基于Geomagic Wrap的甲壳虫玩具汽车车身逆向设计

李 峰 阳夏冰

(武汉城市职业学院机电工程学院，湖北 武汉 430064)

1 点云数据采集

本次设计中数据采集使用北京技睿新天科技有限公司的JR双目三维扫描系统，该系统运用标志点拼接技术，在三维扫描过程中不需要人为干预，对复杂实物样件多个角度扫描，可以得到较为完整、相对精确的三维点云数据。

在点云数据采集之前应对扫描件进行结构分析，观察工件是否为反光工件，若是反光工件则应对其表面进行处理，由于本次所扫描的甲壳虫玩具汽车车身模型的反光能力较好，不需要做表面处理。该玩具汽车车身模型表面积较小，采用自动拼合扫描，这样扫描的点云拼接精度更高。由于该玩具汽车车身模型需要从多个角度扫描，所以还需在模型的表面贴上标志点，这样系统在自动拼合点云的时候多次扫描得到的不同坐标系的点云就可以通过粘贴的标志点实现自动拼合。本次模型通过JR三维扫描系统多次扫描自动拼合后得到的原始点云数据导入到Geomagic Wrap软件进行数据处理(图1)。

图1 拼接后获得点云数据

2 点云数据处理

在采集数据时得到的初始点云数量非常多，且存在很多重叠、偏离主曲面等无用的点云，这些都不可以直接用来进行曲面的重构，所以要对扫描后的初始点云数据进行精简优化处理。

(1)将扫描的甲壳虫玩具汽车车身点云数据导入Geomagic Wrap界面，点击点工具栏的着色图标，软件会自动计算点云的法线，在点云上开启照明和彩色效果，以帮助用户更好的观察其几何形状。如果扫描点云点击着色仍然是黑色可以先点击删除法线然后再点击着色。

(2)点击点阶段工具栏的非连接项图标，弹出选择非连接选项的对话框，在设置“分隔”中选择“低”，然后点击确定，软件自动选择非连接项的点云。退出对话框后按键盘上Delete键即可删除选中的非连接的点云。

(3)点击点阶段工具栏的体外孤点图标，此时弹出体外孤点对话框，将敏感度设置为85左右，点击应用后确定，软件自动选择体外孤点，按按键盘上Delete键即可删除选中的红色点云，该命令可以使用2～3次。

(4)点击点阶段工具栏的减少噪音图标，进入减少噪音对话框，选择参数中自由曲面形状，偏差限制设置为0.2 mm，点击应用后确定。在扫描过程中扫描样件表面质量较差、喷显影剂不均匀、扫描设备轻微震动、光线变化等都可能会出现噪音点。

(5)点击点阶段工具栏中的统一采样图标，进入统一采样对话框，在输入中选择“绝对”“间距”里输入0.35 mm，优化中“曲率优先”拖到中间位置，勾选“保持边界”点击应用后确定。如图2所示。这样在不影响精度的情况下既可以快速删除重叠点云、稀释点云数量来减少整体点云数量，同时还保留了样件模型原有的形状。

图2 点云处理

(6)点击点阶段工具栏的封装图标，进入封装对话框，直接点击确定，软件根据处理好的点云自动计算完成三角形面的转换。

(7)点击多边形工具栏的选择填充单个孔图标，填充需要修补的孔，最后按ESC退出命令。

(8)点击套索选择工具图标，进入套索选择工具的选择状态，选择有缺陷的三角面，点击多边形工具栏的去除特征图标，软件将根据选择的红色三角面周围的曲率变化进行光顺处理。

(9)点击多边形工具栏下的砂纸图标，将强度拖动至第二格，点击固定边界，鼠标拖动需要光顺处理的面直至修复完成，点击确定。

(10)点击多边形工具栏下的网格医生图标，软件将自动选中存在缺陷的三角网格面，点击应用后确定。该工具可以实现快速修复多边形网格内存在缺陷的三角面。

(11)点击多边形工具栏下的增强网格图标，点击应用后确定。该命令常用于在曲率较大区域增加点云而不破坏原有的形状，完成多边形阶段处理(图3)。

图3 多边形处理

3 创建 NURBS 曲面

在Geomaic Wrap精确曲面阶段可以是从多边形阶段转化完成后经过一系列的编辑修复处理，得到相对理想的曲面模型，也可以根据编辑处理优化好的多边形三角面片自动拟合成NURBS曲面。本次设计曲面较简单，使用自动曲面功能进行拟合NURBS曲面。

(1)点击精确曲面图标，新建曲面片布局图，将三角形网格面转换为NURBS 曲面，进入精确曲面编辑处理阶段。

(2)点击自动曲面化图标，选择几何图形类型为“有机”、指定曲面片计数为“自动评估”、调节曲面细节值为中值、曲面拟合适应性公差设置为0.02 mm，单击应用后软件开始自动拟合曲面。

4 偏差检测分析

创建完成后的NURBS曲面模型可以与扫描处理后的点云数据进行偏差分析，观察创建完成后的NURBS曲面质量，同时通过偏差检测分析功能获得的偏差数值，可用于编辑修改NURBS曲面，减少曲面与原样件实物误差量，满足产品创新设计开发需要[1]。点击分析“偏差”图标，点击应用，软件对创建的NURBS曲面进行偏差分析计算。本次甲壳虫玩具汽车车身的偏差检测分析结果如图4所示。甲壳虫玩具汽车车身 NURBS 曲面标准偏差为0.0187 mm，最 大 距 离 偏 差 为+0.0084 mm 及-0.0105 mm，平均距离偏差为0.0023 mm。图示偏差显示条往上正偏差逐渐增大，往下负偏差逐渐增大，中间部位偏差较小，模型上绿色区域是拟合质量较好的区域[2]，从图中可以看出，拟合后的曲面模型基本上都在绿色偏差范围内，表明拟合后的曲面与扫描点云数据的偏差很小[3]，所设计的曲面质量满足要求。对拟合完成后的NURBS曲面可以保存成IGES格式或者STEP等其他格式，直接导入到CAD/CAM/CAE软件中进行后续的产品创新设计、数控加工与模型分析等。

图4 误差检测分析结果

5 结语

采用三维扫描技术采集样件模型点云数据，结合逆向设计技术对采集的点云数据处理及三维曲面重构，获取到的三维数据模型进行偏差检测分析处理后输出成IGES格式或STEP等格式，直接导入到CAD/CAM/CAE软件中进行后续的设计、加工与分析，大大缩短了新产品的研发和上市周期，提高了企业新产品设计和生产效率，降低了企业成本，在促进客户化、小批量和单件产品设计研发生产模式的发展等方面发挥了重要作用。