伍詠暉，嚴(yán)桂英

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007）

軟件應(yīng)用

基于Geomagic和快速成型的產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)

伍詠暉，嚴(yán)桂英

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007）

采用Geomagic逆向工程軟件，將逆向工程與快速成型相結(jié)合，對茶壺實(shí)物進(jìn)行數(shù)字采集與處理、模型三維重構(gòu)與快速成型制造，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速三維設(shè)計(jì)與成型。逆向設(shè)計(jì)加快了產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)程，能快速滿足社會需求。

Geomagic；快速成型；逆向設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，逆向工程技術(shù)與快速成型技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。在產(chǎn)品開發(fā)中采用逆向工程技術(shù)，可以快速重構(gòu)出實(shí)物原型的數(shù)字模型，還可以根據(jù)需要在原型的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。快速成型技術(shù)可以將設(shè)計(jì)好的數(shù)字模型快速轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品原型件，且在制造過程中不受到模型外形與結(jié)構(gòu)的影響。因此在復(fù)雜曲面產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，采用逆向工程與快速成型相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速三維設(shè)計(jì)與成型［1］。

傳統(tǒng)的逆向設(shè)計(jì)一般采用逆向軟件和正向三維CAD軟件將點(diǎn)云進(jìn)行處理后，按點(diǎn)線面的構(gòu)建方式，將點(diǎn)連成線，線構(gòu)成面，再經(jīng)過布爾運(yùn)算構(gòu)建出實(shí)體三維模型［2］。這種方法對尺寸精度、質(zhì)量要求不太高的復(fù)雜不規(guī)則曲面模型，如玩具、工藝品等產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)流程較為復(fù)雜，對設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要求也比較高。此外，設(shè)計(jì)好的曲面模型需要制作樣品時(shí)，采用傳統(tǒng)加工方法成本高、制作周期長，不利于新產(chǎn)品的快速開發(fā)。

Geomagic逆向工程軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡單方便，且可以快速構(gòu)建出所需的復(fù)雜不規(guī)則曲面。因此，本文在逆向設(shè)計(jì)中采用Geomagic逆向軟件，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，直接在Geomagic軟件中構(gòu)建出NURBS曲面［3］。將擬合出的曲面導(dǎo)入三維CAD軟件，經(jīng)過相應(yīng)操作生成三維實(shí)體模型，最后利用快速成型技術(shù)快速制作出實(shí)物模型。利用Geomagic軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能與便捷的曲面設(shè)計(jì)功能，結(jié)合功能齊全的三維CAD軟件及簡單快速的快速成型技術(shù)，可快速設(shè)計(jì)與制作出復(fù)雜不規(guī)則曲面模型，縮短了開發(fā)周期，降低了研發(fā)成本，為玩具、工藝品等復(fù)雜曲面產(chǎn)品的快速開發(fā)提供了一種新的途徑。以下以茶壺為例，采用Geomagic逆向工程軟件，將逆向工程與快速成型相結(jié)合，對茶壺實(shí)物進(jìn)行數(shù)字采集與處理、模型三維重構(gòu)與快速成型制造。

1　基于Geomagic和快速成型的茶壺逆向設(shè)計(jì)

1.1茶壺點(diǎn)云采集

本文采用3D CaMega PCP-300便攜式光學(xué)三維掃描系統(tǒng)進(jìn)行茶壺的數(shù)據(jù)采集。PCP便攜式光學(xué)三維掃描系統(tǒng)是將多組光柵條紋投影到實(shí)物表面，由CCD將拍攝到的條紋圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，根據(jù)條紋按曲率變化的形狀，利用相位法和三角法等精確計(jì)算出實(shí)物表面的點(diǎn)的空間坐標(biāo)，形成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。多方位測量時(shí)，不需要粘貼標(biāo)記點(diǎn)，可利用紋理特征實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拼接，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定精確。

采集前，先將茶壺表面清洗干凈，同時(shí)因?yàn)椴鑹乇旧眍伾^暗，需要在茶壺表面噴上反差增強(qiáng)劑，使茶壺表面反射的光線得以充分接收，茶壺實(shí)物如圖1所示。在掃描過程中，為將茶壺的全部輪廓掃描完整，需將茶壺放在轉(zhuǎn)盤中間，在轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)的多個(gè)角度分別進(jìn)行多次拍攝，獲得茶壺外形的多個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過掃描系統(tǒng)的CloudForm三維數(shù)據(jù)處理軟件，利用茶壺表面的紋理和特征點(diǎn)，對不同方位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)拼接，形成完整的茶壺三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1　茶壺實(shí)物

