基于Geomagic和UG的電吹風曲面重建與結構設計

曾 鋒

（廣東工貿職業技術學院機械工程系，廣東廣州 510510）

0 前言

快速曲面重建是逆向工程軟件系統的發展趨勢。通過簡化從點云生成CAD曲面的流程。縮短了曲面的重建過程，快速曲面重建系統的典型代表主要有Geomagic Stu?dio，其完整流程主要有從點云中重建出三角網格曲面，對三角網格曲面編輯處理，參數化分類處理，擬合成CAD模型。最后導入UG軟件完成產品的結構設計。下面運用上述方法對電吹風的進行曲面重建與結構設計。

1 吹風筒點云處理

1.1 點云數據的獲取

高效、準確地獲取模型的點云數據，是實現逆向工程的關鍵，點云數據的獲取，根據測量方式的不同，可以分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類，本文中，電吹風點云的獲取是通過非接觸式設備進行掃描所得（拍照式掃描儀），拍照式掃描儀的優點為測量效率極高，對于要求精度不高的樣品掃描，可以大幅提高其建模效率。

1.2 點云對齊和優化處理

點云由可表達出模型形狀的大量的點組成。由于掃描儀的掃描技術限制以及掃描環境的影響，不可避免地帶來多余的點云或噪點。所以對點云數據的處理尤為重要。電吹風掃描點云數據中存在兩個問題，兩個點云文件未對齊，以及噪點、雜點過多，如何快速完成點云對齊和優化處理？這些都是需要通過一下的步驟進行優化處理。

手動注冊可分為一點注冊和N點注冊兩種使用方式，對于電吹風點云形狀來說，一點注冊顯然不能對點云進行完全的定位對齊，故進行N點對齊，首先將形狀比較完整的點云文件設為固定數據，另一個作為浮動數據，如圖1所示，從固定數據點云中選擇三個明顯的特征點，進行作為定位的基準，然后在浮動數據中選擇與之對應的位置，成功將兩個點云模型對齊。如圖2所示，兩個點云文件已經成功對齊，完成手動注冊之后，需要對模型進行全局注冊。

對點云進行聯接點對象，電吹風點云存在大量的雜點離散點，需要對其進行選擇，并對其進行刪除操作，在Geomagic studio中對點云中的雜點、噪點有以下操作：非連接項命令選擇的是偏離主點云的點束，這個命令有兩個選項來調節其選擇范圍，下拉菜單中分為，高、中、低選項，表示點束距離主點云距離的大小。體外孤點命令選擇偏離主點云的三點，敏感性值越大，偏離主點云越小的點則會被選擇。減少噪音有助于于減少主點云在掃描中的噪音點。點云一般都需要進行以上三項的處理，然而，當使用了以上三項命令，如仍然無法清除雜點，需要手動進行選擇刪除，選擇的命令主要有套索，畫筆選擇工具。

圖1 固定數據與浮動數據

1.3 點云采樣

在很多情況下，從掃描儀中的得到的原始點云數據很大，為提高效率可以對點云數據進行采樣。該軟件提供了四種采樣模式：統一采樣、曲率采樣、等距采樣和隨機采樣。在一般情況中，采用統一采樣，統一采樣使平坦曲面上的點數目減少量一致，但以規定密度減少曲面上的點數目，然后對點云進行封裝，進入到多邊形階段。輸入定義點云間距，輸入0.15，完成對點云數量的精簡。

2 點云的多邊形階段

2.1 Geomagic studio中關于填充孔的問題以及填充技巧

點云經過三角化處理進入多邊形階段，多邊形階段的模型即大量的由點與點之間拼接成三角形而組成。由于通常會存在多余的、錯誤的或表達不準確的點，因此由這些點構成的三角形也要進行刪除或其他編輯處理。

對于點云質量較差的情況，在封裝之后，會出現破面，空孔，如圖3所示，可以使用填充單個孔進行修復，填充分為內部孔、邊界和橋接三種方式，按實際情況使用[5]。填充中的技巧：在通常的填充孔過程中，有時直接填補孔洞的效果差強人意，這種情況。可以把孔周圍的三角面刪除，再進行填充。

