基于逆向工程的農(nóng)用電動汽車殼體造型設(shè)計

張富明+路春光+張建寶+王輝+黃塨+于玉真

摘要：在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，有正向設(shè)計和逆向設(shè)計2種建模方法。采用了Artec Studio和Geomagic Studio軟件相結(jié)合的方法進行逆向數(shù)據(jù)處理，再運用正向設(shè)計和逆向設(shè)計相結(jié)合的建模方法對零件進行設(shè)計。以Artec Studio、Geomagic Studio和Croe 2.0軟件為平臺，利用逆向工程技術(shù)得到已有零件的數(shù)字化模型，以此為參考，再通過正向設(shè)計最終建立另一零件的數(shù)字化模型。該方法提高了產(chǎn)品的設(shè)計效率，開辟了建模的新途徑。最后進行實例應(yīng)用，對擴展到其他設(shè)計領(lǐng)域具有現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：正向設(shè)計；逆向設(shè)計；建模方法；數(shù)字化模型；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號： TH164；S229+.1 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0341-03

作為產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的一種手段，近年來逆向工程得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。逆向工程是將實體轉(zhuǎn)換為數(shù)字化模型的一門技術(shù)，它利用反求得到三維實體的數(shù)字模化型[1-2]。

在產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中，有一部分器件是從廠商直接購買得到，另一部分器件是根據(jù)設(shè)計要求進行設(shè)計。農(nóng)用電動汽車的殼體造型設(shè)計是一個典型實例，其曲面造型是一個復雜的設(shè)計過程，農(nóng)用電動汽車的車燈是從廠商直接得到的實物模型，殼體造型要根據(jù)車燈曲面和設(shè)計要求來完成。這時，一部分產(chǎn)品設(shè)計需要運用逆向設(shè)計的建模方法，一部分運用正向設(shè)計的建模方法。因此，在造型設(shè)計過程中，綜合運用正逆向混合設(shè)計的建模思想，是解決問題的一種有效途徑。逆向設(shè)計具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，對復雜曲面設(shè)計優(yōu)勢顯著，正向設(shè)計在實體建模中有強大功能[3]，因此，提出了基于Artec Studio、Geomagic Studio和Croe 2.0軟件的正逆向混合建模方法，來實現(xiàn)對產(chǎn)品的造型設(shè)計。

1 正逆向混合設(shè)計的一般流程

正逆向混合建模設(shè)計的一般流程[4]：（1）利用三維測量系統(tǒng)獲取要測量物體的外部模型點云數(shù)據(jù)。（2）經(jīng)過逆向軟件對數(shù)據(jù)進行處理，使其達到符合要求的點、曲線、曲面的數(shù)據(jù)，保存成OBJ、IGS或STP格式文件。（3）導入正向設(shè)計軟件中，在原有數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上運用正向設(shè)計軟件進行設(shè)計，從而實現(xiàn)正逆向的集成設(shè)計。（4）運用快速成型技術(shù)對產(chǎn)品進行校驗。

圖1為正逆向混合建模技術(shù)的流程圖，這種方法集成了正向設(shè)計和逆向設(shè)計的雙重優(yōu)勢：既保留了逆向設(shè)計在復雜曲面設(shè)計中的強大優(yōu)勢，又包含了正向設(shè)計對實體造型建模的強大功能。作為建模的一種新手段，該方法有效解決了對已有零件輪廓曲線建模困難的問題，從而更好地完成產(chǎn)品的造型設(shè)計。

2 數(shù)據(jù)采集

采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞對建立最終模型的精度起著極其重要的作用，為了獲得準確完整的掃描數(shù)據(jù)，須在前期做好合理的掃描規(guī)劃，以便對掃描的數(shù)據(jù)進行后期處理[5]。

數(shù)據(jù)采集的主要測量方法有非接觸式測量和接觸式測量，其中非接觸式測量方法具有較高的測量效率和廣泛的適用性。此次數(shù)據(jù)采集以Artec-Eva手持掃描儀為測量工具，該設(shè)備不需校準程序，掃描速度快，能夠獲得高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集的步驟：第一，掃描前在被測物體表面噴上1層顯像劑；第二，將被測物體固定在工作臺上，打開軟件，手握掃描儀開始進行掃描；第三，在掃描的過程中要全方位、多角度平穩(wěn)掃描，注意掃描的盲區(qū)和死區(qū)，對曲面線條復雜區(qū)域進行詳細掃描；第四，保存掃描得到的數(shù)據(jù)文件。在掃描過程中人機需要合理配合，對模型的曲面進行詳細掃描，以保證測量到足夠的點云數(shù)據(jù)，真實地反映出曲面形狀[6]。

