基于Geomagic 與Creo 陶瓷魚逆向設(shè)計

曾 鋒， 楊忠高

（1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院， 廣東 廣州 510510； 2.廣東技術(shù)師范大學(xué)廣東工業(yè)實訓(xùn)中心， 廣東 廣州 510665）

0 引言

逆向工程技術(shù)作為一種高效的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法，根據(jù)已存在的產(chǎn)品或者零件原型， 重構(gòu)產(chǎn)品或者零件的CAD 模型，是對已有設(shè)計的再設(shè)計，可以大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期，降低了產(chǎn)品研發(fā)成本。 企業(yè)僅有的樣件、油泥模型、模具等“物理世界”如何快速的過渡到“數(shù)字世界”，如何高效處理產(chǎn)品設(shè)計后期問題，是先進制造業(yè)面臨的實際問題。 逆向設(shè)計軟件的典型代表有Geomagic，以陶瓷魚逆向設(shè)計為例，其主要的設(shè)計流程是：點云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理及三角形面片化，對三角形面片編輯處理，導(dǎo)入到CAD 軟件進行曲面逆向重建， 完成產(chǎn)品的實體建模，最后可以3D 打印加工或者數(shù)控加工并進行產(chǎn)品驗證。下面運用上述方法對陶瓷魚進行曲面逆向設(shè)計。

1 陶瓷魚點云數(shù)據(jù)處理

1.1 點云數(shù)據(jù)的獲取

如何高效、準(zhǔn)確地獲取模型的點云數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)產(chǎn)品逆向設(shè)計的前提和關(guān)鍵， 本次陶瓷魚點云的獲取是通過拍照式掃描儀進行掃描獲得， 拍照式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(shè)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(biāo)志點，這樣不同方向掃描獲得的點云可以通過標(biāo)志點自動拼接在一起，形成一個完整的點云數(shù)據(jù)。 掃描得到的點云見圖1。

圖1 陶瓷魚點云數(shù)據(jù)

1.2 點云數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理

掃描獲得的陶瓷魚點云數(shù)據(jù)存在很多的雜點， 為了高效率完成點云數(shù)據(jù)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(shù)量的點形成點群，并且彼此間分離。通過調(diào)節(jié)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絕大數(shù)的點云具有一定距離的點。 敏感度低數(shù)值選擇遠距離點， 高數(shù)值選擇的范圍接近真實數(shù)據(jù)。 減少噪音將點移至統(tǒng)計的正確位置以彌補掃描儀誤差（噪音）。這樣點的排列會更平滑。點云數(shù)據(jù)的優(yōu)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。

1.3 點云采樣

拍照式掃描儀在采集陶瓷魚點云數(shù)據(jù)時， 會進行多次測量來保證點云的完整度， 因此產(chǎn)生了大量的冗余點和重復(fù)點，使得點云數(shù)據(jù)量非常龐大，雖然更多的數(shù)據(jù)點能完整準(zhǔn)確的描述采集對象的形狀和結(jié)構(gòu)， 但同時極大降低了軟件的運算速度， 還會降低曲線曲面重構(gòu)時的精度。因此在能保證零件幾何特征的前提下，有必要對點云進行精簡，達到減少數(shù)據(jù)量、提高運算速度的目的。 逆向軟件系統(tǒng)精簡點云一般是在曲率大的區(qū)域盡可能保留更多的點，在曲率小的區(qū)域適當(dāng)減少點。軟件提供了四種采樣模式：統(tǒng)一采樣、曲率采樣、等距采樣和隨機采樣。在一般情況中，采用統(tǒng)一采樣對車載吸塵器點云進行精簡，通過多次測量相鄰兩個點云的距離， 取平均值的兩倍再取整，設(shè)定采樣間距，完成對點云數(shù)量的精簡，然后對點云進行封裝，進入到多邊形階段。

2 點云數(shù)據(jù)的多邊形處理階段

2.1 對點云三角面數(shù)據(jù)的處理技巧

點云數(shù)據(jù)經(jīng)過三角形網(wǎng)格化后進入多邊形處理階段， 點云多邊形的模型是由點與點之間拼接成三角形面片而組成。因為一般會有一些多余的表達不準(zhǔn)確的點，因此由這些不準(zhǔn)確的點構(gòu)成的三角形面片也要進行刪除或其它編輯處理。 在對點云進行封裝之后，也會出現(xiàn)破面，空孔，如圖2 所示。

圖2 點云封裝后產(chǎn)生的空孔

對三角面片數(shù)據(jù)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(diào)到在中間位置后，鼠標(biāo)點擊“應(yīng)用”，第三步，由于模型存在部分位置點云數(shù)據(jù)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，有時直接填補孔洞的效果不好，這種情況可以把孔周圍的三角面刪除后再進行填充。 第四步，對于不平滑的區(qū)域，可以使用去除特征功能。 對于模型中存在的一些缺陷以及細小特征，使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(yōu)化后的模型形狀，并將該區(qū)域與旁邊其它區(qū)域形成光滑的連續(xù)狀態(tài)。 最終點云處理結(jié)果如圖3 所示。

圖3 最終點云效果

2.2 陶瓷魚模型坐標(biāo)的對齊

首先對模型形狀進行分析，如圖3 所示，將陶瓷魚身對稱面擬合成平面1，陶瓷魚底面擬合成平面2，將平面1與坐標(biāo)系XZ 平面重合，平面2 與XY 平面重合，從而完成陶瓷魚的坐標(biāo)對齊。 根據(jù)以上的分析， 利用Geomagic Wrap 特征工具中平面（最佳擬合、過點垂直于）命令，構(gòu)建將用于對齊全局坐標(biāo)的兩個平面， 由上一步生成的特征與全局坐標(biāo)進行對齊。

