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(jì)過(guò)程中，有正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)2種建模方法。采用了Artec Studio和Geomagic Studio軟件相結(jié)合的方法進(jìn)行逆向數(shù)據(jù)處理，再運(yùn)用正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)相結(jié)合的建模方法對(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)。以Artec Studio、Geomagic Studio和Croe 2.0軟件為平臺(tái)，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(guò)正向設(shè)計(jì)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(jì)效率，開(kāi)辟了建模的新途徑。最后進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用，對(duì)擴(kuò)展到其他設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有現(xiàn)實(shí)意義。

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

中圖分類(lèi)號(hào)： TH164；S229+.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）09-0341-03

作為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的一種手段，近年來(lái)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(shí)體轉(zhuǎn)換為數(shù)字化模型的一門(mén)技術(shù)，它利用反求得到三維實(shí)體的數(shù)字模化型[1-2]。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，有一部分器件是從廠商直接購(gòu)買(mǎi)得到，另一部分器件是根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。農(nóng)用電動(dòng)汽車(chē)的殼體造型設(shè)計(jì)是一個(gè)典型實(shí)例，其曲面造型是一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程，農(nóng)用電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)燈是從廠商直接得到的實(shí)物模型，殼體造型要根據(jù)車(chē)燈曲面和設(shè)計(jì)要求來(lái)完成。這時(shí)，一部分產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要運(yùn)用逆向設(shè)計(jì)的建模方法，一部分運(yùn)用正向設(shè)計(jì)的建模方法。因此，在造型設(shè)計(jì)過(guò)程中，綜合運(yùn)用正逆向混合設(shè)計(jì)的建模思想，是解決問(wèn)題的一種有效途徑。逆向設(shè)計(jì)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)顯著，正向設(shè)計(jì)在實(shí)體建模中有強(qiáng)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)。

1 正逆向混合設(shè)計(jì)的一般流程

正逆向混合建模設(shè)計(jì)的一般流程[4]：（1）利用三維測(cè)量系統(tǒng)獲取要測(cè)量物體的外部模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)。（2）經(jīng)過(guò)逆向軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其達(dá)到符合要求的點(diǎn)、曲線、曲面的數(shù)據(jù)，保存成OBJ、IGS或STP格式文件。（3）導(dǎo)入正向設(shè)計(jì)軟件中，在原有數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用正向設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)正逆向的集成設(shè)計(jì)。（4）運(yùn)用快速成型技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行校驗(yàn)。

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(jì)和逆向設(shè)計(jì)的雙重優(yōu)勢(shì)：既保留了逆向設(shè)計(jì)在復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)中的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，又包含了正向設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)體造型建模的強(qiáng)大功能。作為建模的一種新手段，該方法有效解決了對(duì)已有零件輪廓曲線建模困難的問(wèn)題，從而更好地完成產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)。

2 數(shù)據(jù)采集

采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞對(duì)建立最終模型的精度起著極其重要的作用，為了獲得準(zhǔn)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(duì)掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理[5]。

數(shù)據(jù)采集的主要測(cè)量方法有非接觸式測(cè)量和接觸式測(cè)量，其中非接觸式測(cè)量方法具有較高的測(cè)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(cè)量工具，該設(shè)備不需校準(zhǔn)程序，掃描速度快，能夠獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集的步驟：第一，掃描前在被測(cè)物體表面噴上1層顯像劑；第二，將被測(cè)物體固定在工作臺(tái)上，打開(kāi)軟件，手握掃描儀開(kāi)始進(jìn)行掃描；第三，在掃描的過(guò)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(duì)曲面線條復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)掃描；第四，保存掃描得到的數(shù)據(jù)文件。在掃描過(guò)程中人機(jī)需要合理配合，對(duì)模型的曲面進(jìn)行詳細(xì)掃描，以保證測(cè)量到足夠的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，真實(shí)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，自動(dòng)在Artec Studio軟件中生成sproj格式的文件。首先在Artec Studio軟件中進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理，再將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio軟件中進(jìn)行詳細(xì)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(duì)大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

基于Artec Studio軟件的數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要包括：編輯、數(shù)據(jù)擬合、配準(zhǔn)合成和邊緣處理等過(guò)程。編輯主要是為了清除外點(diǎn)和噪點(diǎn)，刪除與模型無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)；數(shù)據(jù)擬合的目的是為了將多個(gè)圖像數(shù)據(jù)融合成1個(gè)3D模型，得到1個(gè)單一的三角網(wǎng)格；配準(zhǔn)是為了獲得準(zhǔn)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(duì)曲面孔洞進(jìn)行修補(bǔ)，形成1個(gè)完成的曲面。

此過(guò)程的目的是對(duì)掃描得到的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行初步處理，由于Artec Studio軟件對(duì)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(dǎo)入Geomagic Studio軟件中，進(jìn)行進(jìn)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(shí)現(xiàn)三角面、NURBS曲面和點(diǎn)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(dǎo)入Geomagic Studio軟件中做進(jìn)一步詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理。

Geomagic Studio軟件的數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要包括：清除外點(diǎn)和噪點(diǎn)、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、網(wǎng)格醫(yī)生處理、光順曲面、生成曲面等。清除外噪點(diǎn)是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的優(yōu)選處理，進(jìn)一步清除在Artec Studio軟件未被清除的外點(diǎn)和噪點(diǎn)；數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)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(duì)多邊形進(jìn)行分析檢驗(yàn)，并對(duì)多邊形表面進(jìn)行修補(bǔ)處理；光順曲面可以去除對(duì)象上的變性特征，對(duì)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(lái)填充空缺；光順曲面后生成NURBS曲面，NURBS曲面的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)調(diào)整特征曲線的局部數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)改變曲面片層，而不會(huì)對(duì)整個(gè)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(dǎo)入Creo 2.0軟件中進(jìn)行集成建模。

