基于Geomagic和Pro/E的逆向工程技术应用*

詹春毅，鄢春艳（广东省科技干部学院，广东珠海519090）

基于Geomagic和Pro/E的逆向工程技术应用*

詹春毅，鄢春艳
（广东省科技干部学院，广东珠海519090）

根据原始招财猫扫描的点云数据，经过点云数据处理和NURBS曲面创建，生成招财猫内外表面的CAD模型；再利用Pro/E软件生成薄壁实体，为复杂曲面的实体化逆向工程设计提供了一种简单可行的方法。

逆向工程；Geomagic studio；Pro/E；点云数据

0　引言

逆向工程是指在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，按照现有零件的实物模型（或称为零件原形），利用各种数字化技术及CAD技术重新构造零件CAD模型的过程。为保证逆向工程的速度和精度，必须选用合适的逆向建模软件并设计合理的建模方案[1-2]。Geomagic Studio软件以先进的数学模型、曲面构建理论为基础，能快速整理曲面点云数据，自动产生网格，可构建任意复杂的精确曲面模型，但不能构建实体模型[3-4]。对于复杂不规则曲面且曲面质量和模型精度要求不高的模型，可以直接在Geomagic studio中拟合NURBS曲面，再通过IGES导入Pro/E中生成实体[5]。下面以一招财猫为对象，使用Geomagic Studio和Pro/E进行逆向建模。该建模过程分为3个阶段：点云阶段、曲面阶段和实体建模阶段。

1　点云数据处理

1.1填充孔

由于被测模型本身的几何拓扑原因或因光学遮挡效应、破损等原因，如零件测量面有孔洞或内部有尖角等，会使测量得到的零件部分数据缺失，必须将这部分数据复原。如图1所示，在缺失数据边界上，有个别碎三角片，先将其删除。另外，缺失部分数据边界不规则，需要将此部分去除。使用【选择】→【边界】，进行一次【扩展】，选中该部分边界并将其删除，可得到该部分比较规整的边界。

利用【填充孔】功能将缺失的点云数据补上，因眼睛部分与其他部分曲率有差别，注意在该部分使用桥填充方式，其余使用全部填充和部分填充。注意填充时均选择“基于曲率的填充”选项，可保证模型中缺失的数据能按照周围的曲率被重新补上，填充后完成结果如图1所示。

图1　填充孔前后的点云数据图

在模型的耳朵一侧有一凹坑，不利于后期曲面构建，选择该部分数据并将其删除，然后用“基于曲率的填充”将其填补。删除凹坑后的点云数据如图2所示。

图2　去除凹坑前后的点云数据图

在模型的眼睛突起部分同样不利于后期曲面构建，可将其先删除并在后面CAD软件中完成造型。如图3所示，选中此部分并将其删除，使用桥填充方式进行填充，注意保证与眼眶之间过渡光滑。

图3　去除特征前后的点云数据图

模型脸部胡须处存在一些凹坑，它们同样会影响到后期的曲面构建，必须将其去除。【去除特征】命令可完成这一功能。可用于删除模型中不规则的三角形区域，并根据周围曲率的情况对不规则的区域进行修复。注意操作前要适当选取需要去除特征的区域，选取范围不可过大，因为可能存在非常不理想的三角形，导致操作无法正常进行[6]。此处需采用多次选取、多次去除的方法。

1.3边界处理

使用【画笔】工具选中如图3所示的不属于头部的边界，将其删除，以保证头部曲面质量。然后点击【边界】→【编辑】，定义【控制点】数为100，【张力】为0.2，通过重建多边形网格使不规则的自然边界平滑化。注意平滑化后的边界还会出现“褶皱”，可用【砂纸】工具对其进行“打磨”，将表面更加平滑。

经过处理后的边界会较原来曲面边界缩小，点击【边界】→【延伸】，将边界延伸10mm。同样利用【砂纸】工具将延伸后边界出现的“褶皱”去除。

2　创建NURBS曲面

本模型表面较复杂，细节特征多，如直接使用【构造曲面片】功能，自动创建的曲面片不能很好地表达细节，必须手动绘制曲面片。它是零件创建曲面的关键环节，应以曲面分析为基础进行合理划分。曲面片不应划分过小，划分过小得到的曲面会太碎，这给后续的处理造成困难；曲面片也不应划分的过大，划分过大难以很好地捕捉点云形状，得到的曲面质量也较差。绘制曲面片的基本原则是：按照模型的结构特点进行曲面片的绘制，使每块曲面片的曲率变化尽量均匀，以提高曲面质量；尽可能地使每块曲面片的形状与模型各部分的轮廓形状一致[7-8]。

2.1构造曲面片

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进入曲面阶段，点击【曲面片】→【绘制曲面片布局图】，最后创建曲面片如图4所示。注意在眼睛、嘴巴等细节较多处，绘制曲面片应适当密一些，尽量保持其细节特征。完成后再对曲面片进行松弛处理，可使各曲面片褶皱较多的区域变得比较光滑。

