基于Geomagic 與Creo 陶瓷魚逆向設計

曾 鋒， 楊忠高

（1.廣東工貿職業技術學院機電工程學院， 廣東 廣州 510510； 2.廣東技術師范大學廣東工業實訓中心， 廣東 廣州 510665）

0 引言

逆向工程技術作為一種高效的產品創新設計方法，根據已存在的產品或者零件原型， 重構產品或者零件的CAD 模型，是對已有設計的再設計，可以大大縮短了產品的設計周期，降低了產品研發成本。 企業僅有的樣件、油泥模型、模具等“物理世界”如何快速的過渡到“數字世界”，如何高效處理產品設計后期問題，是先進制造業面臨的實際問題。 逆向設計軟件的典型代表有Geomagic，以陶瓷魚逆向設計為例，其主要的設計流程是：點云數據優化處理及三角形面片化，對三角形面片編輯處理，導入到CAD 軟件進行曲面逆向重建， 完成產品的實體建模，最后可以3D 打印加工或者數控加工并進行產品驗證。下面運用上述方法對陶瓷魚進行曲面逆向設計。

1 陶瓷魚點云數據處理

1.1 點云數據的獲取

如何高效、準確地獲取模型的點云數據，是實現產品逆向設計的前提和關鍵， 本次陶瓷魚點云的獲取是通過拍照式掃描儀進行掃描獲得， 拍照式掃描儀的特點是測量速度比較快，效率非常高，可以大幅提高逆向設計的效率。 利用掃描儀掃描樣件獲得點云時，需要對樣件噴涂白色的顯像劑，同時樣件上需要粘貼上標志點，這樣不同方向掃描獲得的點云可以通過標志點自動拼接在一起，形成一個完整的點云數據。 掃描得到的點云見圖1。

圖1 陶瓷魚點云數據

1.2 點云數據的優化處理

掃描獲得的陶瓷魚點云數據存在很多的雜點， 為了高效率完成點云數據的處理， 我們需要對其進行快速選擇，并且進行刪除雜點，在Geomagic Wrap 中對點云中的雜點有以下操作： 非連接項命令選擇的是指同一物體上具有一定數量的點形成點群，并且彼此間分離。通過調節點群距離主點云距離的大小來進行選擇并刪除。 體外孤點命令選擇與其它絕大數的點云具有一定距離的點。 敏感度低數值選擇遠距離點， 高數值選擇的范圍接近真實數據。 減少噪音將點移至統計的正確位置以彌補掃描儀誤差（噪音）。這樣點的排列會更平滑。點云數據的優化處理一般通過以上命令來完成，如果仍然沒辦法刪除雜點，就只能手動進行選擇并刪除， 能選擇的菜單命令主要有套索，畫筆選擇工具。

1.3 點云采樣

拍照式掃描儀在采集陶瓷魚點云數據時， 會進行多次測量來保證點云的完整度， 因此產生了大量的冗余點和重復點，使得點云數據量非常龐大，雖然更多的數據點能完整準確的描述采集對象的形狀和結構， 但同時極大降低了軟件的運算速度， 還會降低曲線曲面重構時的精度。因此在能保證零件幾何特征的前提下，有必要對點云進行精簡，達到減少數據量、提高運算速度的目的。 逆向軟件系統精簡點云一般是在曲率大的區域盡可能保留更多的點，在曲率小的區域適當減少點。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，采用統一采樣對車載吸塵器點云進行精簡，通過多次測量相鄰兩個點云的距離， 取平均值的兩倍再取整，設定采樣間距，完成對點云數量的精簡，然后對點云進行封裝，進入到多邊形階段。

2 點云數據的多邊形處理階段

2.1 對點云三角面數據的處理技巧

點云數據經過三角形網格化后進入多邊形處理階段， 點云多邊形的模型是由點與點之間拼接成三角形面片而組成。因為一般會有一些多余的表達不準確的點，因此由這些不準確的點構成的三角形面片也要進行刪除或其它編輯處理。 在對點云進行封裝之后，也會出現破面，空孔，如圖2 所示。

圖2 點云封裝后產生的空孔

對三角面片數據的處理， 第一步先使用松弛命令。 松弛命令可以最大限度減少單獨多邊形之間的角度， 使面片更加平滑。 第二步選擇刪除釘狀物菜單命令，“刪除釘狀物”對話框中，“平滑級別”調到在中間位置后，鼠標點擊“應用”，第三步，由于模型存在部分位置點云數據不完整。使用填充孔命令可以修補缺失的位置。在通常的填充孔過程中，有時直接填補孔洞的效果不好，這種情況可以把孔周圍的三角面刪除后再進行填充。 第四步，對于不平滑的區域，可以使用去除特征功能。 對于模型中存在的一些缺陷以及細小特征，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命令，便得到優化后的模型形狀，并將該區域與旁邊其它區域形成光滑的連續狀態。 最終點云處理結果如圖3 所示。

