论文部分内容阅读
摘 要：以自由曲面工艺品逆向设计为例，介绍了基于Geomagic Wrap实现点云数据处理、逆向建模的过程。结果表明，对于复杂自由曲面类零件，通过分割特征、构造有序的栅格、重构曲面片的逆向建模方法，有利于提高曲面的光顺度与精度。
关键词：自由曲面;Geomagic Wrap;逆向设计;精度
0 引言
逆向工程（Reverse Engineering，RE）是再生产设计的产物，是通过测量手段及三维几何建模方法，将原有实物转化为三维数字模型，并对模型进行创新设计、分析和加工的过程[1]。逆向工程技术现已成为产品开发和创新设计的一种重要手段，被广泛应用于电子、机械、医疗、汽车和文化创意等行业和领域。利用三维扫描技术与逆向工程软件，对原始模型进行扫描，可将实物数字化，同时也可在原有模型的基础上对其进行优化与创新。本文选择典型自由曲面工艺品零件为研究载体，按照“三维扫描→点云处理→模型重构”的典型流程，重点研究复杂曲面的点云处理及曲面片构建方法。
1 数据扫描
数据扫描是指通过特定的测量方法和设备，将实物模型外形特征转化成几何空间点，从而得到逆向设计及尺寸评价所需数据的过程[2]。目前三维数据的获取主要还是通过三维测量技术来实现。通过对所测模型进行清洗、喷涂显像剂、粘贴标志点等处理，利用Win3D三维激光扫描仪对模型点云数据进行采集，获得模型点云数据，如图1所示。
2 数据处理
采用三维激光扫描仪对模型进行扫描所获得的点云数据会存在一些孔洞缺陷，且数据网格表面也不光顺。数据处理的关键技术包括杂点删除、多视角数据拼合、数据简化、空洞填充、特征删除、平滑等。
2.1 点云处理
本文研究对象曲面构造复杂，在一些细节位置，如边界、曲率变化较大的曲面不容易被扫描测量或数据容易丢失，这时需要对模型进行多方位扫描，得到不同坐标下的多视角点云，于是便需要把不同坐标下的点云数据对齐到同一坐标下，从而实现多视角点云数据的合并。在测量过程中因光线、辅助支撑等，在扫描时会形成杂点，需要通过点云处理软件对其进行删除。本文基于Geomagic Wrap点云数据处理软件，将扫描的多视角点云数据导入软件，对单视角点云进行“杂点删除”，然后进行“手动对齐”“删除体外弧点” “减少噪声” “封装”等处理，生成三角面片。Geomagic Wrap点云处理过程如图2所示。
2.2 面片处理
对于复杂模型，常测量的数据密度会很高，会形成大量的冗余数据，严重影响后续算法效率，因此也需要对点云数据进行简化处理[3]。在扫描过程中，会因模型本身的几何拓扑等原因，所采集的点云数据存在缺损等现象，因而需对数据进行填充补缺处理[4]。在扫描过程中常因轻微振动、模型粗糙等原因，扫描的数据中包含一些噪声点，这些噪声点将影响曲面重构的质量，通过数据平滑处理，可改善曲面重构的质量[5]。利用Geomagic Wrap点云数据处理软件的“网格医生” “减少噪声” “填充孔” “去除特征”等功能指令，对封装后的面片进行优化处理，得到修复后模型，如图3所示。
3 逆向建模
利用Geomagic Wrap的逆向曲面功能，对模型进行逆向重构。首先通过软件的“绘制曲线”功能，在封装的点或多边形对象上徒手绘制与操纵曲线，对模型关键特征曲率变化进行区域分割。以“構造曲面片”功能对分割的区域通过边界线生成面片边界结构，通过“移动面板”命令组织面板中的面片并用面片填充空白面板，“构造栅格”命令在对象上的每个面片中创建有序的栅格，并修复相交区域，如图4所示。最后，通过“拟合曲面”命令在对象上生成NURBS曲面。按此操作完成各分割区域的逆向建模，合并生成CAD模型，如图5所示。
4 结语
本文围绕如何快速高精度完成自由曲面零件的逆向设计任务，研究基于Geomagic Wrap逆向设计软件的点云数据采集、点云处理及逆向建模方法。对于形状复杂且具有较多自由曲面的零件，通过特征分割，再对其利用构造曲面片、移动面板、构造栅格等方法重构曲面片，有效解决了自由曲面在直接拟合过程中出现的精度不高、曲面扭曲等问题，对从事逆向工程的技术人员具有一定的借鉴意义。
[参考文献]
[1] 张真真，史红燕.基于逆向工程的工业产品数字化设计与制造[J].现代制造技术与装备，2021，57（1）：166-168.
[2] 赵明炯，许鹏宇，江萍.基于Geomagic studio和DesignX的端盖逆向设计[J].内燃机与配件，2021（8）：28-29.
[3] 龚海军，周涛，李欢，等.基于杰魔的铝合金零件逆向建模及压铸模具设计[J].铸造，2020，69（6）：596-601.
[4] 伍咏晖，严桂英.基于Geomagic和快速成型的产品逆向设计[J].装备制造技术，2016（5）：214-215.
[5] 徐桂才，陈学斌，陈叶娣，等.逆向工程与3D打印在自动牙线盒正向设计中的应用[J].模具制造，2021，21（3）：80-83.