图4　手动绘制曲面片前后的点云数据图

2.2构造格栅并拟合曲面

点击【构造格栅】和【拟合曲面】命令，完成曲面的创建。拟合曲面时为了后期修改的方便，在“拟合方法”中选择“常数”。再点击【松弛曲面】命令，构造格栅和松弛后的曲面如图5所示。

图5　构造格栅和拟合曲面的图

2.3输出外表面曲面

创建曲面模型后，点击【转向CAD阶段】，将该曲面数据输入到Pro/E系统中方便后期处理，另存为IGES格式。注意勾选“保留NURBS模型”选项，如果输出效果不理想可重新回曲面阶段进行修改。

2.4构造并输出内表面曲面

本模型具有一定厚度，而曲面形状较复杂，采用一般在CAD系统中由曲面偏移指定厚度生成薄壁实体的方法不可行。必须采用直接偏移点云数据的方法。

打开之前创建好的模型外表面曲面布局，点击【曲面片模板】→【转换为】，生成一个曲面片模板。再导入之前的外表面曲面点云数据，选中点云，点击【偏移】，向内偏移一个厚度，得到偏移后的内表面点云。进入曲面“塑形阶段”，点击【曲面片模板】→【应用】，选择全部点云，并勾选“固定边界”，即可完成对内表面曲面的布局。

同样，点击【构造格栅】、【拟合曲面】和【松弛曲面】命令，完成内表面曲面的创建。再点击【转向CAD阶段】，另存为可用Pro/E打开的IGES格式。

3　生成薄壁实体

在Geomagic软件中处理得到的是内外表面的曲面，必须在CAD系统中才能得到实体。在Pro/E中分两步完成。首先点击【拉伸】，得到一个将模型底部完全封闭的曲面；并使用【合并】将其与外表面曲面合并。然后将合并后的曲面实体化，得到一个完全封闭的实体；最后点击【实体化】，使用内表面曲面切割得到薄壁实体。注意如内表面曲面不能完全切割实体，还必须将其进行延伸，延伸方法选择“逼近”。最终得到的实体如图6所示。

图6　实体化前后的剖面图

4　结语

本文以一招财猫模型为例，对基于Geomagic Studio与Pro/E软件的逆向设计工作平台进行了分析。整个建模过程分为3个阶段：点云阶段、曲面阶段和实体建模阶段。在曲面阶段采用了手动绘制曲面片功能，构造曲面片时尽量保持模型的细节，可得到较理想的曲面；并将该曲面片布局保存为模板，对偏移后的内表面应用该模板，可快速得到内表面；再在Pro/E中完成薄壁实体建模。利用该工作平台，可直接获得零件原型的数字曲面，加快复杂零件逆向工程的数字建模进程，大大提高产品设计和制造的效率和质量。

［1］胡影峰.Geomagic Studio软件在逆向工程后处理中的应用［J］.制造业自动化，2008，31（9）：135-137.

［2］代菊英，涂群章，赵建勋，等.基于Geomagic、Im⁃ageware和Pro/E的机械零件逆向建模方法［J］.工具技术，2012，46（5）：55-58.

［3］张红兵，杜建红.逆向技术的工程实践综述［J］.机电工程技术，2012，41（11）：21-25.

［4］邹建军，赖朝安，王卫平，等.基于逆向工程与快速成型的假体设计和制造［J］.制造业自动化，2008，30（11）：76-78.

［5］贾志欣，陈俊华，童森林，等.基于Pro/E软件的逆向工程技术研究与应用［J］.工具技术，2006，40（8）：27-29.

［6］陈裕芹，成思源，邹付群，等.基于Geomagic Studio的叶片修复与曲面建模［J］.广东工业大学学报，2011，28（3）：70-73.

［7］成思源，吴问霆，杨雪荣，等.基于Geomagic Studio的快速曲面重建［J］.现代制造工程，2011（1）：8-12.

［8］马春宇，袁军平，郭文显.基于Geomagic Studio实现自由曲面全逆向NURBS重构［J］.机械与电子，2011（2）：41-44.

(编辑：向飞)

Technique and Application of Reverse Engineering Based on Geomagic and Pro/E

ZHAN Chun-yi，YAN Chun-yan
（CollegeofMechanicaland ElectricalEngineering，Guangdong InstituteofScienceand Technology，Zhuhai519090，China）

Based on the data of the original lucky cat scanning，a CAD surfacemodel of the lucky catwas created through point cloud data processing and nurbs surface creating.Then Pro/E software was used to create the thin wall entitymodel.It provides a simple and feasiblemethod for the reverse engineering of complex surface.

reverseengineering；Geomagic studio；Pro/E；pointcloud data

TP391.7

A

1009－9492(2015)06－0118－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.032

*广东省自然科学基金资助项目(S2013010012025)；广东科学技术职业学院校级科研项目（XJMS201301）

2015－03－25

詹春毅，男，1978年生，江苏镇江人，硕士，讲师。研究领域：逆向工程和注塑成型。已发表论文14篇。