覃 群

（江漢大學(xué)智能制造學(xué)院， 湖北 武漢 430056）

引言

傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程一般為：根據(jù)產(chǎn)品的功能需求，構(gòu)思產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)零件圖和裝配體，然后加工生成產(chǎn)品。逆向設(shè)計(jì)是相對(duì)于正向設(shè)計(jì)而言的，它是根據(jù)樣件或者實(shí)物原型，通過(guò)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的處理和模型的重構(gòu)來(lái)獲取產(chǎn)品，逆向設(shè)計(jì)并不是簡(jiǎn)單的仿制，而是在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，不是設(shè)計(jì)的目的，而是設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)環(huán)節(jié)。逆向設(shè)計(jì)方法被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、模具、電子和機(jī)械產(chǎn)品等領(lǐng)域。

本文以一款游戲機(jī)手柄為例，如圖1 所示，論述了基于SolidWorks2021 的逆向建模的主要過(guò)程，并對(duì)于建模過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了解決的辦法和解決技巧。

1 數(shù)據(jù)采集，獲取3D 文件

產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集的方法分為接觸式數(shù)據(jù)采集和非接觸式數(shù)據(jù)采集。接觸式數(shù)據(jù)采集應(yīng)用比較廣的是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，它利用機(jī)械探頭，通過(guò)傳感器將信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；非接觸式測(cè)量，如激光掃描等，應(yīng)用非接觸的方法和原理獲得被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

這兩種獲取數(shù)據(jù)的方法各有優(yōu)劣，前者測(cè)量物體邊界比較精確，但是速度慢、效率較低，后者效率高，但是可能會(huì)受顏色等因素的影響且成本較高。

本文以激光掃描工具獲得數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到網(wǎng)格3MF 文件進(jìn)行逆向建模。

2 3MF 文件打開(kāi)方法

在SolidWorks 軟件中打開(kāi)3MF 文件，可以是實(shí)體形式或者曲面實(shí)體形式。

如果以曲面實(shí)體的形式打開(kāi)，如圖2-1 所示，軟件只會(huì)導(dǎo)入圖形數(shù)據(jù)，不會(huì)嘗試生成任何的實(shí)體，這樣的數(shù)據(jù)不方便我們后期的建模操作，而以實(shí)體形式打開(kāi)，如圖2-2 所示，后期建模會(huì)更加的方便，所以本文選用實(shí)體形式打開(kāi)。

選擇“實(shí)體”形式的方法有兩種：

1）在“打開(kāi)文件”的對(duì)話框中，點(diǎn)擊“選項(xiàng)”按鈕，如圖3 所示，選擇“實(shí)體”選項(xiàng)。

2）如果想每次打開(kāi)軟件，都默認(rèn)選“實(shí)體”選項(xiàng)，可以在軟件的選項(xiàng)- 系統(tǒng)選項(xiàng)- 導(dǎo)入- 文件格式（選3MF）- 實(shí)體中進(jìn)行設(shè)置，主要設(shè)置后，軟件每次打開(kāi)3MF 文件就默認(rèn)是以實(shí)體形式打開(kāi)了。

3 零件三維重建的主要過(guò)程

三維重建即通過(guò)對(duì)測(cè)量后得到的3MF 實(shí)體進(jìn)行分割（切片），軟件將分割后的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，最終形成零件原型。

3.1 切片生成輪廓草圖

運(yùn)行切片命令，選擇上視基準(zhǔn)面。切片的數(shù)量可以根據(jù)模型的高度來(lái)調(diào)整，例如，切片數(shù)量為8 個(gè)，距離為20 mm，切片后結(jié)果如圖4 所示。生成了8 個(gè)基準(zhǔn)面，在實(shí)體上有8 個(gè)相交的輪廓草圖。

3.2 修改截面位置

觀察截面在實(shí)體中的相對(duì)位置，在曲面的關(guān)鍵位置最好有截面，這樣重建的曲面更精確。所以切片以后，有些截面的位置需要調(diào)整修改一下。方法如下：

