徐 彤
(天津市和平区新华职工大学,天津 300070)
逆向建模,也称为反求建模,是指由实际现有的实物产品生成CAD几何模型,进而可实现通过计算机复制实体,并在原模型基础上进行修改、创新等再设计。目前,逆向建模技术主要应用在汽车制造、航空、机械制造、个性化产品设计等行业。与此同时逆向建模技术也发展成为了计算机辅助设计领域中重要的新兴应用研究方向。
逆向建模过程中的核心环节包括实物的点云数据信息采集,点云数据处理与封装,对面片数据进行特征分析与逆向建模建造,具体流程图如图1所示。本文以实物葫芦为例,通过三维扫描仪获得葫芦实物的三维点云数据,并导出相应的点云数据文件,再利用Geomagic studio 2016软件对葫芦实物的点云模型进行预处理与封装,形成面片数据。最后借助专业逆向设计软件Geomagic Design X实现利用曲面面片数据实现模型重构的过程,通过计算机逆向建模软件得到葫芦实物的三维数字化CAD模型。根据得到的三维数字化CAD模型,以葫芦实物为基础,进行后续的创新设计等操作。
图1 逆向建模流程图
逆向建模技术是基于三维扫描仪得到的点云数据,进行数据处理,从而实现从实物到具体图纸的设计过程与模型创新优化设计过程。对于复杂的产品,如果没有具体的数据,正向设计过程难度大,需要很多次的测算与建模过程。而逆向设计可以首先基于一定的既定实物,通过三维扫描仪采集点云数据,通过不同角度的拟合形成初步模型。设计者可以在初步模型数据的基础上加以修改和自我创新,这在很大程度上降低了因没有具体数据而反复多次建模实验的过程,降低了设计过程中的难度系数。
产品在研发设计过程中,对于复杂的产品,设计师无法完全估计产品在设计过程中会出现什么样的状况,通常会经历反复设计与修改的过程。正向设计是首先绘制图纸,测算具体数据,建立模型,并进行试验。在试验过程中一旦出现问题,如每次因一些局部的问题就推倒整个产品重来,这无论从时间成本还是人力成本上都是巨大的。而逆向设计方法则可以轻松解决这一难题。逆向设计通常是在现有实物模型或正向设计模型的基础上进行个性化设计,发现已有模型的问题,进行分析再设计,然后通过将对修正后的模型进行扫描,得到新三维模型。这在很大程度上解决了产品研发设计过程中的时间成本和人力成本。
在产品设计过程中,因为前期对实际模型的分析与试验,根据现有实物模型进行改造再设计,通过逆向设计得到的模型数据相比正向直接建立模型更能迅速找到产品适合的开发设计方案,适度缩短了产品开发周期。与此同时,还可以实现客户需求的私人定制,结合参与试验的模型,可以利用建模软件对产品外观、产品功能、产品分解部分设计进行设计与修改,更好的贴和客户的个性化要求。而不再需要反复测量数据进行试验,这不仅提高了产品设计研发的效率,也以更高效的方式满足了个性化需求。
实现实物逆向建模首先需要采集实物点云数据,点云数据即通过测量实物表面的点在X、Y、Z三个坐标位置的数值,得到得大量坐标点的集合。根据测量头在测量时是否与实物相接触,分为接触式、非接触式两大类。本次建模的实物对象是葫芦,葫芦是一个曲面立体物体,其表面比较光滑,接触式测量头无法接触到葫芦表面的所有点,测量数据不准确。因此本文采用非接触式测量仪,即激光扫描仪采集葫芦实体的点云数据。
实物如图2所示。首先需要在葫芦的表面贴点,激光扫描仪通过拍照的形式以贴点的位置作为参考,参加大量的点云数据,最终生成点云数据文件。如图3所示。扫描完成后,由于扫描仪的技术限制及扫描环境的影响,不可避免地带来多余的点云或噪点,可手动选择这些点云删除。然后将点云数据文件导入Geomagic Studio 2016软件,对葫芦点云数据进行初步的处理,包括删除体外孤点、减少噪点、统一采样频率等。然后利用“封装”命令把点云数据聚合在一起形成面片模型,在形成的面片模型基础上进行填充孔、删除钉状物、去除特征、砂纸、网格医生等操作,使模型表面变得更加光滑。优化处理后的面片数据可以导出stl格式文件,进行完成逆向建模的准备工作。如图2所示。
