祝洲杰

(浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江杭州 310053)

基于多軟件的逆向建模定制化產(chǎn)品設(shè)計*

祝洲杰

(浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江杭州 310053)

針對目前工業(yè)產(chǎn)品體現(xiàn)出的定制化特性,提出了一種基于多軟件的產(chǎn)品設(shè)計方法。首先,利用逆向設(shè)計軟件對參照產(chǎn)品進行逆向建模,獲得參數(shù)化的數(shù)據(jù)模型;其次,在該模型的基礎(chǔ)上,通過引入圖形處理軟件解決了基于復(fù)雜圖案等元素進行實體特征建模的難題,使定制化設(shè)計實現(xiàn)了從參照產(chǎn)品到個性定制的銜接。該方法利于設(shè)計創(chuàng)新,能大幅縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

定制化設(shè)計;逆向建模;參數(shù)化;圖元;矢量化

0 引 言

從工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計與制造的宏觀發(fā)展歷程看,可以分為少量定制、少量標準化、大批量標準化生產(chǎn)、大批量定制化和個性化量產(chǎn)[1]五個階段。隨著供需關(guān)系的變化和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)化時代的到來,整個行業(yè)逐漸從“福特”式的批量時代走向個性化量產(chǎn)時代。設(shè)計師的工作不再是只考慮產(chǎn)品功能的實現(xiàn),在設(shè)計中融入客戶多樣化需求的定制由于能使產(chǎn)品具備更鮮明的個性而越來越受到關(guān)注和青睞。

而在定制化設(shè)計中,設(shè)計師往往會遇到兩方面的問題：①客戶提出的定制要求,往往可以從現(xiàn)有工業(yè)產(chǎn)品中找到原型,若以此原型為基礎(chǔ)進行再設(shè)計,可比從零開始設(shè)計節(jié)約大量成本和時間,但數(shù)據(jù)模型難以獲得;②往往會遇到需要定制復(fù)雜的圖案或花紋等元素的場合,此類要求則既費力又難做,該部分設(shè)計師較為頭疼。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,以上所述的兩方面問題通過多種軟件的結(jié)合使用已能方便快捷地解決。筆者以不甚規(guī)則的個性化手機殼設(shè)計過程為例,對該實施方案和操作流程進行了詳細的論述。

1 快速參數(shù)化逆向建模

如前所述的第一方面問題,對于定制化設(shè)計來說,設(shè)計師最需要的是參照產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型,而現(xiàn)實中則往往只能得到實物樣件或圖片,無法直接進行后續(xù)設(shè)計[2]。而通過逆向建模技術(shù),可以將這些資料轉(zhuǎn)化為三維參數(shù)化模型,問題即引刃而解,此為定制化設(shè)計的第一步。

逆向建模技術(shù)基本沿襲的是數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征重構(gòu)、數(shù)據(jù)化建模的構(gòu)建步驟,本質(zhì)上是將通過數(shù)據(jù)采集方法獲得的被測產(chǎn)品點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為各類三維建模軟件可編輯的參數(shù)化模型的過程。

常用的逆向軟件分為兩類：①一些商品化建模軟件集成的逆向模塊,如PTC的Pro/Scan-tools模塊、UG的Point cloudy模塊等;②專用開發(fā)的逆向建模功能軟件,如Imagware、Geomagic Studio等,作為專用的逆向工程軟件,其在點云數(shù)據(jù)處理方面更專業(yè)[3]。

因此在本例中,筆者選擇使用Geomagic軟件進行數(shù)據(jù)處理。首先是通過數(shù)據(jù)采集的方式獲得參照產(chǎn)品(手機殼)的點云數(shù)據(jù),導(dǎo)入Geomagic Studio進行數(shù)據(jù)拼合,得到完整的點云模型,如圖1所示。

事實上,Geomagic軟件的逆向數(shù)據(jù)處理過程基本遵循的路線是經(jīng)點數(shù)據(jù)封裝后轉(zhuǎn)為多邊形處理再進入模型表面擬合階段從而實現(xiàn)最后的參數(shù)化。

由于測量中受到的人為因素或隨機因素的影響,點云數(shù)據(jù)會包含大量噪聲和壞點,因而需要應(yīng)用Geomagic軟件中的各項功能實現(xiàn)模型的去噪、濾波、平滑和數(shù)據(jù)精簡處理,模型完成三角網(wǎng)格化處理[4]。

在進入多邊形處理階段,可使用軟件對模型的三角網(wǎng)格進行篩查,圖2為網(wǎng)格篩查后的問題結(jié)果。針對這些問題,可以使用軟件自帶的數(shù)據(jù)修復(fù)、松弛、簡化、光滑、邊界處理等操作獲得理想完整的多邊形模型[5]。至此,模型的數(shù)據(jù)都已從點擬合成了多邊形,大量的錯誤數(shù)據(jù)已被移除。

圖1 參照產(chǎn)品的點云模型

在確認去除了網(wǎng)格數(shù)據(jù)問題后,需要將數(shù)據(jù)模型通過軟件精確參數(shù)化后擬合成準確的曲面才能生成標準三維建模軟件可打開的STP或IGS格式的文件,方可進行后續(xù)的編輯和設(shè)計。Geomagic軟件設(shè)置了兩種方式供選擇完成該步驟。第一種是通過精確曲面的“自動造面”來構(gòu)件格柵,從而后臺自動擬合出最后的曲面;如果遇到結(jié)構(gòu)較復(fù)雜或不規(guī)則表面較多時,可采用第二種方法,即“參數(shù)曲面構(gòu)造”,通過手動編輯輪廓線來分類分段擬合和修復(fù)曲面,得到準確的參數(shù)化模型。本例由于曲面較少,結(jié)構(gòu)較簡單,故采用了軟件自動造面的方法完成該步驟,最后生成了STP格式文件。至此,模型的逆向建模及參數(shù)化已經(jīng)完成,可以基于各主流三維建模軟件在該模型上進行任意編輯特征和設(shè)計嘗試。

