基于Geomagic和UG的电吹风曲面重建与结构设计

曾 锋

（广东工贸职业技术学院机械工程系，广东广州 510510）

0 前言

快速曲面重建是逆向工程软件系统的发展趋势。通过简化从点云生成CAD曲面的流程。缩短了曲面的重建过程，快速曲面重建系统的典型代表主要有Geomagic Stu⁃dio，其完整流程主要有从点云中重建出三角网格曲面，对三角网格曲面编辑处理，参数化分类处理，拟合成CAD模型。最后导入UG软件完成产品的结构设计。下面运用上述方法对电吹风的进行曲面重建与结构设计。

1 吹风筒点云处理

1.1 点云数据的获取

高效、准确地获取模型的点云数据，是实现逆向工程的关键，点云数据的获取，根据测量方式的不同，可以分为接触式测量和非接触式测量两大类，本文中，电吹风点云的获取是通过非接触式设备进行扫描所得（拍照式扫描仪），拍照式扫描仪的优点为测量效率极高，对于要求精度不高的样品扫描，可以大幅提高其建模效率。

1.2 点云对齐和优化处理

点云由可表达出模型形状的大量的点组成。由于扫描仪的扫描技术限制以及扫描环境的影响，不可避免地带来多余的点云或噪点。所以对点云数据的处理尤为重要。电吹风扫描点云数据中存在两个问题，两个点云文件未对齐，以及噪点、杂点过多，如何快速完成点云对齐和优化处理？这些都是需要通过一下的步骤进行优化处理。

手动注册可分为一点注册和N点注册两种使用方式，对于电吹风点云形状来说，一点注册显然不能对点云进行完全的定位对齐，故进行N点对齐，首先将形状比较完整的点云文件设为固定数据，另一个作为浮动数据，如图1所示，从固定数据点云中选择三个明显的特征点，进行作为定位的基准，然后在浮动数据中选择与之对应的位置，成功将两个点云模型对齐。如图2所示，两个点云文件已经成功对齐，完成手动注册之后，需要对模型进行全局注册。

对点云进行联接点对象，电吹风点云存在大量的杂点离散点，需要对其进行选择，并对其进行删除操作，在Geomagic studio中对点云中的杂点、噪点有以下操作：非连接项命令选择的是偏离主点云的点束，这个命令有两个选项来调节其选择范围，下拉菜单中分为，高、中、低选项，表示点束距离主点云距离的大小。体外孤点命令选择偏离主点云的三点，敏感性值越大，偏离主点云越小的点则会被选择。减少噪音有助于于减少主点云在扫描中的噪音点。点云一般都需要进行以上三项的处理，然而，当使用了以上三项命令，如仍然无法清除杂点，需要手动进行选择删除，选择的命令主要有套索，画笔选择工具。

图1 固定数据与浮动数据

1.3 点云采样

在很多情况下，从扫描仪中的得到的原始点云数据很大，为提高效率可以对点云数据进行采样。该软件提供了四种采样模式：统一采样、曲率采样、等距采样和随机采样。在一般情况中，采用统一采样，统一采样使平坦曲面上的点数目减少量一致，但以规定密度减少曲面上的点数目，然后对点云进行封装，进入到多边形阶段。输入定义点云间距，输入0.15，完成对点云数量的精简。

2 点云的多边形阶段

2.1 Geomagic studio中关于填充孔的问题以及填充技巧

点云经过三角化处理进入多边形阶段，多边形阶段的模型即大量的由点与点之间拼接成三角形而组成。由于通常会存在多余的、错误的或表达不准确的点，因此由这些点构成的三角形也要进行删除或其他编辑处理。

对于点云质量较差的情况，在封装之后，会出现破面，空孔，如图3所示，可以使用填充单个孔进行修复，填充分为内部孔、边界和桥接三种方式，按实际情况使用[5]。填充中的技巧：在通常的填充孔过程中，有时直接填补孔洞的效果差强人意，这种情况。可以把孔周围的三角面删除，再进行填充。

图3 电吹风点云封装后产生的空孔

图2 对齐数据

2.2 三角面的松弛问题以及简化、网格医生命令的使用

在多边形阶段，松弛命令的使用十分敏感，通常情况下不要进行过分的改动，否则会造成模型的变样，尽量不要对整体进行松弛操作，可以通过选取局部面，对局部进行松弛处理。网格医生命令可以清除三角面中存在钉状物，小通道等缺陷。运用简化命令，可以通过设置百分比来实现对三角面的精简，在电吹风三角面中，输入70%完成对三角面的精简。