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

Artec手持掃描儀得到的點云數(shù)據(jù)，自動在Artec Studio軟件中生成sproj格式的文件。首先在Artec Studio軟件中進行初步的數(shù)據(jù)處理，再將模型數(shù)據(jù)導入Geomagic Studio軟件中進行詳細的數(shù)據(jù)優(yōu)化處理。

3.1 基于Artec Studio軟件的數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是逆向建模的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其結(jié)果直接影響最后建模質(zhì)量的好壞。Artec Studio支持多種3D文件格式的讀取和轉(zhuǎn)換，支持對大量點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

基于Artec Studio軟件的數(shù)據(jù)處理過程主要包括：編輯、數(shù)據(jù)擬合、配準合成和邊緣處理等過程。編輯主要是為了清除外點和噪點，刪除與模型無關(guān)數(shù)據(jù)點；數(shù)據(jù)擬合的目的是為了將多個圖像數(shù)據(jù)融合成1個3D模型，得到1個單一的三角網(wǎng)格；配準是為了獲得準確的位置精度，減小模型數(shù)據(jù)表面誤差；邊緣處理主要是對曲面孔洞進行修補，形成1個完成的曲面。

此過程的目的是對掃描得到的數(shù)據(jù)文件進行初步處理，由于Artec Studio軟件對數(shù)據(jù)處理有一定的局限性，要得到完整精確的數(shù)據(jù)模型還需導入Geomagic Studio軟件中，進行進一步的數(shù)據(jù)處理。

3.2 基于Geomagic Studio軟件的數(shù)據(jù)處理

Geomagic Studio軟件同樣支持多種數(shù)據(jù)格式的讀取和轉(zhuǎn)換，能實現(xiàn)三角面、NURBS曲面和點云數(shù)據(jù)的智能轉(zhuǎn)換和構(gòu)建。將文件以O(shè)BJ格式的文件導入Geomagic Studio軟件中做進一步詳細的數(shù)據(jù)處理。

Geomagic Studio軟件的數(shù)據(jù)處理過程主要包括：清除外點和噪點、數(shù)據(jù)簡化、網(wǎng)格醫(yī)生處理、光順曲面、生成曲面等。清除外噪點是對點云數(shù)據(jù)的優(yōu)選處理，進一步清除在Artec Studio軟件未被清除的外點和噪點；數(shù)據(jù)精簡是為了減少大量的數(shù)據(jù)冗余，提高數(shù)據(jù)處理效率；網(wǎng)格醫(yī)生可對多邊形進行分析檢驗，并對多邊形表面進行修補處理；光順曲面可以去除對象上的變性特征，對于變形較大的部位，先刪除該部位的幾何形狀，再基于曲率來填充空缺；光順曲面后生成NURBS曲面，NURBS曲面的優(yōu)點是通過調(diào)整特征曲線的局部數(shù)據(jù)點來改變曲面片層，而不會對整個曲線和曲面造成較大影響。

4 基于Creo 2.0軟件的正逆向集成建模

處理后的數(shù)據(jù)模型保存成CAD/CAM能夠讀取的格式文件，如IGS、STP、OBJ等，然后導入Creo 2.0軟件中進行集成建模。

在Creo 2.0軟件中，可以對模型進行重構(gòu)，對局部曲面或是整體曲面進行細微調(diào)整，得到最優(yōu)曲率的曲面。曲線曲面的創(chuàng)建是以掃描得到的點和截面曲線、特征線和邊界線為參考基準來創(chuàng)建的，可以通過調(diào)整各個曲線的曲率來得到理想的曲面，可以用著色曲率分析工具對曲面進行曲率分析，驗證曲面的光順程度。

在導入特征標識前，插入坐標系和基準平面，再以掃描得到的模型為參考，運用邊界混合和造型命令對另一個零件進行正向建模設(shè)計，再根據(jù)設(shè)計要求，完成另一零件的設(shè)計，從而實現(xiàn)正逆向結(jié)合的集成建模。

5 農(nóng)用電動汽車殼體造型的應(yīng)用實例

以農(nóng)用電動汽車殼體造型設(shè)計為例，車燈模型為已有的曲面模型，這時需要逆向技術(shù)獲取車燈的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過程中要全方位平穩(wěn)掃描，掃描后得到多個數(shù)據(jù)文件，分別對得到的模型數(shù)據(jù)進行初步處理。

由于人為因素和環(huán)境因素導致噪點的出現(xiàn)，需對噪點部位進行初步除噪。然后對多個掃描數(shù)據(jù)文件進行兩兩擬合[7]，融合成1個3D模型，結(jié)果如圖2所示。

