基于Geomagic和快速成型的产品逆向设计

伍咏晖，严桂英

（广西机电职业技术学院，广西南宁530007）

软件应用

基于Geomagic和快速成型的产品逆向设计

伍咏晖，严桂英

（广西机电职业技术学院，广西南宁530007）

采用Geomagic逆向工程软件，将逆向工程与快速成型相结合，对茶壶实物进行数字采集与处理、模型三维重构与快速成型制造，可实现产品的快速三维设计与成型。逆向设计加快了产品开发的进程，能快速满足社会需求。

Geomagic；快速成型；逆向设计

随着计算机技术与CAD/CAM技术的发展，逆向工程技术与快速成型技术也得到了飞速发展。在产品开发中采用逆向工程技术，可以快速重构出实物原型的数字模型，还可以根据需要在原型的基础上进行创新设计。快速成型技术可以将设计好的数字模型快速转换成产品原型件，且在制造过程中不受到模型外形与结构的影响。因此在复杂曲面产品的设计中，采用逆向工程与快速成型相结合，可实现产品的快速三维设计与成型［1］。

传统的逆向设计一般采用逆向软件和正向三维CAD软件将点云进行处理后，按点线面的构建方式，将点连成线，线构成面，再经过布尔运算构建出实体三维模型［2］。这种方法对尺寸精度、质量要求不太高的复杂不规则曲面模型，如玩具、工艺品等产品的逆向设计流程较为复杂，对设计人员的经验和技术要求也比较高。此外，设计好的曲面模型需要制作样品时，采用传统加工方法成本高、制作周期长，不利于新产品的快速开发。

Geomagic逆向工程软件处理点云数据简单方便，且可以快速构建出所需的复杂不规则曲面。因此，本文在逆向设计中采用Geomagic逆向软件，经过数据处理后，直接在Geomagic软件中构建出NURBS曲面［3］。将拟合出的曲面导入三维CAD软件，经过相应操作生成三维实体模型，最后利用快速成型技术快速制作出实物模型。利用Geomagic软件强大的数据处理功能与便捷的曲面设计功能，结合功能齐全的三维CAD软件及简单快速的快速成型技术，可快速设计与制作出复杂不规则曲面模型，缩短了开发周期，降低了研发成本，为玩具、工艺品等复杂曲面产品的快速开发提供了一种新的途径。以下以茶壶为例，采用Geomagic逆向工程软件，将逆向工程与快速成型相结合，对茶壶实物进行数字采集与处理、模型三维重构与快速成型制造。

1　基于Geomagic和快速成型的茶壶逆向设计

1.1茶壶点云采集

本文采用3D CaMega PCP-300便携式光学三维扫描系统进行茶壶的数据采集。PCP便携式光学三维扫描系统是将多组光栅条纹投影到实物表面，由CCD将拍摄到的条纹图像传输到计算机中，根据条纹按曲率变化的形状，利用相位法和三角法等精确计算出实物表面的点的空间坐标，形成三维点云数据。多方位测量时，不需要粘贴标记点，可利用纹理特征实现自动拼接，数据采集稳定精确。

采集前，先将茶壶表面清洗干净，同时因为茶壶本身颜色较暗，需要在茶壶表面喷上反差增强剂，使茶壶表面反射的光线得以充分接收，茶壶实物如图1所示。在扫描过程中，为将茶壶的全部轮廓扫描完整，需将茶壶放在转盘中间，在转盘旋转的多个角度分别进行多次拍摄，获得茶壶外形的多个点云数据。通过扫描系统的CloudForm三维数据处理软件，利用茶壶表面的纹理和特征点，对不同方位的点云数据进行自动拼接，形成完整的茶壶三维点云数据。

图1　茶壶实物

1.2茶壶点云数据处理

打开Geomagic软件，导入茶壶三维点云数据，导入的点云数据因各种因素的影响存在着错误信息，必须进行相应处理。多次利用体外孤点命令，删除体外孤点；利用减少噪音命令，去除噪音点；利用统一采样命令，降低点云数据集的密度。经过处理的茶壶点云数据如图2所示。

图2　茶壶轮廓点云

1.3茶壶三角网络面生成与NURBS曲面重建

将茶壶点云数据封装成初始三角网络面后，需要通过相关命令来调整三角网络面，改善曲面质量。可利用填充孔、去除特征、网格医生、简化多边形、砂纸及松弛等命令实现三角面片的规则化，使茶壶模型表面更加平滑光顺，如图3所示。由于茶壶轮廓的纹路不明显，在此采用“探测曲率”命令，创建轮廓线。通过利用构建曲面片、修理曲面片及松弛曲面片等命令，创建与编辑出茶壶曲面，再通过构造栅格，形成U、V控制线，如图4所示。最后利用拟合曲面命令构建出较高质量和较少面的茶壶NURBS曲面，如图5所示

图3　茶壶三角网络面

图4　茶壶栅格图

图5　茶壶NURBS曲面

2　茶壶三维实体模型创建与快速成型

将茶壶NURBS曲面以STEP格式导入到UG软件中，通过缝合、拉伸、修剪片体、回转、修剪体、管道等命令，经过创建与编辑曲面生成三维实体模型，如图6所示。将茶壶三维模型进行STL格式转换，并进行相应修补处理，最后转换成快速成型机所需的STL格式文件，采用国产经济型TSJ成型机进行茶壶的快速制造，TSJ成型机采用熔融粘结成型机理，通过加热丝状热塑性材料至熔融态，按照截面的二维轮廓进行涂覆，形成截面轮廓，并逐层堆积成实物原型。该工艺采用加热方式，不需要激光系统，可靠性高，使用成本低。在TSJ成型机上设置好成型参数，加工出茶壶原型件，如图7所示。

图6　茶壶三维实体模型

采用逆向工程与快速成型技术进行产品逆向设计，已经成为产品开发领域的研究热点。利用Geomagic软件，可快速重构出实物原型的三维曲面，并可进行修改与创新再设计；利用快速成型技术可根据设计快速制造出原型件，加快了产品开发的进程，提升了企业竞争力，能快速满足社会需求。

图7　茶壶快速成型件

3　结束语

［1］陈田，全志龙，王旭，等.基于逆向工程的典型零件快速成型及误差分析［J］.上海电机学院学报，2015，18（6）：311-315.

［2］谢英星，张晓红.基于Geomagic Studio和快速成型技术的产品设计［J］.工具技术，2015，49（6）：61-65.

［3］张军，梁楚华.基于GEOMAGIC的实体模型逆向重构［J］.机械工程与自动化，2010，162（5）：192-194.

ProductReverse Design Based on Geomagic and Rapid Prototyping

WU Yong-hui，YAN Gui-ying
（Guangxi Technological College of Machinery and Electricity，Nanning Guangxi 530007，China）

With the combination of reverse engineering and rapid prototyping，the Geomagic software can be using to deal with data collecting and processing，3D model reconstruction and rapid prototyping manufacturing for the physical teapot.It can realize 3D rapid design and manufacturing of product.The reverse design can accelerate the product development process and meet the needs of the society quickly.

geomagic；rapid prototyping；reverse design

TH391.7

A

1672-545X（2016）05-0214-02

2016-02-12

广西机电职业技术学院科研项目［2011］KY02；广西高等教育教学改革工程项目（2012JGA333）；广西高校优秀中青年骨干教师培养工程资助成果

伍咏晖（1973-），男，广西宾阳人，副教授，工学硕士，研究方向：先进制造技术。