基于Geomagic Design X的去毛器模型重構及誤差分析

摘 要：以去毛器產(chǎn)品為研究對象，結合Geomagic Design X軟件，較完整地介紹了點云數(shù)據(jù)的采集、處理、數(shù)字化模型重構和誤差分析等逆向工程的主要工作流程，為今后的產(chǎn)品研發(fā)、模型重構提供了方法和依據(jù)。

關鍵詞：逆向工程;Geomagic Design X;點云數(shù)據(jù);模型重構

中圖分類號：TH166文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.11.004

在現(xiàn)代化快節(jié)奏的生產(chǎn)生活中，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期越來越短，其更新?lián)Q代速度也越來越快，同時在產(chǎn)品的研發(fā)與設計過程中，會經(jīng)常對已有產(chǎn)品進行參考與借鑒，所以有時需要將現(xiàn)有的實物模型轉化為三維模型，此種類型的工程設計方法被稱為逆向工程或反求工程[1]。目前，此項技術已經(jīng)廣泛的應用于產(chǎn)品或零件的模型重構、修補和優(yōu)化完善等多項領域。

1 Geomagic Design X軟件簡介

在逆向工程技術應用的過程中，多數(shù)都是利用相關的數(shù)字化設計軟件來實現(xiàn)。在眾多的逆向工程輔助軟件中，Geomagic Design X軟件是使用較為廣泛的軟件。Geomagic Design X是一款可以對3D掃描數(shù)據(jù)進行處理并以此作為建模依據(jù)，從而完成數(shù)字化建模的軟件[2]。本文以去毛器產(chǎn)品為研究對象，結合Geomagic Design X軟件，較完整的介紹了點云數(shù)據(jù)的處理、數(shù)字化模型重構和誤差分析等主要工作流程。

2 去毛器的點云數(shù)據(jù)采集

若對物體進行逆向工程技術的模型重建，則需得到該物體的相關點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)是指在一個三維坐標系統(tǒng)中的一組向量的集合，點云數(shù)據(jù)采集是逆向建模設計的基礎[3]。本次掃描的對象是日常用品去毛器，掃描前需要先對掃描產(chǎn)品去毛器進行清洗，擦干后使用特定的反差增強劑對其進行均勻噴涂，以期增加光的反射，從而提高掃描精度。由于單次掃描無法完全將去毛器掃描完整，且為使不同角度的點云數(shù)據(jù)能夠在同一坐標系內(nèi)自動對齊，則需將去毛器貼上若干個標志點，如圖1所示，以便實現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)的自動拼接，進而得到完整的去毛器3D點云掃描數(shù)據(jù)[4]。

3 去毛器的點云數(shù)據(jù)預處理

當掃描的前期準備工作就緒后，方可準備對其進行掃描。本次對去毛器進行3D數(shù)據(jù)采集所使用的是微深3D雙目掃描儀。將掃描儀設置完畢后便可進行掃描，在掃描的過程中，由于光照、場地環(huán)境和振動等多種因素的干擾，得到的數(shù)據(jù)有時會有大量的噪點、缺陷和冗余，這時可利用Geomagic Wrap 軟件對數(shù)據(jù)進行預處理[5]，去除原始掃描數(shù)據(jù)中的雜點、噪點、簡化數(shù)據(jù)、生成三角面片和修補漏洞[6]，同時還需去除突出物、殘留面、光整棱邊和交叉物等操作[7]，最終處理完畢得到完整的去毛器點云掃描數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

4 去毛器的模型重構

完成去毛器3D點云數(shù)據(jù)處理后，將其保存為stl文件，導入Geomagic Design X 軟件中來完成模型重構。

（1）對3D點云數(shù)據(jù)進行特征分割，使其劃分為多個不同的領域，如圖3 所示。領域分割的恰當與否關系到后續(xù)面片擬合時的曲面質量，所以在分割時需要對產(chǎn)品或零件的結構進行觀察，本例的去毛器屬于結構對稱物體，所以可以單側分割后再鏡像。（2）將劃分好領域的去毛器點云數(shù)據(jù)進行坐標系對齊，以方便今后操作。（3）使用面片擬合工具，對分割后的去毛器主體的領域進行鋪設曲面，如圖4所示。每次鋪設完一部分曲面后，要及時進行修剪，其他的曲面以此方式進行逐步鋪設并修剪，在鋪設與修剪曲面的同時，要隨時對原始點云數(shù)據(jù)的進行顯示和隱藏切換，以期實現(xiàn)更加精確的曲面鋪設。并本著“抓大放小、先主后次”的曲面鋪設原則，先完成主體，再構建局部，最后處理細節(jié)，這樣很快便可完成去毛器整體輪廓的曲面鋪設并轉化為實體。（4）使用較常見的實體拉伸或旋轉等命令對去毛器頭部和前胸建模，修正完成后的去毛器重構后的模型如圖5所示。

5 重構模型誤差分析

重構后的模型與原始模型存在一定的誤差，對重構的三維模型與原始模型間的誤差檢測則是十分必要的， 這也是保證重構模型質量的需要[8]。模型重構后，在Geomagic Design X軟件中，使用“Accuracy Analyzer”面板上的“誤差”分析功能，對重構模型進行誤差分析檢測，在誤差云圖中，其誤差許可范圍應控制在±0.1 mm內(nèi)，且為綠色;若顏色多為紅色，則說明誤差正向偏差較大; 若顏色多為藍色，則說明誤差負向偏差較大。即重構后的產(chǎn)品如多為綠色，則說明重構質量較高，如以紅藍兩色居多，說明重構模型的一些曲面需要再次處理。本例去毛器的重構模型以綠色為主，所以模型誤差較小質量較高，屬于合格的模型重構，去毛器的誤差云圖如圖6所示。

6 結論

本文以去毛器為例，將逆向工程中的點云數(shù)據(jù)的采集、處理、模型重構和誤差分析等重要環(huán)節(jié)逐一介紹，并結合Geomagic Design X完成了去毛器的高質量的模型重構。證明該方法具有點云采集數(shù)據(jù)質量好且速度快，操作簡便，模型重構質量較高和適合復雜產(chǎn)品與零件逆向工程開發(fā)等優(yōu)點，并為后續(xù)的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)打下了良好的基礎，從而可以有效的加快產(chǎn)品研發(fā)的速度和提高產(chǎn)品的市場競爭力。

參考文獻：

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作者簡介：紀海峰（1978-），男，黑龍江齊齊哈爾人，高級工程師，碩士，研究方向：CAD/CAM/CAE技術，E-mail：2063924643@qq.com。