图2 葫芦模型图
Geomagic Design X软件是美国3D Systems公司推出的一款功能强大的逆向工程设计软件,是Geomagic系列软件中专门用于曲面模型重构的软件,是业界最有效的基于3D扫描的CAD解决方案,该软件具有结合实体数模、高级曲面建模、网格编辑和点云数据处理等功能。在建模过程中,如果点云处理之后得到的面片数据相对简单、规则,则可以采用Pro/E、Solidworks等软件进行建模,而如果建模模型的曲面特征不规则、比较复杂,则多采用Geomagic Design X完成逆向建模设计。
将葫芦面片模型导入Geomagic Design X,如图4所示。Geomagic Design X可以实现逆向建模,也同时具备正向建模功能,用户可以根据需要,采用Geomagic Design X软件中提供的正向建模工具,设计简单的图形或实体,并与逆向建模的模型相融合,可以导出CAD文件。
4.2.1 领域的划分
在逆向建模过程中需要提取物体特征,以物体特征为基础,进行后续的建模操作。葫芦模型为一整体,在建模前需要对其进行划分。Geomagic Design X中领域组命令就是计算机根据实物面片数据的曲率值自动识别、分析物体的表面特征形状,并以不同颜色加以分割。领域组在划分后通常会形成包括圆柱、圆锥、球儿、圆环等在内的标准形状;也包括平面、回转、自由体等在内的非标准形状。通过领域组的划分可以精确地识别出对象的外表面特征,为接下来的建模奠定基础。由于葫芦本身不规则,使得自动分割不能很好地反映物体的准确特征,自动领域组划分后,可以进行领域组的编辑。利用“添加新领域”命令可以将不符合要求的特征划分掉,将领域特征进行细分,划分出新的领域特征。如图3所示。
图3 基于曲率值的领域划分图
4.2.2 坐标对齐
创建基准线、基准平面和点,葫芦由于自然生长,其外形各异,并不是规则的圆形或圆柱型,如果并不正,或者不能站立住,需要在领域划分的基础上,追加中心葫芦底平面为水平基准面,并提取葫芦轴心线为基准轴线,选取参照线和平面的交点作为坐标原点。
4.2.3 葫芦实体重建
(1)建立多个平面
Geomagic Design X软件中系统默认建立三个平面,分别是前面、上面和右面。以这三个平面为基准,可以新建多个平面,葫芦作为不规则的近似圆柱体,无法确立最准确的唯一平面,需要使用偏移命令追加多个平面。先选择 “上面”这个参考平面,利用偏移命令,设定偏移方向和偏移数量,从而得到多个平面。再选择 “右面”这个参考平面,利用偏移命令,观察偏移形成的位置,从而修改偏移方向和偏移数量,进而得到多个平面,为后续的建模操作奠定基础。
(2)平面与平面相交建立参考线
平面与参考线是Geomagic Design x建模的基础,而参考线的建立有多种方式,对于不规则模型确立参考线不能直接拾取,也不能在模型上直接划定,只能通过平面相交的形式确定。在葫芦建模的过程中,通过平面偏移得到的多个平面相交确定葫芦的位置和中心轴线,以确定的中心轴线作为参考线,为后续的建模操作奠定基础。
(3)以平面为基础绘制草图
草图是进行建模操作的基础,而若想绘制草图首先要确立参考平面。首先需要选择确定参考平面,进入“面片草图”命令,在“面片草图”设定界面中移动剖面获取有效轮廓线,并以此轮廓线在参考平面上形成投影线,根据投影线利用草图工具绘制草图。在面片草图设置中,拖动稍细的箭头可以改变断面的位置,获取物体不同位置轮廓线,拖动稍粗的箭头可以扩大投影线范围。当物体外表面未能全部扫描完整,可以通过移动剖面获取相对完整的部位,使得草图能表现正确的表面特征。Geomagic Design x提供的绘制草图的工具有很多种,利用圆、相切圆、三点圆弧、剪切等工具可以沿着投影线绘制草图。草图在绘制过程中需要尽量贴合物体轮廓线,以便于进行后续的操作。
(4)以草图为基础,围绕参考线进行回转,得到葫芦实体
