基于Geomagic Design X的錘子逆向建模

王颯颯

摘要：運用3D逆向技術，對錘子的曲面進行數據采集和點云處理，本文通過Geomagic Design X對錘子進行逆向數字建模，重構3D數字模型。對重構后的曲面進行精度與質量分析。研究表明，逆向技術是產品實現再生設計與加工的重要手段，是降低成本、縮短新產品開發(fā)周期、提升質量和效率的先進技術。

關鍵詞：逆向工程；逆向建模；Geomagic Design X

中圖分類號：G718 文獻標識碼：B 文章編號：1672-1578（2018）25-0235-02

1.前言

逆向工程的概念是相對于正向工程（Forward Engineering，FE）提出的。逆向工程（Reverse Engineering，RE）也稱反求工程或者反向工程。逆向工程與正向工程的區(qū)別在于設計起點、設計要求不同。基于逆向工程的產品設計就是把現有的產品進行數據還原的過程。簡單地說，逆向工程建模是在沒有原始產品設計數據的情況下，使用測量工具（例如手持式激光掃描儀、三坐標測量機等）快速地獲得產品實物表面的點云或者面片數據，然后將數據導入到建模軟件（Geomagic Design X等）中進行數據處理與模型重建。

2.逆向工程的工作思路

逆向設計的基本思路主要是：模型曲面分析—確定掃描方案—進行實體點云掃描—進行點云數據處理—建立需要的曲線—建立曲面—進行實體建模。其中逆向建模是逆向技術的基礎，主要由數據獲取，數據處理，曲面重構、再設計等幾個部分組成。本文選取在教學實訓中的產品錘子為載體，介紹利用Geomagic Design X軟件對該產品進行逆向建模的過程，主要包括數據采集、數據處理和模型重構等三大關鍵技術。

3.工作流程

3.1 數據采集。對產品點云數據的采集借助RMS-400型三維面掃描抄數機。如圖1所示。

掃描前需要在實物和轉盤上粘貼標志點，原則為：

（1）標志點要盡量粘貼在平面區(qū)域或者曲率較小的曲面，且距離工件邊界較遠一些。

（2）標志點不要粘貼在一條直線上，且不要對稱粘貼。

（3）公共標志點至少為3個，但因掃描角度等原因，一般建議5～7個為宜；標志點應使相機在盡可能多的角度可以同時看到。

（4）粘貼標志點要保證掃描策略的順利實施，根據工件的長、寬、高合理分布粘貼。

運用三維數字測量系統對錘子進行三維掃描，獲得錘子的點云數據，如圖2所示，在掃描的過程中，應該先掃描定位標點，之后再對工件進行掃描，這樣有利于工件正反面的拼接，能有效地保證掃描數據的精度。

3.2 點云數據處理。對點云數據的處理是完成被測物體模型掃描后的第一步，在數據采集中，由于機器及人為操作因素，會引起數據的誤差，掃描出的點云數據包含有多余數據，并且數量龐大，造成被測物體模型重構曲面的不完整，從光順性和精度等方面影響建模質量，為了得到完整的產品原型表面數據，就需要對數據進行精簡優(yōu)化。

利用Geomagic Studio軟件進行點云處理，經過著色點、去除體外孤點、刪除非連接點云、減少噪音等操作可刪除多余數據，最后對處理完的點云進行封裝，封裝成三角面片的形式。得到的三角面片再進行刪除釘狀物、減少噪音、填充孔等操作進行修復。最終導出.stl的點云文件。

3.3 基于Geomagic Design X的逆向建模。模型重建是逆向工程的核心內容，本文基于Geomagic Design X軟件對錘子模型的逆向建模，主要過程如下：

將模型以.stl格式導入到Geomagic Design X軟件中，分別進行以下步驟：

3.3.1 領域劃分。領域是導入曲面模型按相似度劃分成不同的區(qū)域，是曲面模型部分點云集合。領域劃分即對原有模型進行切分，將不規(guī)則曲面模型按照點云集相似度劃分成不同的點云集，曲面模型建模是以領域劃分為基礎的。領域組劃分之后，會以不同顏色標注不同的領域，分割出模型相應的特征，以便于建模。