鼠標(biāo)雙擊設(shè)計(jì)樹(shù)上的相應(yīng)的基準(zhǔn)面的草圖，例如基準(zhǔn)面7 的草圖7，然后就可以編輯修改草圖尺寸，如將120 改成125，如圖5-1 所示，修改后要重建模型，重建后的結(jié)果如圖5 中間圖所示，截面上移。同樣的方法，修改截面6 的草圖6，也上移，結(jié)果如圖5-2所示，正好都在曲面的拐點(diǎn)處。

3.3 生成曲面

1）選擇前視基準(zhǔn)面，繪制草圖，運(yùn)行草圖命令-點(diǎn)命令，分別在最上和最下各取一個(gè)點(diǎn)，作為輪廓開(kāi)始和結(jié)尾的點(diǎn)。如圖6-1 所示。

2）選取輪廓點(diǎn)，生成曲面。運(yùn)行曲面- 邊界曲面命令，然后從最下點(diǎn)開(kāi)始，依次往上，每個(gè)輪廓截面上點(diǎn)擊一個(gè)點(diǎn)，以最上點(diǎn)結(jié)束，如圖6-2 所示，生成曲面。

3.4 修改、矯正曲面輪廓

觀察生成的曲面，對(duì)不夠光滑、比較尖的地方，例如最高點(diǎn)處，如圖7-1 所示，需要進(jìn)行修改矯正。方法如下：修改邊界- 曲面的特征，在特征編輯框中點(diǎn)擊最高點(diǎn)，如圖7-2 所示，選方向向量，與上視基準(zhǔn)面平齊，輸入距離值8，即可修復(fù)平滑，結(jié)果如圖7-3 所示。其他不光滑的地方都可以用這個(gè)方法修復(fù)，可以選擇方向向量或者與輪廓垂直的方式來(lái)調(diào)整。

3.5 刪除實(shí)體

在設(shè)計(jì)樹(shù)上選擇“輸入1”即打開(kāi)的3MF 文件的實(shí)體名，然后運(yùn)行“直接編輯- 刪除/保留實(shí)體”命令，將“輸入1”刪除掉。

3.6 分離重建的曲面

如上頁(yè)圖1 所示，該手柄部件由左右兩部分組成，所以在上面生成整體曲面以后，用前視基準(zhǔn)面作為分割平面，運(yùn)行“特征- 分割”命令，將它分成兩個(gè)部分。見(jiàn)下頁(yè)圖8。

4 重構(gòu)曲面中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法

1）在切片生成輪廓草圖的時(shí)候，網(wǎng)格線如果是由許多曲線段組成的，如下頁(yè)圖9-1 所示，這樣對(duì)于后期的建模造型不是很方便，解決的方法是：如下頁(yè)圖9-2 所示，不要選切片編輯框里面的交叉點(diǎn)下面的“精確”選項(xiàng)，切片輪廓就是一個(gè)整圓了，結(jié)果如圖9-3 所示。

2）修改矯正曲面輪廓的時(shí)候，看不到圖7-1 所示的最高的尖點(diǎn)，這是由于“輸入1”輪廓覆蓋住了后來(lái)生成的曲面輪廓。這時(shí)只要鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊設(shè)計(jì)樹(shù)上的“輸入1”，然后點(diǎn)擊“隱藏”按鈕，讓“輸入1”不顯示，就可以觀察到曲面上的尖點(diǎn)了。

5 其他部分的建模造型

正視基準(zhǔn)面上繪制LOGO 草圖，然后運(yùn)行“草圖- 分割”線命令，選擇“投影”選項(xiàng)，點(diǎn)擊手柄兩曲面，讓LOGO 草圖投影到曲面上，如圖10-1 所示。而且此LOGO 將曲面分割成幾個(gè)區(qū)域，為后續(xù)著不同顏色做準(zhǔn)備。著色后效果如圖10-2 所示。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)三維掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)逆向設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后在Soldiworks 軟件中進(jìn)行三維重建，還原零件原型。在此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并為快速成型加工提供基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，逆向建模設(shè)計(jì)可以加快設(shè)計(jì)的速度，提高設(shè)計(jì)的效率和造型的效果。