圖3 電吹風點云封裝后產生的空孔

圖2 對齊數據

2.2 三角面的松弛問題以及簡化、網格醫生命令的使用

在多邊形階段，松弛命令的使用十分敏感，通常情況下不要進行過分的改動，否則會造成模型的變樣，盡量不要對整體進行松弛操作，可以通過選取局部面，對局部進行松弛處理。網格醫生命令可以清除三角面中存在釘狀物，小通道等缺陷。運用簡化命令，可以通過設置百分比來實現對三角面的精簡，在電吹風三角面中，輸入70%完成對三角面的精簡。

2.3 電吹風模型坐標的對齊

對模型形狀進行分析，電吹風主體可以由旋轉產生，把手上表面為平面，根據以上的分析，利用Geomagic stu?dio特征工具中直線（圓柱/圓錐/旋轉軸）和平面（最佳擬合、過點垂直于）命令，構建將用于對齊全局坐標的特征，將模型與坐標系對齊。

2.4 去除特征以及松弛邊界

對于模型中存在的一下缺陷以及細小特征，使用套索工具圈選特征，在多邊形工具條里使用去除特征功能，可獲得優化后的模型形狀，對于模型邊界不平整的部分，使用編輯邊界命令，調整控制點以及張力，獲得平滑的邊界。

3 構建參數曲面階段

構建參數曲面流程：探測區域→編輯輪廓線→區域分類→擬合曲面→擬合連接→裁剪縫合曲面。

3.1 探測區域，編輯輪廓線

執行探測區域命令，并計算生成分隔符，對生成錯誤的分隔符進行刪除，使用畫筆選擇工具繪制分隔符界線。對區域進行抽取線條操作，利用編輯輪廓線，對輪廓線進行優化，合理布局，目的是為了區分每一個面的特征。

3.2 區域分類，擬合曲面

區域分類的意義在于定義曲面類型，電吹風曲面類型可分為平面、旋轉、掃描、自有形態，通過選中面區域，利用區域分類，可對其進行定義。選中已分類曲面進行擬合生成曲面。

3.3 擬合連接，裁剪縫合

通過定義曲面相接處的連接形態，來擬合兩個曲面，在電吹風模型中，主要連接形狀有尖角，半徑，以及自由形態，當擬合曲面之間完成時即可縫合曲面。

4 UG軟件建模

4.1 對導入的曲面進行優化

根據上步所縫合的曲面，保存為IGS格式，將其導入UG軟件中進行處理。對于質量較差的點云，所生成的曲面帶有缺陷，造成在造型軟件中，無法進行縫合及鏡像特征，在這種情況下，曲面無法實現實體化生成，對于外形精度不高的產品，可以在UG草繪環境中進行對其輪廓線的提取，分析其形狀的組成，合理采用回轉等命令，來重造曲面外形。通過上步抽取的面的曲線，對電吹風主體進行回轉曲面創建，把手部分則通過截面及兩條引導線，掃描得到。修剪把手曲面在主體多余的伸出項，對電吹風出風口位置以及把手的下端，使用有界平面命令對其進行封口，完成后依次將所有曲面縫合，繼而生成實體模型，如圖4所示。

圖4 生成實體模型

4.2 模型分型面的選擇

塑料模具的分型面選擇是否合理，關系到塑料制品的出模、塑料模具結構、塑料模具的使用壽命等，選擇塑料模具分型面需要遵循以下原則：①有利于塑料制品出模；②簡化模具結構；③有利于塑料模具配模；④有利于確保塑料制品的表面質量。在電吹風模型中，選擇分型面，應當以其截面尺寸的最大處為其分型面。

圖6 拉伸實體至止口終止位置

4.3 電吹風前殼的創建

4.3.1 電吹風分型面以及出風口形狀的建立

在電吹風模型中，選擇截面尺寸的最大處為其分型面，在UG中繪制分型面的分型線，如圖5所示，以此曲線拉伸片體，使用修剪體命令，將實體分割為前殼與后殼部分。對電吹風的前殼主體設計主要體現在出風口以及電動機固定結構，在UG中通過對實體進行拆分，偏置面，可以建立主體外形，對實體進行抽殼，以及拉伸求差，制作出風口。

圖5 繪制分型線

4.3.2 在UG中創建止口的技巧

止口分為內止口與外止口，在電吹風前殼的內止口制作中，由于把手位置的分型面為彎曲面，直接提取線條拉伸，會造成曲面間的剪切不完全，所以，在制作止口時，選取一個平面，投影提取所需止口的線條，拉伸實體至止口終止位置，圖6所示終止位置是由分型面偏移4 mm得來，通過該位置對拉伸的實體進行剪切，最終由主體和該拉伸實體求差，得到圖7所示的止口形狀。

