基于Geomagic与中望3D车载吸尘器外壳曲面重建和结构设计＊

曾 锋

（广东工贸职业技术学院机电工程学院，广东广州 510510）

1 引言

逆向设计是一种效率很高的产品设计手段，可以极大地缩短产品的研发时间，降低产品的设计成本，其中快速曲面重构是逆向设计软件的发展方向。逆向设计代表软件有Geomagic Wrap，以车载吸尘器逆向设计为例，其主要的设计流程是：点云数据优化处理及三角形面片化，对三角形面片编辑处理，快速曲面重建，完成产品外壳曲面造型，最后将图形导入中望3D软件进行内部结构设计，最后3D打印加工并进行产品验证。下面运用以上设计方法对车载吸尘器进行外壳曲面逆向重构和内部结构设计。

2 车载吸尘器点云处理

2.1 点云数据的获取

高效并且准确的获取样件的点云数据，是实现产品逆向设计的前提和关键，其中完整性与精度是点云数据准确性的两个衡量指标，目前，根据测量方式的不同，点云数据的获得主要通过两种手段，分别为接触式测量和非接触式测量两大类。本次车载吸尘器点云的获得是利用非接触式测量获得，也叫拍照式扫描仪，这类扫描仪的特点是测量速度比较快，效率非常高，可以大幅提高逆向设计的效率。利用扫描仪扫描样件获得点云时，需要对样件喷涂白色的显像剂，同时，样件上需要粘贴上标志点，这样不同方向扫描获得的点云可以通过标志点自动拼接在一起，形成一个完整的点云数据。扫描结果如图1所示。

2.2 点云数据的优化处理

为了更加清晰、方便的观察点云的形状，先将点云进行着色。扫描获得的吸尘器点云数据存在很多的杂点，为了高效率完成点云数据的处理,我们需要对其进行快速选择，并且，进行删除杂点，在Geomagic Wrap 中对点云中的杂点有以下操作：非连接项命令选择的是指同一物体上具有一定数量的点形成点群，而且相互间分离。通过调节点群距离主点云距离的大小来进行选择并删除。体外孤点命令选择与其它大部分的点云有一段距离的点，敏感度低数值选择远距离点，数值高选择的范围接近真实数据。点云数据的优化处理一般通过以上命令来完成，如果仍然没办法删除杂点，就只能手动进行选择并删除，能选择的菜单命令主要有套索，画笔选择工具。

3 点云数据的多边形处理阶段

点云数据通过三角形网格化后进入多边形面片处理阶段，点云多边形面片模型是由大量的三角形面片组成。因为点云一般都会有一些表达不准确的点，由这些不准确的点构成的三角形面片也要进行删除处理。在对点云进行封装之后，也出现破面、空孔，如图2所示。

对三角面片数据的处理，第一步先使用松弛命令，松弛命令可以最大限度减少单独多边形之间的角度，使面片更加平滑；第二步选择删除钉状物菜单命令，“删除钉状物”对话框中，“平滑级别”调到在中间位置后，鼠标点击“应用”；第三步，由于模型存在部分位置点云数据不完整。使用填充孔命令可以修补缺失的位置，在通常的填充孔过程中，如果直接填补孔洞的效果不好，可以把孔洞旁边的三角面删除，然后再进行孔洞填充，填充完整的三角面如图3所示；第四步，对于不平滑的区域，可以使用去除特征功能。对于点云数据中存在的一些缺陷，利用套索工具圈选特征，在多边形工具条里使用去除特征功能命令，便得到优化后的模型形状，并将该区域与旁边其它区域形成光滑的连续状态。最终点云处理结果如图4所示。

4 Geomagic Design X快速曲面重建阶段

首先导入“STL”数据，建立坐标系。由于模型是对称模型，可以先做一半，然后利用镜像命令完成模型的整体外形创建。由于模型的孔位较多，可以利用面片草图进行提取线条，并利用布尔运算创建孔位筋条。模型拥有不规则圆角，需要使用不规则圆角命令并通过精度分析调整。建模精度分析，最后导出“STP”标准格式数据，为下一步结构设计做准备。

（1）特征领域创建。

Geomagic DesignX 具有强大的点云数据处理能力和逆向设计的功能，其中在逆向建模中最常用的就是领域功能命令。点击“领域组”命令，进入到领域组模式。运用手动分割的方式，利用不同颜色来区分领域，如图5所示。进行领域划分目的是为了区分每一个面的特征，方便后面使用面片拟合等高级曲面建模命令，并且要使用“田”字格式划分，方便面片拟合命令的计算和精度。