1.2茶壺點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

打開Geomagic軟件，導(dǎo)入茶壺三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)因各種因素的影響存在著錯(cuò)誤信息，必須進(jìn)行相應(yīng)處理。多次利用體外孤點(diǎn)命令，刪除體外孤點(diǎn)；利用減少噪音命令，去除噪音點(diǎn)；利用統(tǒng)一采樣命令，降低點(diǎn)云數(shù)據(jù)集的密度。經(jīng)過處理的茶壺點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2　茶壺輪廓點(diǎn)云

1.3茶壺三角網(wǎng)絡(luò)面生成與NURBS曲面重建

將茶壺點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝成初始三角網(wǎng)絡(luò)面后，需要通過相關(guān)命令來調(diào)整三角網(wǎng)絡(luò)面，改善曲面質(zhì)量?？衫锰畛淇住⑷コ卣?、網(wǎng)格醫(yī)生、簡化多邊形、砂紙及松弛等命令實(shí)現(xiàn)三角面片的規(guī)則化，使茶壺模型表面更加平滑光順，如圖3所示。由于茶壺輪廓的紋路不明顯，在此采用“探測曲率”命令，創(chuàng)建輪廓線。通過利用構(gòu)建曲面片、修理曲面片及松弛曲面片等命令，創(chuàng)建與編輯出茶壺曲面，再通過構(gòu)造柵格，形成U、V控制線，如圖4所示。最后利用擬合曲面命令構(gòu)建出較高質(zhì)量和較少面的茶壺NURBS曲面，如圖5所示

圖3　茶壺三角網(wǎng)絡(luò)面

圖4　茶壺柵格圖

圖5　茶壺NURBS曲面

2　茶壺三維實(shí)體模型創(chuàng)建與快速成型

將茶壺NURBS曲面以STEP格式導(dǎo)入到UG軟件中，通過縫合、拉伸、修剪片體、回轉(zhuǎn)、修剪體、管道等命令，經(jīng)過創(chuàng)建與編輯曲面生成三維實(shí)體模型，如圖6所示。將茶壺三維模型進(jìn)行STL格式轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行相應(yīng)修補(bǔ)處理，最后轉(zhuǎn)換成快速成型機(jī)所需的STL格式文件，采用國產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型TSJ成型機(jī)進(jìn)行茶壺的快速制造，TSJ成型機(jī)采用熔融粘結(jié)成型機(jī)理，通過加熱絲狀熱塑性材料至熔融態(tài)，按照截面的二維輪廓進(jìn)行涂覆，形成截面輪廓，并逐層堆積成實(shí)物原型。該工藝采用加熱方式，不需要激光系統(tǒng)，可靠性高，使用成本低。在TSJ成型機(jī)上設(shè)置好成型參數(shù)，加工出茶壺原型件，如圖7所示。

圖6　茶壺三維實(shí)體模型

采用逆向工程與快速成型技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。利用Geomagic軟件，可快速重構(gòu)出實(shí)物原型的三維曲面，并可進(jìn)行修改與創(chuàng)新再設(shè)計(jì)；利用快速成型技術(shù)可根據(jù)設(shè)計(jì)快速制造出原型件，加快了產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)程，提升了企業(yè)競爭力，能快速滿足社會需求。

圖7　茶壺快速成型件

3　結(jié)束語

［1］陳田，全志龍，王旭，等.基于逆向工程的典型零件快速成型及誤差分析［J］.上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，18（6）：311-315.

［2］謝英星，張曉紅.基于Geomagic Studio和快速成型技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)［J］.工具技術(shù)，2015，49（6）：61-65.

［3］張軍，梁楚華.基于GEOMAGIC的實(shí)體模型逆向重構(gòu)［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010，162（5）：192-194.

ProductReverse Design Based on Geomagic and Rapid Prototyping

WU Yong-hui，YAN Gui-ying
（Guangxi Technological College of Machinery and Electricity，Nanning Guangxi 530007，China）

With the combination of reverse engineering and rapid prototyping，the Geomagic software can be using to deal with data collecting and processing，3D model reconstruction and rapid prototyping manufacturing for the physical teapot.It can realize 3D rapid design and manufacturing of product.The reverse design can accelerate the product development process and meet the needs of the society quickly.

geomagic；rapid prototyping；reverse design

TH391.7

A

1672-545X（2016）05-0214-02

2016-02-12

廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目［2011］KY02；廣西高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2012JGA333）；廣西高校優(yōu)秀中青年骨干教師培養(yǎng)工程資助成果

伍詠暉（1973-），男，廣西賓陽人，副教授，工學(xué)碩士，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。