3.3.2 工作坐標建立。選擇適當的方法建立工作坐標系，觀察產品的特征，優(yōu)先選擇特征最明顯的面或體建立工作坐標系，該零件為對稱件，特征面為橫向和縱向中心平面。利用手動對齊工具將產品橫向和縱向中心平面與系統坐標系對齊，以便提取模型特征。

3.3.3 模型重構。

（1）錘子頭部模型重構。創(chuàng)建面片草圖，截取錘子頭部的藍色端面多線段。如圖3所示。

基于面片多線段進行草圖繪制，根據原模型可以看出，截取的面片草圖是由直線，圓所構成的封閉曲線。利用Geomagic Design X軟件中的草圖工具對草圖進行編輯修改和尺寸約束，使繪制的草圖與實體模型盡量貼合。如圖4所示。

利用繪制的草圖進行實體建模。因錘子頭部是由圓柱體和球體這樣的回轉體組成，所以點擊“創(chuàng)建實體”工具欄中的“回轉”，選擇上一步創(chuàng)建的草圖作為基準草圖進行回轉建模，即可得到錘子的頭部。如圖5所示。

（2）錘子手柄模型重構。創(chuàng)建面片草圖，截取錘子手柄的藍色端面多線段。如圖6所示。

基于面片多線段進行草圖繪制，根據原模型可以看出，截取的面片草圖是由三點圓弧，直線所構成的封閉曲線。利用Geomagic Design X軟件中的草圖工具進行草圖的編輯修改和約束。如圖7所示。

利用上一步創(chuàng)建的草圖進行實體建模。因錘子手柄也是回轉體，所以點擊“創(chuàng)建實體”工具欄中的“回轉”，選擇上一步創(chuàng)建的草圖作為基準草圖進行回轉建模，即可得到錘子的手柄。如圖8所示。

（3）錘子手柄凹槽處的模型重構。

錘子手柄凹槽處的模型重構是本產品的難點。涉及到多個曲面的繪制及剪切。

首先繪制出凹槽上部的圓弧草圖，并選擇“回轉曲面”做出凹槽的上部面片。如圖9所示。

其次繪制出凹槽側面及底部的輪廓草圖，并選擇“曲面拉伸”完成輪廓面片。如圖10所示。

再選擇“剪切曲面”，將前兩步完成的面片進行相互裁剪。如圖11所示。

點擊“剪切”中的“用曲面剪切實體”，利用前一步得到的曲面面片與錘子手柄實體進行剪切，最終得到手柄處凹槽的外形輪廓。如圖12所示。

至此，錘子的所有模型實體重構完成。如圖13所示。

（4）精度分析。在得到模型實體后，Geomagic Design X軟件還可以根據實際情況加入操作者的細節(jié)設計對模型實體進行再設計。對實體進行圓角與精度分析以便檢驗建模的精確性。在對模型實體進行圓角處理過程中既可以依據面片來估算圓角半徑值也可以輸入操作者的設計值，實現參數化設計。對模型完成再設計后，可對實體模型進行精度分析（體偏差），若模型大部分顯示為綠色，說明所創(chuàng)建的實體在誤差允許范圍之內。如圖14所示。若模型大部分顯示橘色和紅色，說明所創(chuàng)建的實體在誤差允許范圍之外，那么需要對面片草圖進行修改。

4.結論

在現代高新技術中，逆向工程是最前沿的高新技術之一。逆向工程不僅僅是產品的仿制，它更肩負著數字模型的還原與再設計的優(yōu)化等多項重任。當前，逆向工程的發(fā)展已取得了長足進展，但產品逆向工程還是一個不完全成熟的過程，各個環(huán)節(jié)仍有待于進一步完善、探索和研究。本文以錘子為例，通過采用三維光學測量系統對錘子進行掃描采集點云數據，然后再處理點云數據，并利用Geomagic Design X對其進行三維逆向建模，通過特征建模不僅能更好地表達原始產品模型的幾何意圖，而且實現了逆向建模與正向建模技術相結合的產品再設計。逆向工程隊對產品的快速開發(fā)與創(chuàng)新設計有一定的借鑒意義，也為實物建模及再設計提供了一種新的解決思路。

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