2 復(fù)雜元素定制解決方法

在講求個性的定制化產(chǎn)品設(shè)計時代,關(guān)于復(fù)雜元素的處理問題逐漸凸顯了出來。隨著工業(yè)3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展,一些原本只屬于工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的概念化的想法逐漸有了實現(xiàn)的可能性,為定制化量產(chǎn)提供了極大的便利。

此類問題的最大難點在于往往復(fù)雜的圖案或花紋元素都是由客戶提供的樣張,基本以圖片的形式存在。由于圖元本身不具備矢量性,三維建模軟件對于此類圖元幾乎沒有支持,處理比較困難。

以Pro/E為例,對于此類問題,工業(yè)設(shè)計人員的處理方式大多是在需要基于此類元素進行實體特征的基準面上通過“跟蹤草繪”命令插入圖片,然后進入草繪界面通過臨摹的方法將圖案和花紋元素通過繪制輪廓線的方式重新勾一遍。由于繪制的輪廓線是具備矢量性的,即可以此草繪進行實體特征編輯,完成設(shè)計。該方法雖能解決復(fù)雜元素設(shè)計問題,但需一筆一筆進行臨摹,效率極低,在需要頻繁更換復(fù)雜圖元的定制場合,該方法不具備普遍性和可推廣性。

該類問題難以處理的主要原因即在于復(fù)雜圖元本身是不具備矢量性的,無法直接被建模軟件識別進行特征編輯?；诖?若能使用特定的圖片處理軟件將圖元提取出來,使之矢量化,問題將迎刃而解。具備此功能的軟件很多,在本例中,筆者選擇使用Algo-Lab Photo Vector、AutoCAD和Pro/E軟件搭檔完成了手機殼指紋圖案個性定制設(shè)計。

筆者擬加入產(chǎn)品的圖案如圖3所示。該圖案曲線交錯復(fù)雜,若使用傳統(tǒng)的方法解決則工作量大且易出錯。而使用AlgoLab Photo Vector軟件,則能輕松通過軟件的后臺處理得到該圖的矢量化圖元,并保存為AutoCAD軟件可打開的DXF格式,圖4為經(jīng)轉(zhuǎn)化保存的矢量化效果,圖元可經(jīng)由CAD軟件任意編輯操作。

圖4 轉(zhuǎn)化后矢量圖效果

圖3 擬定制圖案

至此,圖元的矢量化已經(jīng)完成,經(jīng)過簡單編輯去除圖元中的壞點,即可將此DXF文件通過Pro/E軟件的“插入共享數(shù)據(jù)”操作放至需要進行實體特征編輯的面或特征基準面上,如圖5所示。由于圖元已矢量化,在草繪中即可直接拾取這些圖元建立基本的實體特征,非常方便快捷,圖6為本例根據(jù)此圖案做出的定制手機殼效果。

圖5 插入圖元效果

圖6 產(chǎn)品最終定制效果

圖7 手機殼手辦模型

通過多軟件的混合使用,可使處理該類問題的效率大大提高,尤其是在需要頻繁更換圖案的產(chǎn)品定制化概念下,該方法減輕了設(shè)計師的負擔,更顯人性化。圖7為將三維模型使用3D打印技術(shù)制作出來的手辦模型。

3 結(jié) 論

以上述模型的設(shè)計建模過程為例,可以看到通過逆向建模和特征參數(shù)化的技術(shù)結(jié)合的方式,極大地便利了設(shè)計師的創(chuàng)作和開發(fā)工作?？梢噪S心所欲地根據(jù)客戶的個性化要求設(shè)計定制產(chǎn)品或根據(jù)樣品進行二次設(shè)計。從市場經(jīng)濟角度看,此方法不僅縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期,提高了工作效率,也給設(shè)計創(chuàng)新提供了無限的空間和可能。

[1] 彼得·馬什.新工業(yè)革命[M].北京：中信出版社,2013.

[2] 田華仁,馮蘭芳,惠延波.基于Geomagic和Pro/E的章魚實體模型逆向造型研究[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2008(1)：94-95.

[3] 代菊英,涂群章,趙建勛.基于Geomagic、Imageware和Pro/E的機械零件逆向建模方法[J].工具技術(shù),2012(5)：55-58.

[4] 丁恩偉.基于Geomagic和UG的快速參數(shù)化逆向建模方法[J].機械研究與應(yīng)用,2012(3)：173-175.

[5] 蔡 敏.基于Geomagic Studio的特征建模技術(shù)研究[J].機床與液壓,2014(11)：142-145.

Customization Design Based on Multi-Software and Reverse Modeling

ZHU Zhou-jie
(Zhejiang Institute of Mechanical&Electrical Engineering,Hangzhou Zhejiang 310053,China)

According to the customized characteristics of the industrial products,a kind of design method based on multi-software is proposed in this paper.Firstly,the reverse design software is used to process the reference product to get the parameterization model;Secondly,based on this model,problems of entity modeling based on the complex patterns and other elements are solved by using the graphic software,and the connection from reference products to customization products is realized.This method is beneficial to innovation,and also can greatly shorten the development cycle.

customized design;reverse modeling;parameterization;element;vector

TP391

A

1007-4414(2015)04-0234-02

2015-06-17

祝洲杰(1984-),男,浙江安吉人,工程師,研究方向：工程機械設(shè)計研究。