基于Geomagic的复杂曲面产品逆向设计关键技术研究

张文灼 高亮 刘杰 胡孟谦 张晓娜

摘  要：当前，各行业产品部件表面的复杂度日益提升，设计难度越发提高，仅凭传统正向设计难以满足要求。逆向设计作为一种全新的设计手段，可以快速地解决复杂曲面设计问题，文章基于Geomagic系列工具，论述了复杂曲面产品的逆向设计的几个关键技术，可为典型复杂曲面产品部件的数据采集、点云数据处理、逆向重构模型和型面精度检测提供一种技术思路。

关键词：Geomagic;复杂曲面;逆向设计;关键技术

中图分类号：TP391.7       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）16-0152-03

Research on Key Technology of Reverse Design of Complex Surface Products

Based on Geomagic

ZHANG Wenzhuo1，GAO Liang2，LIU Jie1，HU Mengqian1，ZHANG Xiaona1

（1.Hebei College of Industry and Technology，Shijiazhuang  050091，China;

2.Hebei Vocational College of Rail Transportation，Shijiazhuang  050051，China）

Abstract：At present，the surface complexity of product parts in various industries is increasing，and the design difficulty is increasing. It is difficult to meet the requirements only by the traditional forward design. As a new design method，reverse design can quickly solve the problem of complex surface design. Based on Geomagic series tools，this paper discusses several key technologies of reverse design of complex surface products，which can provide a technical idea for data acquisition，point cloud data processing，reverse reconstruction model and surface accuracy detection of typical complex surface products..

Keywords：Geomagic;complex surface;reverse design;key technology

0  引  言

隨着时代发展，各行业产品部件表面的复杂程度日益提升，尤其在工业、民用、医学、艺术乃至考古与文物保护等领域，如汽车部件的复杂曲面设计、古文物复杂表面翻新复制、医学领域的人体器官与骨骼等组织的复制等，尤其是越来越多的私人定制需求逐渐显现，产品所呈现出的特点是曲面、复杂且造型不规则等。面对着日趋复杂的设计需求，广泛使用的CAD正向设计软件已经无法很好地满足设计方面的高标准、严要求。逆向设计是对实物进行数据采集工作，然后对所采集的数据进行分析、处理并建立三维模型，从而构建一个与原形状一致的三维模型，并在该基础上进行复制、改良及创新设计。在设计有些全新产品时，可以利用特制的泡沫、黏土、纤维玻璃以及木头等材料，

在最初的轮廓上进行反复的贴补和去除，从而制作出手工模型，然后逆向设计，快速完成CAD模型;在已有的复杂曲面实物部件基础上进行外观与结构上的改良创新，也可以通过逆向设计快速完成。具体应用如表1所示。

河北工业职业技术学院和河北轨道运输职业技术学院共同开展了对逆向设计与精度检测方面课题的研究，本文主要从基于Geomagic的复杂曲面产品逆向设计的几个关键技术展开了论述。

1  基于Geomagic的复杂曲面产品逆向设计关键技术

逆向工程设计的关键技术一般体现在四个方面：实物点云数据的采集，点云数据处理，逆向模型的重建，曲面型面的精度检测。当前Geomagic系列专业软件在这些方面都能提供非常完美的解决手段。

1.1  点云数据的采集

这个环节在逆向工程设计当中是最为基础的一个环节，同时也是最为重要的一个环节。该环节又细分为接触式测量与非接触式测量。其中接触式测量的具体操作方法是以三坐标测量机为主展开相关的数据测量;而非接触式测量则是通过三维扫描仪展开测量工作。近几十年来，三坐标测量机一直都备受各个领域的欢迎，并且已经发展成为当前精密度较高的一种测量设备，其原理是以坐标测量为依据，利用专业的控制软件和驱动来完成对工件的大小及形位的测量和数据采集。非接触式测量是近段时间兴起的一种测量方法，通过激光扫描的方式采集部件的三维数据。由于采集设备的不同，两种方法所采集到的数据以及数据的精准度之间都存在一定的差距。

1.2  点云数据处理

通常情况下，当获取到原始的三维数据后，需要针对数据进行一系列的处理，因为通过三维扫描设备所扫描到的点云数据存在一定的噪点和异常点，加上设备自身的因素与相关操作人员的因素都极有可能造成数据误差。如果选择直接重构曲面，会在不同程度上对后续的曲线及曲面重构的精准度造成影响。所以在实际应用中一般会对三维采集设备所收集到的点云数据展开预处理，例如降低噪点、精简数据、处理异常点、数据平滑、坐标变换以及消除特征等手段。

Geomagic Wrap是目前较为常见的负责预处理点云数据的关键工具，该工具的扫描功能可以对数据点云进行创建并根据数据编辑相应的多边形模型。利用3D扫描技术对导入文件进行转化，最终得出后续3D模型并应用在处理工序当中，目前工程、艺术、考古、制造等领域都在应用Geomagic Wrap工具来完成逆转的工程3D模型。该工具具有较强的重分格栅功能，该功能能够对数据进行扫描并整理其中有用的数据，最终构建符合要求的完美的多变性模型，该专用软件具有强大的处理功能，可以对采集得到的点云数据进行预处理，包括对三维数据模型进行基于扫描特征的填充、修补和顺滑等操作，最终得到的精确曲面的质量和布局能够符合标准。

