應用在日常生活中，產品逆向設計技術的應用，能極大的縮短新產品的設計周期，提高產品競爭力。通過拍照式掃描儀得到樣件的點云數據，在Geomagic軟件中快速重建產品的曲面，然后，在中望3D設計軟件中對曲面產品進行結構設計，最后，通過快速成型技術制作樣件并進行產品驗證，極大的縮短了產品的開發周期，大幅度降低企業設計成本，對復雜曲面產品的設計具有借鑒意義。