楊建明，唐成榮

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫交通分院，江蘇 無錫 214046)

基于Geomagic軟件的自行車頭盔逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

楊建明，唐成榮

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫交通分院，江蘇 無錫 214046)

基于Geomagic軟件進(jìn)行了自行車頭盔的逆向工程技術(shù)掃描、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、CAD模型的重建、產(chǎn)品質(zhì)量分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究。結(jié)果表明：采用逆向工程技術(shù)，可以建立復(fù)雜的NURBS曲面，解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在復(fù)雜模型設(shè)計(jì)方面的缺陷，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)能夠更好地滿足客戶個(gè)性化的需求，有效縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

Geomagic；逆向工程；NURBS曲面；模型設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展, 更多用戶從追求產(chǎn)品的功能轉(zhuǎn)向追求產(chǎn)品的個(gè)性化，這種轉(zhuǎn)變也暴露出傳統(tǒng)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的弱點(diǎn)，傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)理念遇到前所未有的挑戰(zhàn)，而數(shù)字化的逆向設(shè)計(jì)能較好地解決這一問題。

1 逆向工程技術(shù)的設(shè)計(jì)流程

本文利用3D數(shù)字化掃描技術(shù)與逆向工程技術(shù)的融合進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，逆向工程技術(shù)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

采用逆向工程技術(shù)的關(guān)鍵是要全面、快速、準(zhǔn)確地獲取實(shí)物原型的三維數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否，直接影響到逆向工程技術(shù)后期設(shè)計(jì)的成敗。數(shù)據(jù)的采集是指采用某種測(cè)量方法和設(shè)備測(cè)出實(shí)物表面若干組點(diǎn)的幾何坐標(biāo)[1]。按照與被測(cè)實(shí)體對(duì)象表面是否接觸，數(shù)據(jù)的采集可以分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢悺?/p>

接觸式測(cè)量是以三坐標(biāo)測(cè)量為代表的傳統(tǒng)的測(cè)量方式，雖然其測(cè)量精度較高，但容易劃傷被測(cè)零件的表面或者損傷測(cè)頭，而且接觸式測(cè)量速度較慢，設(shè)備對(duì)工作環(huán)境要求較高。

非接觸式測(cè)量是指利用激光線結(jié)構(gòu)光掃描等方法與物體表面發(fā)生相互作用來獲取實(shí)體三維信息的一種測(cè)量方法。非接觸式測(cè)量具有檢測(cè)速度快、測(cè)量設(shè)備不與被測(cè)零件接觸的優(yōu)點(diǎn)，非接觸式測(cè)量在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

2 對(duì)實(shí)物進(jìn)行3D掃描

三維掃描儀是以激光掃描技術(shù)為基礎(chǔ)，利用數(shù)字影像技術(shù)，將掃描獲取的視覺信號(hào)經(jīng)過計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),存儲(chǔ)在影像卡上[2]。數(shù)字影像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。利用三維掃描技術(shù)，將掃描的三維影像像素進(jìn)行技術(shù)處理后，便可作為三維輪廓的點(diǎn)云圖像。

3 軟件建模和質(zhì)量檢測(cè)

Geomagic Studio軟件是美國Raindrop公司出品的逆向工程和三維檢測(cè)軟件，它可根據(jù)物體掃描所得的點(diǎn)陣模型創(chuàng)建出良好的多邊形模型或網(wǎng)格模型，并將它們轉(zhuǎn)換為NURBS曲面[3]。Geomagic Studio軟件可以讀取多種三維掃描儀的掃描信息并進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、NURBS曲面構(gòu)建等。特別是采用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)算法，克服了其他同類軟件拓?fù)溥\(yùn)算速度慢的弊端。Geomagic Studio軟件的整體工作流程[4]如圖3所示。

Geomagic Qualify是Geomagic公司出品的快速檢測(cè)軟件[5]。使用Geomagic Qualify可以迅速檢測(cè)產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)模型和產(chǎn)品差異，并以直觀的圖形顯示比對(duì)結(jié)果。Geomagic Qualify不僅可應(yīng)用于產(chǎn)品的檢測(cè)，而且可以進(jìn)行趨勢(shì)分析，形成格式化的分析報(bào)告。

4 實(shí)例分析

本文采用Geomagic Studio軟件，將自行車頭盔參數(shù)曲面、實(shí)約束曲面進(jìn)行擬合，通過調(diào)整曲面片的布局，將重構(gòu)曲面與多邊形網(wǎng)格進(jìn)行比較，結(jié)果模型導(dǎo)出為IGES或STEP文件[6]，最后將參數(shù)化的模型導(dǎo)入三維CAD 軟件，并在三維CAD軟件中進(jìn)行個(gè)性化創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

4.1頭盔掃描

天遠(yuǎn)三維科技公司生產(chǎn)的OKIO-H型三維掃描儀(圖4)，采用進(jìn)口高精密工業(yè)131萬像素CCD傳感器，利用它對(duì)自行車頭盔實(shí)物進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的測(cè)量，獲取自行車頭盔的表面數(shù)據(jù)，并輸入到計(jì)算機(jī)中[7]。