在Creo 2.0軟件中，可以對(duì)模型進(jìn)行重構(gòu)，對(duì)局部曲面或是整體曲面進(jìn)行細(xì)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(diǎn)和截面曲線、特征線和邊界線為參考基準(zhǔn)來(lái)創(chuàng)建的，可以通過(guò)調(diào)整各個(gè)曲線的曲率來(lái)得到理想的曲面，可以用著色曲率分析工具對(duì)曲面進(jìn)行曲率分析，驗(yàn)證曲面的光順程度。

在導(dǎo)入特征標(biāo)識(shí)前，插入坐標(biāo)系和基準(zhǔn)平面，再以掃描得到的模型為參考，運(yùn)用邊界混合和造型命令對(duì)另一個(gè)零件進(jìn)行正向建模設(shè)計(jì)，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求，完成另一零件的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)正逆向結(jié)合的集成建模。

5 農(nóng)用電動(dòng)汽車(chē)殼體造型的應(yīng)用實(shí)例

以農(nóng)用電動(dòng)汽車(chē)殼體造型設(shè)計(jì)為例，車(chē)燈模型為已有的曲面模型，這時(shí)需要逆向技術(shù)獲取車(chē)燈的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中要全方位平穩(wěn)掃描，掃描后得到多個(gè)數(shù)據(jù)文件，分別對(duì)得到的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。

由于人為因素和環(huán)境因素導(dǎo)致噪點(diǎn)的出現(xiàn)，需對(duì)噪點(diǎn)部位進(jìn)行初步除噪。然后對(duì)多個(gè)掃描數(shù)據(jù)文件進(jìn)行兩兩擬合[7]，融合成1個(gè)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(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)微配準(zhǔn)[8]，由于車(chē)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(xì)微配準(zhǔn)合成后對(duì)模型棱角突出的地方，用光滑擦進(jìn)行光順處理，去除毛刺。對(duì)存在漏洞的模型曲面，運(yùn)用邊緣工具進(jìn)行填補(bǔ)，從而獲得1個(gè)相對(duì)完整的模型數(shù)據(jù)。補(bǔ)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(dǎo)入到Geomagic Studio軟件中進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)優(yōu)化處理。在Geomagic軟件中，對(duì)農(nóng)用電動(dòng)汽車(chē)車(chē)燈數(shù)據(jù)處理主要包括：清除外點(diǎn)和噪點(diǎn)、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)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(jìn)行了外點(diǎn)和噪點(diǎn)的清除處理，但是為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在Geomagic Studio中仍需做進(jìn)一步的處理。將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用軟件自動(dòng)檢測(cè)外點(diǎn)， 系統(tǒng)會(huì)選擇在拐角處離主點(diǎn)云很近但不屬于主點(diǎn)云的點(diǎn)，然后刪除對(duì)象；還可用選擇工具進(jìn)行手動(dòng)移除。改變平滑度水平，打開(kāi)顯示偏差，設(shè)置預(yù)覽點(diǎn)為3 000，代表被封裝和預(yù)覽點(diǎn)的數(shù)量。處理的結(jié)果如圖4所示。

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型重新封裝成三角面模型，運(yùn)用網(wǎng)格醫(yī)生對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析檢驗(yàn)，檢測(cè)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(yàn)結(jié)果，對(duì)其進(jìn)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(yùn)用軟件進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系運(yùn)算時(shí)，占用計(jì)算機(jī)很大的內(nèi)存，從而減緩計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。如果對(duì)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(jìn)行簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，在Geomagic Studio設(shè)置1個(gè)改變減少百分比就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)效果。數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)后可能造成車(chē)燈表面不光順問(wèn)題，利用Geomagic軟件中的去除特征、砂紙、松弛、邊界編輯等命令對(duì)表面進(jìn)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(jìn)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(jì)出更加生動(dòng)逼真的造型。參數(shù)化曲面后軟件自動(dòng)生成NURBS曲面，對(duì)輪庫(kù)線進(jìn)行局部微小調(diào)整，使其輪廓更加接近車(chē)燈的真實(shí)輪廓，同時(shí)也要保證整體輪廓的相對(duì)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(chē)燈數(shù)據(jù)模型保存成OBJ格式，導(dǎo)入Creo 2.0軟件中進(jìn)行造型建模。在Creo軟件中也可以對(duì)局部曲面或是整體曲面進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，從而設(shè)計(jì)出更加完美的車(chē)燈。打開(kāi)汽車(chē)車(chē)燈的三維模型，在特征標(biāo)識(shí)前建立坐標(biāo)系和3個(gè)基準(zhǔn)面，在基準(zhǔn)面、坐標(biāo)系和車(chē)燈模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用邊界混合和造型命令進(jìn)行殼體曲面的建模設(shè)計(jì)，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(gè)軟件都有其在某方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，各類(lèi)軟件優(yōu)點(diǎn)的綜合應(yīng)用是建模設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(zhǔn)確性，減小了與實(shí)際物體的尺寸誤差，保證了模型的精確度，為正逆設(shè)計(jì)提供了前提基礎(chǔ)；另一方面，將逆向設(shè)計(jì)軟件和正向設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)點(diǎn)巧妙結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了雙方的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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