1.3  逆向模型的重構

实际上逆向模型的重新构建技术是一项非常关键的技术，其所构建出的实物与CAD模型最为相近，同时也是完成工程分析以及数控加工的重要前提。曲面模型重构技术可以有效地对逆向产品进行深入的分析与数控加工及产品创新等。CAD模型的重构方式有三种：线架重构、整体自动重构以及面片重构。其中线架重构的基本原理相对较为传统，是通过由线到面完成的。在早期阶段所采取的重构软件基本上都是线架重构方式。现阶段线架重构软件一般都应用于较为简单的外形零件制作当中，与在点云基础上绘制CAD模型基本相似。Geomagic Design X是逆向工程软件中专业性极高的设计软件，也是专门用来构建逆向模型的软件之一，该软件是由Raindrop公司收购后研发推出的，2013年3D Systems公司再次将该软件收购进行优化与改良，目前该软件的功能及性能既专业又强大，成为市场中的佼佼者，同时该软件也相继被各国的工程人员争相采用，最近几年也成为高校教学的首选。

所谓面片重构实际上就是在从样件中直接采集点云数据并从中抽取面片，虽然说上述的所有软件都能够完成该环节，但是所实现的效果并不理想。然而RapidForm软件的优化转型使Geomagic Design X在面片重构方面的优势变得越发显著，并且还能够帮助很多用户完成自动拼接和分块工作。利用智能化软件完成整体重构的目标，这个过程中所涉及的面片重构与线架重构都能够依靠专业的、智能的软件实现拟合，需将关注的重点放在了产品的整体性上。

快速曲面重构过程如下：

（1）点云数据分块转变为三角网格曲面。最初的点云数据难以保持过渡期间的平滑性，因此需要适量变化点云曲率寻找其中的规律性，以此确保曲面最终所取得的拟合精度，提升曲面的最终质量，另外，点云分块期间应当确保拆分的电晕模块之间具有公共边，这样有助于曲面的拼接。

（2）曲面拟合。首先应当针对分片的子网格曲面采取具有针对性的处理方式，其次对子网络曲面进行参数化的转变，最后利用曲面片拟合的手段来取得具体的CAD模型，该技术能够对曲面进行重构，并且因其简单和直观的优势被大多数操作工人广泛应用，并且能够通过Geomagic Design X来完成具体的数据处理与曲面拟合。

（3）曲面拼接。曲面拼接的具体方式包含曲面桥接、缝合曲面、曲面分离和曲面延伸等方式，其中桥接的方式所得到的曲面结果具有较强的顺滑性和连接性，能够对相邻曲面形成有效的约束效果。

1.4  型面精度检测技术

当重新构成曲面之后，需要进一步对CAD模型进行精准度的检测，检测的内容主要有：模型曲面品质、精度等。一般精度检测的主要目的是直观地将逆向模型与实物间的差异反映出来。而相关的评价指标有：整体指标、局部指标、量化指标以及非量化指标等等。Geomagic Control是针对复杂曲面型面的三维检测软件，是现阶段该领域性能较为强大、广泛且精准的三维计量自动化技术应用软件，能够实现对某三维部件的测量与质量检测，该软件可以支持大量的计量工具，比如目前较为常见的非接触式扫描，所取得的数据能够用于检测分析，通过该检测技术可以适当节省时间并提升检测精准度，另外还能够支持对复杂数据的自动化技术处理，其中形位公差、防伪检测、硬测等可以完成对零器件的快速检测并适当提升精准度，最终完成三维检测报告的总结。如图1所示，其中Dx、Dy、Dz分别是x、y、z三个方向的误差值，D是x、y、z三个方向的平均误差值。通过Geomagic Control，对某型号汽车节温器盖逆向模型外轮廓进行精度检测，可以看到点偏差均非常小，符合设计要求，而点A045处偏差最大，x、y、z三个方向平均偏差达-0.938 7 mm，经调查得知，此处虽并非装配面，也非功能性曲面，但偏差度影响产品外观的美观，不满足逆向要求，需重新优化逆向。

2  结  论

Geomagic系列工具在逆向设计领域已经流行起来，是一个强有力的功能强大逆向设计软件。虽然基于Geomagic的逆向设计的几项关键技术，在点云数据处理、逆向模型的重建和型面精度检测等方面都有巨大优势，但是必要的时候，还应辅以传统正向设计软件如UG等进行补充，才能让设计变得更加灵活、快捷、准确。

参考文献：

[1] 王亮.逆向工程技术在机械制造领域中的应用研究 [J].湖南城市学院学报（自然科学版），2015，24（3）：165-166.

[2] 张文灼.基于Geomagic的汽车节温器盖逆向工程设计及其型面精度检测技术研究 [D].石家庄：河北科技大学，2018.

作者简介：张文灼（1979.09—），男，汉族，河北武强人，教研室主任，副教授，硕士，研究方向：智能制造技术;高亮（1979.07—），男，汉族，河北新乐人，教师，讲师，硕士，研究方向：先进制造技术;刘杰（1979.05—），男，汉族，河北无极人，教研室主任，讲师，学士学位，研究方向：机电一体化技术;胡孟谦（1979.12—），男，汉族，河北宁晋人，系副主任，副教授，硕士，研究方向：机械设计;张晓娜（1979.05—），女，汉族，河北石家庄人，教师，副教授，硕士，研究方向：机械制造测试。