基于多软件的逆向建模定制化产品设计*

祝洲杰

(浙江机电职业技术学院,浙江杭州 310053)

基于多软件的逆向建模定制化产品设计*

祝洲杰

(浙江机电职业技术学院,浙江杭州 310053)

针对目前工业产品体现出的定制化特性,提出了一种基于多软件的产品设计方法。首先,利用逆向设计软件对参照产品进行逆向建模,获得参数化的数据模型;其次,在该模型的基础上,通过引入图形处理软件解决了基于复杂图案等元素进行实体特征建模的难题,使定制化设计实现了从参照产品到个性定制的衔接。该方法利于设计创新,能大幅缩短产品开发周期。

定制化设计;逆向建模;参数化;图元;矢量化

0 引 言

从工业产品设计与制造的宏观发展历程看,可以分为少量定制、少量标准化、大批量标准化生产、大批量定制化和个性化量产[1]五个阶段。随着供需关系的变化和互联网数据化时代的到来,整个行业逐渐从“福特”式的批量时代走向个性化量产时代。设计师的工作不再是只考虑产品功能的实现,在设计中融入客户多样化需求的定制由于能使产品具备更鲜明的个性而越来越受到关注和青睐。

而在定制化设计中,设计师往往会遇到两方面的问题：①客户提出的定制要求,往往可以从现有工业产品中找到原型,若以此原型为基础进行再设计,可比从零开始设计节约大量成本和时间,但数据模型难以获得;②往往会遇到需要定制复杂的图案或花纹等元素的场合,此类要求则既费力又难做,该部分设计师较为头疼。

随着计算机技术的飞速发展,以上所述的两方面问题通过多种软件的结合使用已能方便快捷地解决。笔者以不甚规则的个性化手机壳设计过程为例,对该实施方案和操作流程进行了详细的论述。

1 快速参数化逆向建模

如前所述的第一方面问题,对于定制化设计来说,设计师最需要的是参照产品的数据模型,而现实中则往往只能得到实物样件或图片,无法直接进行后续设计[2]。而通过逆向建模技术,可以将这些资料转化为三维参数化模型,问题即引刃而解,此为定制化设计的第一步。

逆向建模技术基本沿袭的是数据获取、数据预处理、特征重构、数据化建模的构建步骤,本质上是将通过数据采集方法获得的被测产品点云数据转化为各类三维建模软件可编辑的参数化模型的过程。

常用的逆向软件分为两类：①一些商品化建模软件集成的逆向模块,如PTC的Pro/Scan-tools模块、UG的Point cloudy模块等;②专用开发的逆向建模功能软件,如Imagware、Geomagic Studio等,作为专用的逆向工程软件,其在点云数据处理方面更专业[3]。

因此在本例中,笔者选择使用Geomagic软件进行数据处理。首先是通过数据采集的方式获得参照产品(手机壳)的点云数据,导入Geomagic Studio进行数据拼合,得到完整的点云模型,如图1所示。

事实上,Geomagic软件的逆向数据处理过程基本遵循的路线是经点数据封装后转为多边形处理再进入模型表面拟合阶段从而实现最后的参数化。

由于测量中受到的人为因素或随机因素的影响,点云数据会包含大量噪声和坏点,因而需要应用Geomagic软件中的各项功能实现模型的去噪、滤波、平滑和数据精简处理,模型完成三角网格化处理[4]。

在进入多边形处理阶段,可使用软件对模型的三角网格进行筛查,图2为网格筛查后的问题结果。针对这些问题,可以使用软件自带的数据修复、松弛、简化、光滑、边界处理等操作获得理想完整的多边形模型[5]。至此,模型的数据都已从点拟合成了多边形,大量的错误数据已被移除。

图1 参照产品的点云模型

在确认去除了网格数据问题后,需要将数据模型通过软件精确参数化后拟合成准确的曲面才能生成标准三维建模软件可打开的STP或IGS格式的文件,方可进行后续的编辑和设计。Geomagic软件设置了两种方式供选择完成该步骤。第一种是通过精确曲面的“自动造面”来构件格栅,从而后台自动拟合出最后的曲面;如果遇到结构较复杂或不规则表面较多时,可采用第二种方法,即“参数曲面构造”,通过手动编辑轮廓线来分类分段拟合和修复曲面,得到准确的参数化模型。本例由于曲面较少,结构较简单,故采用了软件自动造面的方法完成该步骤,最后生成了STP格式文件。至此,模型的逆向建模及参数化已经完成,可以基于各主流三维建模软件在该模型上进行任意编辑特征和设计尝试。