圖7 得到的止口形狀

圖8 內部結構

4.3.3 電吹風前殼內部結構的創建

內部結構主要包括了，電動機的固定結構，以及用于裝配的螺柱，開關裝置的安裝限位結構，內部線束的卡位結構，把手下端為線頭卡位結構，如圖8所示。

把止口的限位板與開關固定結構相連，起到既能加強開關結構的強度，又能實現內外止口的裝配定位功能，尖角處倒圓角，起到易于裝配的作用。

由于螺絲柱長度較長，斜度大，低端也大，容易造成縮水，所以在此位置設置加強筋結構。把手下端的螺絲柱于線束的卡位結構一體，在兩者之間布置加強筋。布置加強筋的作用主要有：①在不加大產品品壁厚的條件下，增強制品的強度和剛性，以節約塑料用量，減輕重量，降低成本。②可克服制品壁厚差帶來的應力不均所造成的制品歪扭變形。③便于塑料熔體的流動，在塑件本體某些壁部過薄處為熔體的充滿提供通道。

4.4 電吹風后殼的創建

電吹風后殼的設計部分主要有進風口外形的設計，在此出風口的設計，主要通過UG中的掃描，拉伸與修剪體的命令來實現，設計的原則的在于，兼顧美觀的同時還需要保證產品在制作時的難易程度，合理進行設計，使后殼可以便于模具生產中的制件脫模，如圖9所示。

后殼螺絲柱應當在兩側制作加強筋結構，增強強度，防止縮水，螺絲柱圓柱面應當給予拔模角度（此螺絲柱拔模角度為2h）以便于制作生產中脫模自攻螺絲預制孔的的規格主要有M1.8、M2、M2.5、M2.9、M3、M4，本例子中選用M2預制孔。

后殼伸出項的主要作用是為了與前殼開關的電位結構一起作用，如圖10所示，前殼結構主要起到限制橫向移動，通過后殼伸出項的限制，可限制開關的縱向移動，對開關裝置起到卡位功能，伸出項加強筋在四周面也應該制作拔模角度2h。模塊中的電吹風總裝模型如圖11所示，在UG中真實著色編輯器里進行簡單的效果制作。

圖9 進風口外形的設計

圖10 后殼伸出項結構

4.5 模型的裝配與著色

前后殼的裝配主要通過裝配模塊中約束完成，通過約束前后殼的止口（約束類型為接觸）以及螺絲柱的軸線約束對齊。實現兩者的裝配。基于前殼、后殼通過UG裝配

圖11 電吹風總裝模型

5 結論

隨著產品設計與制造技術的發展，復雜曲面的產品越來越多，逆向工程技術的運用，能大幅度的縮短新產品的設計周期，提高產品競爭力[2-8]。通過激光掃描儀獲取產品點云數據，在Geomagic Studio中快速生成產品的NURBS曲面，然后在UG里面對產品進行修改及結構優化設計，最后通過現代制造技術或者模具技術制作產品，極大地縮短復雜曲面產品的設計制造周期，大幅度降低企業成本，對現代工業產品的設計與制造具有重要意義。

［1］成思源.Geomagic Design Direct逆向設計技術及應用［M］.北京：清華大學出版社，2015.

［2］成思源，楊雪榮.Geomagic Studio逆向建模技術及應用 ［M］.北京：清華大學出版社，2016.

［3］袁鋒.UG逆向工程范例教程（第2版）［M］.北京：機械工業出版社，2014.

［4］葛曉健，曾鋒，謝海東.UG NX8.5建模與加工項目式教程［M］.武漢：華中科技大學出版社，2015.

［5］楊曉雪.Geomagic Design X三維建模案例教程 ［M］.北京：機械工業出版社，2016.

［6］賈林玲.Geomagic Studio逆向工程技術及應用 ［M］.北京：西安交通大學出版社，2016.

［7］丁源.UG NX 10.0中文版從入門到精通 ［M］.北京：清華大學出版社，2016.

［8］方月，劉建英.UG NX 10.0中文版曲面設計案例實戰［M］.北京：清華大學出版社，2015.