回转建摸是以轮廓线为基础,沿着一个轴线旋转实现实体或曲面建模。在回转建摸中草图的绘制至关重要,首先要准确的获取实体的外表面轮廓线作为草图,且此草图必须是封闭的,且可以沿某一轴线进行回转。在葫芦实体建模过程中,通过平面与平面相交获得了参考线,可以以此参考线作为轴线;在第三个步骤中以平面为基础绘制了轮廓草图,获得了葫芦表面特征的外轮廓线,需要通过“分离终点测试”检查轮廓线是否封闭,确保连接点处未呈现绿色,即草图呈现封闭状态。选择“回转工具”命令,选择相应的草图轮廓线,选择轴线,设定360度旋转角度,从而得到葫芦实体。
4.2.4 偏差分析
使用Geomagic Design X建模软件完成葫芦模型的建模后,可以使用软件自带的“Accuracy Analyzer的偏差分析功能,对所建模型的曲面值进行偏差分析,分析其与原始面片数据的偏差程度。通常情况下用户可以自己设定偏差范围,在本次葫芦模型的偏差分析中,将偏差的上限和下限分别设定为0.1mm和-0.1mm,软件会根据用户设定的偏差范围自动计算出所建模型与原始面片数据之间的偏差,并采用偏差云图的方式显示出来。如图4所示,绿色表示在公差许可范围内,颜色越接近红色表示误差越大。由图可以看出,葫芦建模之后的数据基本上大部分在公差许可范围内。小部分区域未获得良好偏差测试结果,需要进一步考虑表面平滑程度,扫描是否完整。偏差分析后,结果较理想,通过布尔操作可以形成整体结构模型,以便于后续的设计操作。
图4 偏差分析图
通过扫描葫芦实体,点云处理,逆向建模过程得到了偏差允许范围内的葫芦模型数据。这从很大程度上克服了传统工艺下使用工具测量,制作模具,反复试验模具的过程。直接通过实物得到了三维模型数据,基于得到的三维数据模型和用户的需求,后续可以用计算机辅助设计软件等先进制造技术完成具体细节与用户定制化需求产品设计。这很好地实现了将实物模型直接运用到用户定制化产品设计过程,而且效率更高,更具后续的创新与经济价值。
在原有葫芦的基础上,设计增加了镂空设计,镂空花纹可以根据用户的需求进行定制,例如字母、图案等。将原有的葫芦产品进行改造,利用Geomagic Desgin X软件将镂空部分的具体参数进行试验与细化,同时也可以实现对葫芦具体参数的设定,例如壁厚,曲率等。就此可以形成小型空气净化器的初步外观模型,在实现私人定制的同时,满足空气净化器的功能需求。
葫芦实物往往是光滑的,在手部抓握过程中往往会出现不便。在和用户确定其实际应用地点与方式后,可以增加手握纹理处理的方法克服葫芦本身的缺陷。与此同时,手握纹的宽窄、样式可以根据用户的手型、抓握方式进行个性化设计,利用Geomagic Desgin X软件将手握纹部分的具体参数进行试验与细化,导出三维模型数据,模型数据具备兼容性,后期再进行其它设计时,可以直接导入Rhino、3D Max等软件,方便使用不同建模软件完成拓展设计工作。
在创新设计过程中,考虑到设计产品为空气清新剂容器,需要具备放置空气清新剂的专门区域。此外,考虑葫芦实物特点,底部多成圆滑不规则曲率的曲面,在固定和放置平稳度上存在缺陷,因此增加了底座设计,底座花纹图案、形状、样式可以实现私人订制,在此过程中可以使用正向建模软件进行具体细节设计。同时可以通过正向建模软件将葫芦建模体与底座建模体相分离,作为装配组件,在实际应用中可以灵活的将底座拆分下来,从而再后续的设计中增加专门放置空气清新剂的区域,实现其作为空气清新剂容器的功能。
图5 创新设计图
采用Geomagic Design X软件以逆向建模方式完成对葫芦模型的再建与重构,其操作过程简单,建模速度快。经过实物采集、点云数据处理、面片数据分析等过程完成逆向建模,最终形成满足偏差范围的葫芦模型,与此同时,使用Geomagic Design X软件也可完成简单的正向建模设计,进行了一定的个性化创新设计。由此可以看出使用Geomagic Design X软件进行逆向建模设计可以适度缩短产品开发周期,降低设计过程难度系数和研发成本,根据用户的需求进行个性化产品定制,具备一定的社会价值与应用价值。