3 Creo 中構(gòu)建參數(shù)曲面階段

參數(shù)曲面的構(gòu)建流程： 將已經(jīng)處理好的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD 建模軟件Creo 中，利用曲線創(chuàng)建、邊界混合構(gòu)造曲面、曲面實體化、抽殼等命令來完成建模。

3.1 點云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與坐標(biāo)的對齊

因為所導(dǎo)進Creo 中的點云數(shù)據(jù)只是一小三角面體，視覺上有破損現(xiàn)象，并不能進行建模操作，只能借助此三角片面體來創(chuàng)建曲面。首先要做的就是坐標(biāo)的對齊，因為已經(jīng)在Geomagic 創(chuàng)建了一個點云坐標(biāo)，現(xiàn)在只需要將已創(chuàng)建的坐標(biāo)與Creo 的對齊即可。

3.2 曲線的創(chuàng)建

首先使用重新造型命令來構(gòu)建一條曲線， 方法就是拉伸一個平面來與點云數(shù)據(jù)相交就會得到一條封閉曲線， 這條曲線是至關(guān)重要的， 直接控制著整條魚身的形狀，所以盡量做到與點云貼合。 如圖4 所示。 魚身部分是曲面結(jié)構(gòu)，較為困難點，可以通過拉伸出數(shù)個曲面來當(dāng)作造型的平面，再通過造型命令畫出數(shù)條曲線，這些曲線很重要，當(dāng)曲線越貼合點云，則接下來所混合出的曲面就越光滑越貼合點云。 如圖5 所示。 最后通過使用造型命令所創(chuàng)建的數(shù)條曲線，當(dāng)曲線數(shù)量越多越好，如圖6 所示，這一過程需要不斷的調(diào)整曲線的曲率已達到最佳的貼合點云點，后期混合出的曲面越貼合點云，貼合率越高，曲面效果便越好。

圖4 陶瓷魚腹部曲線

圖5 魚身曲線構(gòu)造

圖6 魚身曲線

3.3 陶瓷魚曲面的創(chuàng)建

通過已經(jīng)創(chuàng)建好的曲線來混合出魚身曲面， 分別選擇魚身魚腹的一條曲線為第一方向的曲線， 魚身的其它數(shù)條造型曲線為第二方向的曲。 頭部部分不能與魚身部分一整塊邊界混合出來，所以要單獨創(chuàng)建一個曲面，這里要注意兩個地方，一個是設(shè)置相切條件，另一個則是設(shè)置垂直條件來保證曲面的光滑連接，如圖7 所示。最后合并曲面， 將兩個已經(jīng)創(chuàng)建好的曲面通過合并命令合并成一塊曲面，如圖8 所示。

圖7 魚身曲面創(chuàng)建

圖8 魚身魚頭曲面合并

因為兩個曲面的連接處曲線不光滑， 最后導(dǎo)致所混合出曲面存在褶皺（小三角）現(xiàn)象，這一結(jié)果將會直接導(dǎo)致曲面無法加厚或者無法實體化， 所以就要想辦法修補此處。將有褶皺現(xiàn)象的地方直接剪掉一塊，再由四邊混合出一個新的曲面，注意要設(shè)置四邊均要相切，最后就會得到一塊光滑的曲面。

魚腹部是一個平面， 所以直接可以用拉伸命令來創(chuàng)建一個平面， 將魚身部分的曲面設(shè)置相切條件延伸一定的長度，目的是要將魚身和魚腹部曲面有相交，才可以做后期的合并曲面。 曲面的延伸這一部分也是很重要的一步驟，假若前面所創(chuàng)建好的曲面曲率不夠好，則這里就不能設(shè)置相切條件延伸。以及延伸的長度不需要太多，只需要超過魚腹部的平面即可。把魚身和魚腹部合并起來。將多余的曲面修剪掉，使用倒圓角命令來將邊角倒成圓角，如圖9 所示。

圖9 曲面合并修剪倒圓角

魚背的創(chuàng)建與魚身創(chuàng)建方法一樣， 同樣使用造型命令來創(chuàng)建出數(shù)條曲線， 再使用邊界混合命令來創(chuàng)建魚背曲面。 如圖10 所示。 魚尾部分也是通過造型出幾條曲線來混合曲面。 如圖11 所示。 最后將已經(jīng)創(chuàng)建好的曲面通過實體化命令來創(chuàng)建實體模型，前提要曲面封閉。用旋轉(zhuǎn)命令來創(chuàng)建眼睛部分，最終完成陶瓷魚曲面的逆向構(gòu)建，完成效果如圖12 所示。

圖10 魚背曲面構(gòu)建

圖11 魚尾曲面構(gòu)建

圖12 陶瓷魚最終外形效果

4 結(jié)論

隨著科技的發(fā)展， 越來越多的復(fù)雜曲面產(chǎn)品出現(xiàn)在日常生活中，逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用，大幅度的縮短了新產(chǎn)品的設(shè)計周期，提高了產(chǎn)品競爭力。逆向工程技術(shù)已成為企業(yè)的競爭法寶， 以及現(xiàn)代企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的重要設(shè)計手段。 通過拍照式掃描儀獲取曲面零件的點云數(shù)據(jù)，在點云處理軟件中處理點云數(shù)據(jù)，然后在CAD設(shè)計軟件中進行曲面逆向重構(gòu)和創(chuàng)新再設(shè)計， 最后利用快速成型技術(shù)或者數(shù)控加工技術(shù)制作樣件并進行產(chǎn)品驗證，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，大幅度降低企業(yè)設(shè)計成本，對復(fù)雜曲面產(chǎn)品的設(shè)計具有很好的借鑒意義。