基于Geomagic Design X的锤子逆向建模

王飒飒

摘要：运用3D逆向技术，对锤子的曲面进行数据采集和点云处理，本文通过Geomagic Design X对锤子进行逆向数字建模，重构3D数字模型。对重构后的曲面进行精度与质量分析。研究表明，逆向技术是产品实现再生设计与加工的重要手段，是降低成本、缩短新产品开发周期、提升质量和效率的先进技术。

关键词：逆向工程；逆向建模；Geomagic Design X

中图分类号：G718 文献标识码：B 文章编号：1672-1578（2018）25-0235-02

1.前言

逆向工程的概念是相对于正向工程（Forward Engineering，FE）提出的。逆向工程（Reverse Engineering，RE）也称反求工程或者反向工程。逆向工程与正向工程的区别在于设计起点、设计要求不同。基于逆向工程的产品设计就是把现有的产品进行数据还原的过程。简单地说，逆向工程建模是在没有原始产品设计数据的情况下，使用测量工具（例如手持式激光扫描仪、三坐标测量机等）快速地获得产品实物表面的点云或者面片数据，然后将数据导入到建模软件（Geomagic Design X等）中进行数据处理与模型重建。

2.逆向工程的工作思路

逆向设计的基本思路主要是：模型曲面分析—确定扫描方案—进行实体点云扫描—进行点云数据处理—建立需要的曲线—建立曲面—进行实体建模。其中逆向建模是逆向技术的基础，主要由数据获取，数据处理，曲面重构、再设计等几个部分组成。本文选取在教学实训中的产品锤子为载体，介绍利用Geomagic Design X软件对该产品进行逆向建模的过程，主要包括数据采集、数据处理和模型重构等三大关键技术。

3.工作流程

3.1 数据采集。对产品点云数据的采集借助RMS-400型三维面扫描抄数机。如图1所示。

扫描前需要在实物和转盘上粘贴标志点，原则为：

（1）标志点要尽量粘贴在平面区域或者曲率较小的曲面，且距离工件边界较远一些。

（2）標志点不要粘贴在一条直线上，且不要对称粘贴。

（3）公共标志点至少为3个，但因扫描角度等原因，一般建议5～7个为宜；标志点应使相机在尽可能多的角度可以同时看到。

（4）粘贴标志点要保证扫描策略的顺利实施，根据工件的长、宽、高合理分布粘贴。

运用三维数字测量系统对锤子进行三维扫描，获得锤子的点云数据，如图2所示，在扫描的过程中，应该先扫描定位标点，之后再对工件进行扫描，这样有利于工件正反面的拼接，能有效地保证扫描数据的精度。

3.2 点云数据处理。对点云数据的处理是完成被测物体模型扫描后的第一步，在数据采集中，由于机器及人为操作因素，会引起数据的误差，扫描出的点云数据包含有多余数据，并且数量庞大，造成被测物体模型重构曲面的不完整，从光顺性和精度等方面影响建模质量，为了得到完整的产品原型表面数据，就需要对数据进行精简优化。

利用Geomagic Studio软件进行点云处理，经过着色点、去除体外孤点、删除非连接点云、减少噪音等操作可删除多余数据，最后对处理完的点云进行封装，封装成三角面片的形式。得到的三角面片再进行删除钉状物、减少噪音、填充孔等操作进行修复。最终导出.stl的点云文件。

3.3 基于Geomagic Design X的逆向建模。模型重建是逆向工程的核心内容，本文基于Geomagic Design X软件对锤子模型的逆向建模，主要过程如下：

将模型以.stl格式导入到Geomagic Design X软件中，分别进行以下步骤：

3.3.1 领域划分。领域是导入曲面模型按相似度划分成不同的区域，是曲面模型部分点云集合。领域划分即对原有模型进行切分，将不规则曲面模型按照点云集相似度划分成不同的点云集，曲面模型建模是以领域划分为基础的。领域组划分之后，会以不同颜色标注不同的领域，分割出模型相应的特征，以便于建模。