（2）构建主体曲面。

利用面片拟合命令，选择图6所示的区域，分辨率选择“许可偏差”，偏差值可以设置为0.1，平滑适中，选择延长选项，手动拖拽以调整大小。并创建另外几个领域。利用剪切命令，对创建的曲面进行剪切。利用可变圆角命令，进行倒圆角。利用精度分析功能，调整所选圆角的大小，使得可变圆角的尺寸匹配点云。利用剪切和镜像命令，从中间剪切曲面，并进行镜像和缝合，如图7所示。利用面片草图命令，创建小特征。

（3）精度分析。

对逆向建模完成后的模型进行精度分析是对产品的还原度进行实际验证的重要步骤。主要是分析逆向构建的曲面与车载吸尘器点云之间的偏差，点击分析工具栏中的体偏差功能，最终效果图如图8 所示。图8右侧面为偏差数值表，颜色和数值代表了误差范围，车载吸尘器模型中显示绿色部分，表示曲面与点云的偏差在-0.1～+0.1mm，误差很小。显示为颜色红的部分说明曲面与点云偏差大于+0.1mm，颜色越红偏差越大，显示颜色为蓝色，说明该特征面与点云数据小-0.1mm，颜色越蓝偏差越大。图8中车载吸尘器模型颜色显示基本为绿色，模型与点云的误差小于0.1mm，符合逆向设计精度要求。

5 中望3D软件结构设计

（1）拆分模型，进行内部结构设计。

将文件另存为STP 格式后导入中望3D 中打开，然后通过“简化”命令，将不需要的特征进行删除。使用这个命令通过删除所选面来简化某个零件。这个命令会试图延伸和重新连接面来闭合零件中的间隙。创建想要的模型特征，主要模型特征是通风孔，开关按钮，滤网和挡位按钮，如图9所示。通风孔采用圆孔型，位置处于电机的侧边，保证散热正常。

拆分模型，进行内部结构设计。塑料模具的分型面选择需要有利于塑料制品出模；模具结构能够被简化；有利于塑料模具配模；有利于保证塑料制品的表面质量。在车载吸尘器模型中，选取其截面尺寸的最大处为其分型面，如图10所示。

在模型的内壁增加加强筋，布置加强筋可以增强产品的强度和刚性，保证产品不会歪扭变形，并节约塑料的用量，减轻产品重量，降低生产成本。

（2）车载吸尘器前壳的创建。

在已知装配线的情况下，通过创建草图，对曲面进行放样，并进行倒角。分别设计风口，设计滤网盖子，开关按钮和挡位按钮，最后的完成车载吸尘器的结构设计，产品造型分解图如图11所示。

6 产品3D打印加工及装配

在中望3D 软件中将吸尘器模型导出为STL 格式，并导入3D 打印软件CURA4.8 中进行切片处理。由于使用的是PLA 材料，所以3D 打印加工的设置参数为：喷嘴温度：200°打印床温度：60°走丝速度：50mm/s。打印车载吸尘器前盖，采用如图12 所示这种方式摆放，能最大程度减少支撑的数量，并且提供曲面质量，使支撑只在内部的进出风口的位置。为了方便拆除支撑,采用锯齿形15%密度的支撑。为了保证支撑能更好的粘附在打印工作台上，在模型的底部增加了一个木筏，保证模型在打印过程中不会移动。打印切片的层高设置为0.2mm，首层高度给0.15mm，使得底部木筏能更好的粘附在打印床上。打印底层木筏时，不需要开启冷却风扇，以便木筏能更紧附在打印床上。最大限度减少薄壁的支撑，避免拆除支撑时破坏薄壁。由于开关和档位按钮体型较小，可以采取两个一起打印的方法。最后打印完所有零件，去除支撑材料，装配并进行产品验证，如图13所示。

7 结论

随着工业设计技术的发展，越来越多的复杂曲面产品应用在日常生活中，产品逆向设计技术的应用，能极大的缩短新产品的设计周期，提高产品竞争力。通过拍照式扫描仪得到样件的点云数据，在Geomagic软件中快速重建产品的曲面，然后，在中望3D设计软件中对曲面产品进行结构设计，最后，通过快速成型技术制作样件并进行产品验证，极大的缩短了产品的开发周期，大幅度降低企业设计成本，对复杂曲面产品的设计具有借鉴意义。