基于DX的油汀烘衣支架逆向设计与研究

刘先梅

(六安职业技术学院 汽车与机电工程学院， 安徽 六安 237158)

目前Geomagic Design X(简称“DX”)是当今进行逆向数据建模主要软件之一，由美国 Raindrop公司研发，与美国的EDS公司的Imageware，韩国 INUS 公司的RapidForm，英国 DELCAM 公司的CopyCAD软件并称制造业“四大逆向工程软件”。 Geomagic Design X的前身就是Geomagic studio软件，该软件与其他计算机辅助软件相比更高效、高精度，尤其在曲面设计上可以精准地自动生成数字模型，在逆向设计制造中起到“承上启下”的重要作用。

所谓逆向设计，就是把对象零部件以点的形式扫描出来，再把所有点的集合即“点云”在逆向软件还原出实体模型，其基本设计流程如图1所示。

图1 逆向设计流程

以油汀烘衣架为例，通过三维扫描设备采集其完整的表面数据，使用DX软件实现模型重建并进行重合精度分析，为零件的再造提供可靠的数字模型。

1 油汀烘衣支架结构分析

家用油汀取暖装置如图2所示，该油汀结构比较小，共有九个取暖片，烘衣架上两端各有一个支架，中间通过连杆连接，卡扣在取暖片上。

该支架多为薄壁壳体类零件，容易损坏，如图3所示前端支架已经断裂，但目前市场上也很难买到相同的配件，为了不失油汀烘衣功能，可扫描其中完好的支架，将获得数字模型通过利用DX软件完成数模重构，最后可直接快速原型。

图2 油汀取暖装置

图3 残缺的油汀烘衣支架

2 支架点云数据采集

数据采集一般是指通过照相式三维扫描仪或三坐标测量机获取被测物体表面离散的点(XYZ坐标)的几何数据过程[1]。采用Geomagic Wrap 2015点云处理软件自带的扫描采集系统，结合单目三维扫描仪获取三维数据[2]。先对扫描仪的进行对焦，也即标定操作，考虑感光效果，要进行显影操作，在被测对象的外表面上喷洒显影剂[3]，综合分析被测支架对象结构特征完成贴点操作，如图4所示；新建一个工程文件，扫描操作时要转动转盘以获取支架不同角度的正面扫描数据，当支架正面数据采集完成后将转盘翻转至背面，同时翻转支架将其背面朝上开始扫描支架的反面数据；采集完支架的点云数据后，再把这些多次扫描的数据通过“联合点对象”工具合并为一个.asc格式的“点对象”，如图5所示；最后经去除非连接项、孤点和降噪等方法处理支架的点云数据并封装为.stl格式的面片对象，如图6所示。

图4 支架贴点

图5 支架原始点云数据

图6 支架面片数据

3 支架点云分析与模型重构

3.1 支架点云分析

一般将处理后的完整数模以封装面片形式导入DX软件完成实体模型重构或导出进行3D打印，但大部分对象的点云数据都不能直接打印，除非是非常规则、完整的面片数据，否则点云数据因采集环境、设备精度和采集方法等因素影响而失真。如图6所示处理后的支架内槽点云数据与图7所示实物原型存在较大的误差，点云数据中内槽底面轮廓不够平整、清晰，为了保证油汀烘衣支架内侧卡槽与暖片之间的连接稳定性及卡槽宽度精度，支架的数字模型必须经过模型重构来获得，不能由封装面片组成。

图7 支架原型

3.2 支架模型重构

3.2.1 曲面划分

由于点云一次性生成符合要求的曲面，不仅生成起来有一定困难，而且即便生成了也不能保证其光顺性，必须分别构造曲面，再通过桥接、过渡、裁剪等细节特征处理而最终生成全部曲面。划分曲面片的质量直接决定最终面质量的高低以及曲面设计的效率，优化曲面片划分的方法如下[4]：

(1)处于曲率变化较小或均匀位置，面片可以划分得少一些。尽管有的曲面较大，只要其曲率变化均匀，可将其视为同一个曲面。

(2)处于曲率变化较大或不均匀的地方，如圆弧与直线过渡连接处，应将曲面分解为几个曲面片，然后再进行拼接，否则易形成皱纹面。

(3)划分的曲面片控制点越少越好，但前提是要保证控制点能够控制曲面的形状。

(4)尽量划分成四边形曲面，减少三角形退化曲面。

(5)保证划分后的曲面片全部为单凸或单凹。

综述所示，结合DX常用领域块划分方法，划分曲面领域块，可以采用自动分割的方式，但效果不是很理想，有时会把一个平面上的点云划分成多个领域，大都根据逆向建模过程采用手动划分。支架模型的数据分割结果如图8所示的支架领域分布。

3.2.2 支架模型重构

支架三角面片模型导入DX后，由于扫描坐标系与建模坐标系不统一，为方便后续的特征建模，首先创建基准特征，以便对齐坐标系，可以采用3-2-1对齐方式，如图9所示。经分析模型结构，该支架无复杂曲面，在满足精度的前提下，尽量使用基础造型工具。可以先绘制面片草图，结合应用实体拉伸合并、切割工具创建支架主体结构及完整CAD模型结构(.STP格式)，如图10和图11所示，尤其侧面四个托板和肋板等细节结构，可分别独立创建后布尔求和，再线性阵列，这样能大大提高逆向建模效率。

图8 领域划分

图9 对齐坐标系

图10 支架主体

图11 支架CAD模型

4 支架重构模型精度检测

数模重构主要考虑重构精度的问题，即重构的数字模型与点云数据或面片数据的体偏差[5]，用途不同的重构数模其重构精度的要求也不同，误差大小决定了再生模型的构造质量。油汀烘衣支架主要是起稳定支撑作用，只要在体偏差云图上显示的模型颜色处于浅黄色和浅蓝色之间色系均为合格。

将三维扫描所得的STL格式面片数据模型与前面重构地实体模型做对比分析验证模型重合精度。依次把支架的STL数据与STP实体模型导入Geomagic control 2015，将STL数据设置为“TEST”对象，STP实体模型为“REF”对象；通过对齐选项中“最佳拟合对齐”方式，系统自动进行全局对齐；还应该对支架CAD模型的复杂形面做出“注释”，分析支架的结构特点，其中坐标A004、A005、A006为支架的主要应力集中区，此处为重合精度检测的重要部位,需分别进行注释操作，分析结果如图12和表1所示；最后可在“报告”模块下，创建PDF格式的模型对比检测报告。

综合分析检测报告中的重合精度偏差云图和具体误差数值，支架的逆向设计误差在允许范围内，符合支架逆向设计的预期效果。

图12 支架的重合精度云

表1 支架的重合误差数值表