擬合后為了保證模型數(shù)據(jù)的位置匹配精度，需對模型數(shù)據(jù)進行細微配準[8]，由于車燈的外圍輪廓曲線、曲面比較光滑平緩，所以選擇光順形式合成，得到光滑的自由曲面。

細微配準合成后對模型棱角突出的地方，用光滑擦進行光順處理，去除毛刺。對存在漏洞的模型曲面，運用邊緣工具進行填補，從而獲得1個相對完整的模型數(shù)據(jù)。補洞前后的模型如圖3所示。

將數(shù)據(jù)處理的初步結(jié)果保存成OBJ格式文件，導入到Geomagic Studio軟件中進行進一步的數(shù)據(jù)優(yōu)化處理。在Geomagic軟件中，對農(nóng)用電動汽車車燈數(shù)據(jù)處理主要包括：清除外點和噪點、數(shù)據(jù)簡化、網(wǎng)格醫(yī)生處理、光順曲面、生成曲面等[9-10]。

雖然在Artec Studio軟件中已經(jīng)進行了外點和噪點的清除處理，但是為了保證數(shù)據(jù)的準確性，在Geomagic Studio中仍需做進一步的處理。將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點云數(shù)據(jù)，運用軟件自動檢測外點， 系統(tǒng)會選擇在拐角處離主點云很近但不屬于主點云的點，然后刪除對象；還可用選擇工具進行手動移除。改變平滑度水平，打開顯示偏差，設(shè)置預(yù)覽點為3 000，代表被封裝和預(yù)覽點的數(shù)量。處理的結(jié)果如圖4所示。

將點云數(shù)據(jù)模型重新封裝成三角面模型，運用網(wǎng)格醫(yī)生對模型數(shù)據(jù)進行分析檢驗，檢測出釘狀物318處，高度折射邊9處，自相交5處，圖5為分析檢驗結(jié)果，對其進行剔除修正，得到結(jié)果如圖6所示。

上述處理后仍然可能存有大量數(shù)據(jù)，在運用軟件進行拓撲關(guān)系運算時，占用計算機很大的內(nèi)存，從而減緩計算機的運行速度。如果對模型的精度要求不高，可以在保證數(shù)據(jù)精度的前提下進行簡化數(shù)據(jù)，在Geomagic Studio設(shè)置1個改變減少百分比就可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的精簡效果。數(shù)據(jù)精簡后可能造成車燈表面不光順問題，利用Geomagic軟件中的去除特征、砂紙、松弛、邊界編輯等命令對表面進行光順處理。如圖7所示，處理后模型的波紋明顯減小。最后進行NURBS曲面創(chuàng)建，NURBS曲面更方便控制曲面的曲線度，從而設(shè)計出更加生動逼真的造型。參數(shù)化曲面后軟件自動生成NURBS曲面，對輪庫線進行局部微小調(diào)整，使其輪廓更加接近車燈的真實輪廓，同時也要保證整體輪廓的相對完美性。

目前，CAD/CAM軟件系統(tǒng)能夠讀取的數(shù)據(jù)文件格式包括OBJ、IGS、STP等[11]。將處理后的車燈數(shù)據(jù)模型保存成OBJ格式，導入Creo 2.0軟件中進行造型建模。在Creo軟件中也可以對局部曲面或是整體曲面進行適當?shù)男薷?，從而設(shè)計出更加完美的車燈。打開汽車車燈的三維模型，在特征標識前建立坐標系和3個基準面，在基準面、坐標系和車燈模型的基礎(chǔ)上運用邊界混合和造型命令進行殼體曲面的建模設(shè)計，從而得到理想的前臉造型，造型結(jié)果如圖8所示。

6 結(jié)論

每個軟件都有其在某方面的獨特優(yōu)勢，各類軟件優(yōu)點的綜合應(yīng)用是建模設(shè)計的必然選擇。本研究提出將ArtecStudio、Geomagic Studio和Creo 2.0相結(jié)合的建模方法應(yīng)用于產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計中。一方面，Artec Studio和Geomagic Studio相結(jié)合處理模型數(shù)據(jù)，極大地提高了模型數(shù)據(jù)的處理精度和準確性，減小了與實際物體的尺寸誤差，保證了模型的精確度，為正逆設(shè)計提供了前提基礎(chǔ)；另一方面，將逆向設(shè)計軟件和正向設(shè)計軟件的優(yōu)點巧妙結(jié)合，實現(xiàn)了雙方的優(yōu)勢互補，提高了產(chǎn)品的設(shè)計效率，具有很高的實用價值。

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