基于Geomagic Wrap和Design X铁锨逆向设计

王 学，靳峰峰

(1.济源钢铁集团有限公司一冶炼厂，河南 济源 459000；2.济源职业技术学院，河南 济源 459000)

0 引言

随着科技不断进步和经济的快速发展，人们越来越注重身体健康。户外活动越来越受人追捧，而一直仅作为农具的铁锨转变成为户外活动的装备之一。人们用它防身、开路、挖野菜等，给户外活动带来便利。因此，铁锨外形改造就显得尤其重要了，因构成铁锨的各个面都是曲面，其产品优化适合逆向设计。

1 逆向设计流程

逆向工程设计的主要流程：获取点云数据、处理点云数据、重建原型CAD模型。

获取数据是逆向设计CAD建模的首要环节。获取点云数据是运用数据测量设备获取实物模型表面点云，通常采用的数据测量设备有三坐标测量机、三维数字化扫描仪、工业CT和激光扫描测量仪等。

点云处理运用点云处理软件的相关功能进行，消除多余的点，获取比较整齐的点云，并多边形化处理。点云处理是逆向工程CAD建模的关键环节，可以直接影响后期重建模型的质量。主要内容包括散乱点排序、多视拼合、误差剔除、数据表面光顺、数据精简、特征提取和数据分块等。

逆向建模：利用处理好的数据，在逆向工程软件中进行曲面重构和曲面拼接，获得原有产品的三维CAD模型。此技术涉及计算机、图像处理、图形学、神经网络、计算几何、激光测量和数控等众多交叉学科及领域。运用CAD系统模型,将一些分割后形成的三维点云数据做表面模型的拟合,并通过各曲面片的求交与拼接来获取零件原型表面的CAD模型。其目的在于获得完整一致的边界表示CAD模型,即用完整的面、边、点信息来表示模型的位置和形状。

2 铁锨逆向设计

市场上销售的铁锨较多。铁锨具有以下特点：(1)自由曲面多，实物模型用正向设计软件很难建立；(2)尺寸适中，适合运用三维数字化扫描仪获取数据；(3)铁锨本身精度不高。

2.1 获取点云数据

运用三维数字化扫描仪对铁锨进行扫描获取点云数据。铁锨整体点云如图1所示。

图1 铁锨整体点云

2.2 点云数据处理

运用Geomagic Wrap将铁锨正面点云数据分别统一曲率、着色、选择非连接项，删除多余点云后进行注册。

手动注册指在重合区内定义对应点以允许用户创建两个或者更多重合扫描数据的初始拼接，全局注册是对两个或更多初始拼接后的点对象或者多边形对象的精细拼接。如图2所示，将铁锨正面点云设置为固定的，将背面点云设置为浮动的，选择两块点云的共同特点，使背面点云靠近正面点云，看起来像整体点云，然后全局注册使两块点云精细拼接。

点云封装数据、删除钉状物、填充数据孔特征、去除特征、光顺处理数据、保存数据。这个过程将点云数据编程三角面片，处理后数据如图3所示。

图2 铁锨点云手动注册

图3 铁锨三角面片

2.3 逆向建摸

对产品逆向建模，获取3D模型，为优化设计奠定基础。

逆向建模基本步骤：运用Design X提供的命令进行建模。逆向建模可以分为领域划分、对齐坐标系、建模三个阶段。领域划分是根据扫描数据的曲率和功能将面片归类为不同的几何形状领域，经过分类的特征领域具有几何特征信息，可用于快速创建特征；对齐坐标系，将扫描坐标系和建模软件坐标系对齐，如图4所示；铁锨的各个面都是曲面，适合使用Design X中面片拟合命令，拟合出各个面，如图5所示；然后运用剪切命令裁出铁锨曲面模型，如图6所示；运用Design X赋厚曲面，得到铁锨的实体模型，如图7所示。

图4 对齐坐标系后铁锨

图5 曲面拟合铁锨的各个曲面

图6 裁剪后的铁锨曲面模型

图7 铁锨实体模型

3 结论

运用三维扫描仪获取铁锨的点云数据，并运用Geomagic Wrap中手动注册获取模型的完整点云，为获取薄壁件点云提供方法；对数据进行处理，得到铁锨外形的三角面片；运用曲面拟合命令获取模型的各个曲面并剪切，得到曲面模型，运用赋厚曲面得到模型的实体，为铁锨的逆向设计提供参考。