圖3 最終點云效果

2.2 陶瓷魚模型坐標的對齊

首先對模型形狀進行分析，如圖3 所示，將陶瓷魚身對稱面擬合成平面1，陶瓷魚底面擬合成平面2，將平面1與坐標系XZ 平面重合，平面2 與XY 平面重合，從而完成陶瓷魚的坐標對齊。 根據以上的分析， 利用Geomagic Wrap 特征工具中平面（最佳擬合、過點垂直于）命令，構建將用于對齊全局坐標的兩個平面， 由上一步生成的特征與全局坐標進行對齊。

3 Creo 中構建參數曲面階段

參數曲面的構建流程： 將已經處理好的點云數據導入CAD 建模軟件Creo 中，利用曲線創建、邊界混合構造曲面、曲面實體化、抽殼等命令來完成建模。

3.1 點云數據的導入與坐標的對齊

因為所導進Creo 中的點云數據只是一小三角面體，視覺上有破損現象，并不能進行建模操作，只能借助此三角片面體來創建曲面。首先要做的就是坐標的對齊，因為已經在Geomagic 創建了一個點云坐標，現在只需要將已創建的坐標與Creo 的對齊即可。

3.2 曲線的創建

首先使用重新造型命令來構建一條曲線， 方法就是拉伸一個平面來與點云數據相交就會得到一條封閉曲線， 這條曲線是至關重要的， 直接控制著整條魚身的形狀，所以盡量做到與點云貼合。 如圖4 所示。 魚身部分是曲面結構，較為困難點，可以通過拉伸出數個曲面來當作造型的平面，再通過造型命令畫出數條曲線，這些曲線很重要，當曲線越貼合點云，則接下來所混合出的曲面就越光滑越貼合點云。 如圖5 所示。 最后通過使用造型命令所創建的數條曲線，當曲線數量越多越好，如圖6 所示，這一過程需要不斷的調整曲線的曲率已達到最佳的貼合點云點，后期混合出的曲面越貼合點云，貼合率越高，曲面效果便越好。

圖4 陶瓷魚腹部曲線

圖5 魚身曲線構造

圖6 魚身曲線

3.3 陶瓷魚曲面的創建

通過已經創建好的曲線來混合出魚身曲面， 分別選擇魚身魚腹的一條曲線為第一方向的曲線， 魚身的其它數條造型曲線為第二方向的曲。 頭部部分不能與魚身部分一整塊邊界混合出來，所以要單獨創建一個曲面，這里要注意兩個地方，一個是設置相切條件，另一個則是設置垂直條件來保證曲面的光滑連接，如圖7 所示。最后合并曲面， 將兩個已經創建好的曲面通過合并命令合并成一塊曲面，如圖8 所示。

圖7 魚身曲面創建

圖8 魚身魚頭曲面合并

因為兩個曲面的連接處曲線不光滑， 最后導致所混合出曲面存在褶皺（小三角）現象，這一結果將會直接導致曲面無法加厚或者無法實體化， 所以就要想辦法修補此處。將有褶皺現象的地方直接剪掉一塊，再由四邊混合出一個新的曲面，注意要設置四邊均要相切，最后就會得到一塊光滑的曲面。

魚腹部是一個平面， 所以直接可以用拉伸命令來創建一個平面， 將魚身部分的曲面設置相切條件延伸一定的長度，目的是要將魚身和魚腹部曲面有相交，才可以做后期的合并曲面。 曲面的延伸這一部分也是很重要的一步驟，假若前面所創建好的曲面曲率不夠好，則這里就不能設置相切條件延伸。以及延伸的長度不需要太多，只需要超過魚腹部的平面即可。把魚身和魚腹部合并起來。將多余的曲面修剪掉，使用倒圓角命令來將邊角倒成圓角，如圖9 所示。

圖9 曲面合并修剪倒圓角

魚背的創建與魚身創建方法一樣， 同樣使用造型命令來創建出數條曲線， 再使用邊界混合命令來創建魚背曲面。 如圖10 所示。 魚尾部分也是通過造型出幾條曲線來混合曲面。 如圖11 所示。 最后將已經創建好的曲面通過實體化命令來創建實體模型，前提要曲面封閉。用旋轉命令來創建眼睛部分，最終完成陶瓷魚曲面的逆向構建，完成效果如圖12 所示。

圖10 魚背曲面構建

圖11 魚尾曲面構建

圖12 陶瓷魚最終外形效果

4 結論

隨著科技的發展， 越來越多的復雜曲面產品出現在日常生活中，逆向工程技術在產品開發中的應用，大幅度的縮短了新產品的設計周期，提高了產品競爭力。逆向工程技術已成為企業的競爭法寶， 以及現代企業開發新產品的重要設計手段。 通過拍照式掃描儀獲取曲面零件的點云數據，在點云處理軟件中處理點云數據，然后在CAD設計軟件中進行曲面逆向重構和創新再設計， 最后利用快速成型技術或者數控加工技術制作樣件并進行產品驗證，大大縮短了產品的開發周期，大幅度降低企業設計成本，對復雜曲面產品的設計具有很好的借鑒意義。