基于Geomagic Wrap和Design X鐵锨逆向設(shè)計

王 學(xué)，靳峰峰

(1.濟源鋼鐵集團有限公司一冶煉廠，河南 濟源 459000；2.濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟源 459000)

0 引言

隨著科技不斷進步和經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們越來越注重身體健康。戶外活動越來越受人追捧，而一直僅作為農(nóng)具的鐵锨轉(zhuǎn)變成為戶外活動的裝備之一。人們用它防身、開路、挖野菜等，給戶外活動帶來便利。因此，鐵锨外形改造就顯得尤其重要了，因構(gòu)成鐵锨的各個面都是曲面，其產(chǎn)品優(yōu)化適合逆向設(shè)計。

1 逆向設(shè)計流程

逆向工程設(shè)計的主要流程：獲取點云數(shù)據(jù)、處理點云數(shù)據(jù)、重建原型CAD模型。

獲取數(shù)據(jù)是逆向設(shè)計CAD建模的首要環(huán)節(jié)。獲取點云數(shù)據(jù)是運用數(shù)據(jù)測量設(shè)備獲取實物模型表面點云，通常采用的數(shù)據(jù)測量設(shè)備有三坐標(biāo)測量機、三維數(shù)字化掃描儀、工業(yè)CT和激光掃描測量儀等。

點云處理運用點云處理軟件的相關(guān)功能進行，消除多余的點，獲取比較整齊的點云，并多邊形化處理。點云處理是逆向工程CAD建模的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以直接影響后期重建模型的質(zhì)量。主要內(nèi)容包括散亂點排序、多視拼合、誤差剔除、數(shù)據(jù)表面光順、數(shù)據(jù)精簡、特征提取和數(shù)據(jù)分塊等。

逆向建模：利用處理好的數(shù)據(jù)，在逆向工程軟件中進行曲面重構(gòu)和曲面拼接，獲得原有產(chǎn)品的三維CAD模型。此技術(shù)涉及計算機、圖像處理、圖形學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、計算幾何、激光測量和數(shù)控等眾多交叉學(xué)科及領(lǐng)域。運用CAD系統(tǒng)模型,將一些分割后形成的三維點云數(shù)據(jù)做表面模型的擬合,并通過各曲面片的求交與拼接來獲取零件原型表面的CAD模型。其目的在于獲得完整一致的邊界表示CAD模型,即用完整的面、邊、點信息來表示模型的位置和形狀。

2 鐵锨逆向設(shè)計

市場上銷售的鐵锨較多。鐵锨具有以下特點：(1)自由曲面多，實物模型用正向設(shè)計軟件很難建立；(2)尺寸適中，適合運用三維數(shù)字化掃描儀獲取數(shù)據(jù)；(3)鐵锨本身精度不高。

2.1 獲取點云數(shù)據(jù)

運用三維數(shù)字化掃描儀對鐵锨進行掃描獲取點云數(shù)據(jù)。鐵锨整體點云如圖1所示。

圖1 鐵锨整體點云

2.2 點云數(shù)據(jù)處理

運用Geomagic Wrap將鐵锨正面點云數(shù)據(jù)分別統(tǒng)一曲率、著色、選擇非連接項，刪除多余點云后進行注冊。

手動注冊指在重合區(qū)內(nèi)定義對應(yīng)點以允許用戶創(chuàng)建兩個或者更多重合掃描數(shù)據(jù)的初始拼接，全局注冊是對兩個或更多初始拼接后的點對象或者多邊形對象的精細拼接。如圖2所示，將鐵锨正面點云設(shè)置為固定的，將背面點云設(shè)置為浮動的，選擇兩塊點云的共同特點，使背面點云靠近正面點云，看起來像整體點云，然后全局注冊使兩塊點云精細拼接。

點云封裝數(shù)據(jù)、刪除釘狀物、填充數(shù)據(jù)孔特征、去除特征、光順處理數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)。這個過程將點云數(shù)據(jù)編程三角面片，處理后數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2 鐵锨點云手動注冊

圖3 鐵锨三角面片

2.3 逆向建摸

對產(chǎn)品逆向建模，獲取3D模型，為優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

逆向建?；静襟E：運用Design X提供的命令進行建模。逆向建?？梢苑譃轭I(lǐng)域劃分、對齊坐標(biāo)系、建模三個階段。領(lǐng)域劃分是根據(jù)掃描數(shù)據(jù)的曲率和功能將面片歸類為不同的幾何形狀領(lǐng)域，經(jīng)過分類的特征領(lǐng)域具有幾何特征信息，可用于快速創(chuàng)建特征；對齊坐標(biāo)系，將掃描坐標(biāo)系和建模軟件坐標(biāo)系對齊，如圖4所示；鐵锨的各個面都是曲面，適合使用Design X中面片擬合命令，擬合出各個面，如圖5所示；然后運用剪切命令裁出鐵锨曲面模型，如圖6所示；運用Design X賦厚曲面，得到鐵锨的實體模型，如圖7所示。

圖4 對齊坐標(biāo)系后鐵锨

圖5 曲面擬合鐵锨的各個曲面

圖6 裁剪后的鐵锨曲面模型

圖7 鐵锨實體模型

3 結(jié)論

運用三維掃描儀獲取鐵锨的點云數(shù)據(jù)，并運用Geomagic Wrap中手動注冊獲取模型的完整點云，為獲取薄壁件點云提供方法；對數(shù)據(jù)進行處理，得到鐵锨外形的三角面片；運用曲面擬合命令獲取模型的各個曲面并剪切，得到曲面模型，運用賦厚曲面得到模型的實體，為鐵锨的逆向設(shè)計提供參考。