4.2重建三維曲面模型

通過掃描取得實(shí)物數(shù)據(jù)以后，利用Geomagic Studio軟件對(duì)掃描采集的點(diǎn)云進(jìn)行處理和分析，并重建自行車頭盔的三維曲面模型。具體操作步驟如下：(1)手動(dòng)刪除雜點(diǎn)，減少噪聲處理，對(duì)掃描的點(diǎn)云進(jìn)行拼接。(2)通過軟件的自動(dòng)計(jì)算，將點(diǎn)轉(zhuǎn)換成三角面，并保存為STL文件。(3)構(gòu)造參數(shù)化曲面，合并、擬合曲面，修剪并縫合，最后保存為IGES或STEP文件。Geomagic Studio處理過程如圖5所示。

4.3對(duì)頭盔進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)

利用Geomagic Qualify軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行3D及2D測(cè)量和比較。導(dǎo)入測(cè)試對(duì)象和參考對(duì)象，將測(cè)試對(duì)象和參考對(duì)象對(duì)齊進(jìn)行3D比較、色譜誤差分析，如圖6所示。

X,Z方向外觀標(biāo)準(zhǔn)偏差2D比較結(jié)果如圖7所示。

3D比較結(jié)果如圖8所示。

通過對(duì)頭盔127 000多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的偏差進(jìn)行測(cè)試、比較和分析，可以看出，該頭盔最大上偏差為8.75mm，最大下偏差為-4.519mm，平均偏差為0.076/-0.101mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為-0.168mm?？梢詫⒊鲎畲蠊罘秶膮^(qū)域規(guī)定為不合格區(qū)域，并按重建三維模型步驟進(jìn)行修改，直至各區(qū)域都滿足偏差要求。

4.4導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件曲面或?qū)嶓w重構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)

根據(jù)逆向成型技術(shù)，利用UG軟件設(shè)計(jì)出滿足個(gè)性化要求的新產(chǎn)品，如圖9所示。本作品在原型基礎(chǔ)上，不僅設(shè)計(jì)了更加完美的外形，而且還增加了以下功能：(1)配備藍(lán)牙耳機(jī)，方便接聽電話，也可以娛樂聽歌。(2)頭盔左邊設(shè)有1 400萬像素的紅外線相機(jī)，相機(jī)裝在眼睛邊上，可自由活動(dòng)。(3)設(shè)有尾燈，提高夜間的安全性。

5 結(jié)束語

3D數(shù)字掃描系統(tǒng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)師與逆向工程CAD/CAM/CAE/RP/CNC之間扮演了一座橋梁的角色，它的應(yīng)用有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間；GeomagicStudio/Qualify將產(chǎn)品參數(shù)化模型無縫轉(zhuǎn)換至三維CAD軟件，并對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，方便在三維軟件中進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)及CAM加工。

采用逆向工程技術(shù)，可以建立復(fù)雜的NURBS曲面，解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在復(fù)雜模型設(shè)計(jì)方面的缺陷，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)能夠更好地滿足客戶個(gè)性化的需求。設(shè)計(jì)人員在采用逆向工程技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，能夠充分發(fā)揮個(gè)人的創(chuàng)意，快速、高效地設(shè)計(jì)出滿意的作品，有效縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，推動(dòng)制造業(yè)的發(fā)展。本文的研究方法，為同行提供了有價(jià)值的參考。

[1] 李響,張海敏，徐人平，等.逆向工程在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 輕工機(jī)械，2010(1):102-106.

[2] 葉曉平.激光掃描技術(shù)在逆向工程中的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2004(2):69-70.

[3] 陳裕芹，成思源，鄒付群，等.基于GeomagicStudio的葉片修復(fù)與曲面建模[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,28(3):70-73.

[4] 胡影峰.GeomagicStudio軟件在逆向工程后處理中的應(yīng)用 [J].制造業(yè)自動(dòng)化，2009(9):135-137.

[5] 鄒付群，成思源，李蘇洋，等.基于GeomagicQualify軟件的沖壓件回彈檢測(cè)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2010(4):79-81.

[6] 成思源，謝韶旺.GeomagicStudio逆向工程技術(shù)及應(yīng)用[M].北京： 清華大學(xué)出版社,2010.

[7] 金濤, 童水光. 逆向工程技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

Study on bicycle helmet reverse innovation design based on Geomagic

YANG Jianming, TANG Chengrong

(Wuxi Communications Branch of Jiangsu Union Technical Institute, Jiangsu Wuxi, 214046, China)

Based on Geomagic, it applies the reverse engineering techniques, scans the bicycle helmet, discusses the reconstruction of data acquisition, data processing, CAD models, product quality and innovative design. Based on reverse engineering techniques, it creates complex NURBS surfaces. This method avoids the traditional design defect in the design of complex models, meets the customer needs. The innovative design based on reverse engineering technology is possible to quickly and efficiently design a satisfactory work and promote the development of the manufacturing sector.

Geomagic; NURBS surface; reverse engineering; model design

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.03.012

2015-01-30

楊建明(1970—)，男，江蘇溧陽人，江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫交通分院副教授，主要研究方向?yàn)槟＞咴O(shè)計(jì)與制造。

TP391.7

B

2095-509X(2015)03-0057-03