3.3.2 工作坐标建立。选择适当的方法建立工作坐标系，观察产品的特征，优先选择特征最明显的面或体建立工作坐标系，该零件为对称件，特征面为横向和纵向中心平面。利用手动对齐工具将产品横向和纵向中心平面与系统坐标系对齐，以便提取模型特征。

3.3.3 模型重构。

（1）锤子头部模型重构。创建面片草图，截取锤子头部的蓝色端面多线段。如图3所示。

基于面片多线段进行草图绘制，根据原模型可以看出，截取的面片草图是由直线，圆所构成的封闭曲线。利用Geomagic Design X软件中的草图工具对草图进行编辑修改和尺寸约束，使绘制的草图与实体模型尽量贴合。如图4所示。

利用绘制的草图进行实体建模。因锤子头部是由圆柱体和球体这样的回转体组成，所以点击“创建实体”工具栏中的“回转”，选择上一步创建的草图作为基准草图进行回转建模，即可得到锤子的头部。如图5所示。

（2）锤子手柄模型重构。创建面片草图，截取锤子手柄的蓝色端面多线段。如图6所示。

基于面片多线段进行草图绘制，根据原模型可以看出，截取的面片草图是由三点圆弧，直线所构成的封闭曲线。利用Geomagic Design X软件中的草图工具进行草图的编辑修改和约束。如图7所示。

利用上一步创建的草图进行实体建模。因锤子手柄也是回转体，所以点击“创建实体”工具栏中的“回转”，选择上一步创建的草图作为基准草图进行回转建模，即可得到锤子的手柄。如图8所示。

（3）锤子手柄凹槽处的模型重构。

锤子手柄凹槽处的模型重构是本产品的难点。涉及到多个曲面的绘制及剪切。

首先绘制出凹槽上部的圆弧草图，并选择“回转曲面”做出凹槽的上部面片。如图9所示。

其次绘制出凹槽侧面及底部的轮廓草图，并选择“曲面拉伸”完成轮廓面片。如图10所示。

再选择“剪切曲面”，将前两步完成的面片进行相互裁剪。如图11所示。

点击“剪切”中的“用曲面剪切实体”，利用前一步得到的曲面面片与锤子手柄实体进行剪切，最终得到手柄处凹槽的外形轮廓。如图12所示。

至此，锤子的所有模型实体重构完成。如图13所示。

（4）精度分析。在得到模型实体后，Geomagic Design X软件还可以根据实际情况加入操作者的细节设计对模型实体进行再设计。对实体进行圆角与精度分析以便检验建模的精确性。在对模型实体进行圆角处理过程中既可以依据面片来估算圆角半径值也可以输入操作者的设计值，实现参数化设计。对模型完成再设计后，可对实体模型进行精度分析（體偏差），若模型大部分显示为绿色，说明所创建的实体在误差允许范围之内。如图14所示。若模型大部分显示橘色和红色，说明所创建的实体在误差允许范围之外，那么需要对面片草图进行修改。

4.结论

在现代高新技术中，逆向工程是最前沿的高新技术之一。逆向工程不仅仅是产品的仿制，它更肩负着数字模型的还原与再设计的优化等多项重任。当前，逆向工程的发展已取得了长足进展，但产品逆向工程还是一个不完全成熟的过程，各个环节仍有待于进一步完善、探索和研究。本文以锤子为例，通过采用三维光学测量系统对锤子进行扫描采集点云数据，然后再处理点云数据，并利用Geomagic Design X对其进行三维逆向建模，通过特征建模不仅能更好地表达原始产品模型的几何意图，而且实现了逆向建模与正向建模技术相结合的产品再设计。逆向工程队对产品的快速开发与创新设计有一定的借鉴意义，也为实物建模及再设计提供了一种新的解决思路。

参考文献：

[1] 周小东，成思源，杨雪荣，等.面向创新设计的逆向工程技术研究[J].机床产品开发与创新，2013，26（2）：64—66.

[2] 王春开，程仲文，胡彦军.反求工程技术在复杂曲面重构系统中的应用[J].制造技术与机床，2010 （12）：66—68.

[3] 赖啸，郭晨.基于Geomagic Design X的门把手反求设计与加工[J].机械工程师，2017 （4）：64—66.