2 复杂元素定制解决方法

在讲求个性的定制化产品设计时代,关于复杂元素的处理问题逐渐凸显了出来。随着工业3D打印技术的迅猛发展,一些原本只属于工业设计领域的概念化的想法逐渐有了实现的可能性,为定制化量产提供了极大的便利。

此类问题的最大难点在于往往复杂的图案或花纹元素都是由客户提供的样张,基本以图片的形式存在。由于图元本身不具备矢量性,三维建模软件对于此类图元几乎没有支持,处理比较困难。

以Pro/E为例,对于此类问题,工业设计人员的处理方式大多是在需要基于此类元素进行实体特征的基准面上通过“跟踪草绘”命令插入图片,然后进入草绘界面通过临摹的方法将图案和花纹元素通过绘制轮廓线的方式重新勾一遍。由于绘制的轮廓线是具备矢量性的,即可以此草绘进行实体特征编辑,完成设计。该方法虽能解决复杂元素设计问题,但需一笔一笔进行临摹,效率极低,在需要频繁更换复杂图元的定制场合,该方法不具备普遍性和可推广性。

该类问题难以处理的主要原因即在于复杂图元本身是不具备矢量性的,无法直接被建模软件识别进行特征编辑。基于此,若能使用特定的图片处理软件将图元提取出来,使之矢量化,问题将迎刃而解。具备此功能的软件很多,在本例中,笔者选择使用Algo-Lab Photo Vector、AutoCAD和Pro/E软件搭档完成了手机壳指纹图案个性定制设计。

笔者拟加入产品的图案如图3所示。该图案曲线交错复杂,若使用传统的方法解决则工作量大且易出错。而使用AlgoLab Photo Vector软件,则能轻松通过软件的后台处理得到该图的矢量化图元,并保存为AutoCAD软件可打开的DXF格式,图4为经转化保存的矢量化效果,图元可经由CAD软件任意编辑操作。

图4 转化后矢量图效果

图3 拟定制图案

至此,图元的矢量化已经完成,经过简单编辑去除图元中的坏点,即可将此DXF文件通过Pro/E软件的“插入共享数据”操作放至需要进行实体特征编辑的面或特征基准面上,如图5所示。由于图元已矢量化,在草绘中即可直接拾取这些图元建立基本的实体特征,非常方便快捷,图6为本例根据此图案做出的定制手机壳效果。

图5 插入图元效果

图6 产品最终定制效果

图7 手机壳手办模型

通过多软件的混合使用,可使处理该类问题的效率大大提高,尤其是在需要频繁更换图案的产品定制化概念下,该方法减轻了设计师的负担,更显人性化。图7为将三维模型使用3D打印技术制作出来的手办模型。

3 结 论

以上述模型的设计建模过程为例,可以看到通过逆向建模和特征参数化的技术结合的方式,极大地便利了设计师的创作和开发工作。可以随心所欲地根据客户的个性化要求设计定制产品或根据样品进行二次设计。从市场经济角度看,此方法不仅缩短了产品开发周期,提高了工作效率,也给设计创新提供了无限的空间和可能。

[1] 彼得·马什.新工业革命[M].北京：中信出版社,2013.

[2] 田华仁,冯兰芳,惠延波.基于Geomagic和Pro/E的章鱼实体模型逆向造型研究[J].机电产品开发与创新,2008(1)：94-95.

[3] 代菊英,涂群章,赵建勋.基于Geomagic、Imageware和Pro/E的机械零件逆向建模方法[J].工具技术,2012(5)：55-58.

[4] 丁恩伟.基于Geomagic和UG的快速参数化逆向建模方法[J].机械研究与应用,2012(3)：173-175.

[5] 蔡 敏.基于Geomagic Studio的特征建模技术研究[J].机床与液压,2014(11)：142-145.

Customization Design Based on Multi-Software and Reverse Modeling

ZHU Zhou-jie
(Zhejiang Institute of Mechanical&Electrical Engineering,Hangzhou Zhejiang 310053,China)

According to the customized characteristics of the industrial products,a kind of design method based on multi-software is proposed in this paper.Firstly,the reverse design software is used to process the reference product to get the parameterization model;Secondly,based on this model,problems of entity modeling based on the complex patterns and other elements are solved by using the graphic software,and the connection from reference products to customization products is realized.This method is beneficial to innovation,and also can greatly shorten the development cycle.

customized design;reverse modeling;parameterization;element;vector

TP391

A

1007-4414(2015)04-0234-02

2015-06-17

祝洲杰(1984-),男,浙江安吉人,工程师,研究方向：工程机械设计研究。