收稿日期：2021-05-25
作者简介：朱兴文（1971—），男，四川宜宾人，助理实验师，研究方向：机械设计。
关键词：自由曲面;Geomagic Wrap;逆向设计;精度
0 引言
逆向工程（Reverse Engineering，RE）是再生产设计的产物，是通过测量手段及三维几何建模方法，将原有实物转化为三维数字模型，并对模型进行创新设计、分析和加工的过程[1]。逆向工程技术现已成为产品开发和创新设计的一种重要手段，被广泛应用于电子、机械、医疗、汽车和文化创意等行业和领域。利用三维扫描技术与逆向工程软件，对原始模型进行扫描，可将实物数字化，同时也可在原有模型的基础上对其进行优化与创新。本文选择典型自由曲面工艺品零件为研究载体，按照“三维扫描→点云处理→模型重构”的典型流程，重点研究复杂曲面的点云处理及曲面片构建方法。
1 数据扫描
数据扫描是指通过特定的测量方法和设备，将实物模型外形特征转化成几何空间点，从而得到逆向设计及尺寸评价所需数据的过程[2]。目前三维数据的获取主要还是通过三维测量技术来实现。通过对所测模型进行清洗、喷涂显像剂、粘贴标志点等处理，利用Win3D三维激光扫描仪对模型点云数据进行采集，获得模型点云数据，如图1所示。
2 数据处理
采用三维激光扫描仪对模型进行扫描所获得的点云数据会存在一些孔洞缺陷，且数据网格表面也不光顺。数据处理的关键技术包括杂点删除、多视角数据拼合、数据简化、空洞填充、特征删除、平滑等。
2.1 点云处理
本文研究对象曲面构造复杂，在一些细节位置，如边界、曲率变化较大的曲面不容易被扫描测量或数据容易丢失，这时需要对模型进行多方位扫描，得到不同坐标下的多视角点云，于是便需要把不同坐标下的点云数据对齐到同一坐标下，从而实现多视角点云数据的合并。在测量过程中因光线、辅助支撑等，在扫描时会形成杂点，需要通过点云处理软件对其进行删除。本文基于Geomagic Wrap点云数据处理软件，将扫描的多视角点云数据导入软件，对单视角点云进行“杂点删除”，然后进行“手动对齐”“删除体外弧点” “减少噪声” “封装”等处理，生成三角面片。Geomagic Wrap点云处理过程如图2所示。
2.2 面片处理
对于复杂模型，常测量的数据密度会很高，会形成大量的冗余数据，严重影响后续算法效率，因此也需要对点云数据进行简化处理[3]。在扫描过程中，会因模型本身的几何拓扑等原因，所采集的点云数据存在缺损等现象，因而需对数据进行填充补缺处理[4]。在扫描过程中常因轻微振动、模型粗糙等原因，扫描的数据中包含一些噪声点，这些噪声点将影响曲面重构的质量，通过数据平滑处理，可改善曲面重构的质量[5]。利用Geomagic Wrap点云数据处理软件的“网格医生” “减少噪声” “填充孔” “去除特征”等功能指令，对封装后的面片进行优化处理，得到修复后模型，如图3所示。
3 逆向建模
利用Geomagic Wrap的逆向曲面功能，对模型进行逆向重构。首先通过软件的“绘制曲线”功能，在封装的点或多边形对象上徒手绘制与操纵曲线，对模型关键特征曲率变化进行区域分割。以“構造曲面片”功能对分割的区域通过边界线生成面片边界结构，通过“移动面板”命令组织面板中的面片并用面片填充空白面板，“构造栅格”命令在对象上的每个面片中创建有序的栅格，并修复相交区域，如图4所示。最后，通过“拟合曲面”命令在对象上生成NURBS曲面。按此操作完成各分割区域的逆向建模，合并生成CAD模型，如图5所示。
4 结语
本文围绕如何快速高精度完成自由曲面零件的逆向设计任务，研究基于Geomagic Wrap逆向设计软件的点云数据采集、点云处理及逆向建模方法。对于形状复杂且具有较多自由曲面的零件，通过特征分割，再对其利用构造曲面片、移动面板、构造栅格等方法重构曲面片，有效解决了自由曲面在直接拟合过程中出现的精度不高、曲面扭曲等问题，对从事逆向工程的技术人员具有一定的借鉴意义。
[参考文献]
[1] 张真真，史红燕.基于逆向工程的工业产品数字化设计与制造[J].现代制造技术与装备，2021，57（1）：166-168.
[2] 赵明炯，许鹏宇，江萍.基于Geomagic studio和DesignX的端盖逆向设计[J].内燃机与配件，2021（8）：28-29.
[3] 龚海军，周涛，李欢，等.基于杰魔的铝合金零件逆向建模及压铸模具设计[J].铸造，2020，69（6）：596-601.
[4] 伍咏晖，严桂英.基于Geomagic和快速成型的产品逆向设计[J].装备制造技术，2016（5）：214-215.
[5] 徐桂才，陈学斌，陈叶娣，等.逆向工程与3D打印在自动牙线盒正向设计中的应用[J].模具制造，2021，21（3）：80-83.
收稿日期：2021-05-25
作者简介：朱兴文（1971—），男，四川宜宾人，助理实验师，研究方向：机械设计。