2.3 电吹风模型坐标的对齐

对模型形状进行分析，电吹风主体可以由旋转产生，把手上表面为平面，根据以上的分析，利用Geomagic stu⁃dio特征工具中直线（圆柱/圆锥/旋转轴）和平面（最佳拟合、过点垂直于）命令，构建将用于对齐全局坐标的特征，将模型与坐标系对齐。

2.4 去除特征以及松弛边界

对于模型中存在的一下缺陷以及细小特征，使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，可获得优化后的模型形状，对于模型边界不平整的部分，使用编辑边界命令，调整控制点以及张力，获得平滑的边界。

3 构建参数曲面阶段

构建参数曲面流程：探测区域→编辑轮廓线→区域分类→拟合曲面→拟合连接→裁剪缝合曲面。

3.1 探测区域，编辑轮廓线

执行探测区域命令，并计算生成分隔符，对生成错误的分隔符进行删除，使用画笔选择工具绘制分隔符界线。对区域进行抽取线条操作，利用编辑轮廓线，对轮廓线进行优化，合理布局，目的是为了区分每一个面的特征。

3.2 区域分类，拟合曲面

区域分类的意义在于定义曲面类型，电吹风曲面类型可分为平面、旋转、扫描、自有形态，通过选中面区域，利用区域分类，可对其进行定义。选中已分类曲面进行拟合生成曲面。

3.3 拟合连接，裁剪缝合

通过定义曲面相接处的连接形态，来拟合两个曲面，在电吹风模型中，主要连接形状有尖角，半径，以及自由形态，当拟合曲面之间完成时即可缝合曲面。

4 UG软件建模

4.1 对导入的曲面进行优化

根据上步所缝合的曲面，保存为IGS格式，将其导入UG软件中进行处理。对于质量较差的点云，所生成的曲面带有缺陷，造成在造型软件中，无法进行缝合及镜像特征，在这种情况下，曲面无法实现实体化生成，对于外形精度不高的产品，可以在UG草绘环境中进行对其轮廓线的提取，分析其形状的组成，合理采用回转等命令，来重造曲面外形。通过上步抽取的面的曲线，对电吹风主体进行回转曲面创建，把手部分则通过截面及两条引导线，扫描得到。修剪把手曲面在主体多余的伸出项，对电吹风出风口位置以及把手的下端，使用有界平面命令对其进行封口，完成后依次将所有曲面缝合，继而生成实体模型，如图4所示。

图4 生成实体模型

4.2 模型分型面的选择

塑料模具的分型面选择是否合理，关系到塑料制品的出模、塑料模具结构、塑料模具的使用寿命等，选择塑料模具分型面需要遵循以下原则：①有利于塑料制品出模；②简化模具结构；③有利于塑料模具配模；④有利于确保塑料制品的表面质量。在电吹风模型中，选择分型面，应当以其截面尺寸的最大处为其分型面。

图6 拉伸实体至止口终止位置

4.3 电吹风前壳的创建

4.3.1 电吹风分型面以及出风口形状的建立

在电吹风模型中，选择截面尺寸的最大处为其分型面，在UG中绘制分型面的分型线，如图5所示，以此曲线拉伸片体，使用修剪体命令，将实体分割为前壳与后壳部分。对电吹风的前壳主体设计主要体现在出风口以及电动机固定结构，在UG中通过对实体进行拆分，偏置面，可以建立主体外形，对实体进行抽壳，以及拉伸求差，制作出风口。

图5 绘制分型线

4.3.2 在UG中创建止口的技巧

止口分为内止口与外止口，在电吹风前壳的内止口制作中，由于把手位置的分型面为弯曲面，直接提取线条拉伸，会造成曲面间的剪切不完全，所以，在制作止口时，选取一个平面，投影提取所需止口的线条，拉伸实体至止口终止位置，图6所示终止位置是由分型面偏移4 mm得来，通过该位置对拉伸的实体进行剪切，最终由主体和该拉伸实体求差，得到图7所示的止口形状。

图7 得到的止口形状

图8 内部结构

4.3.3 电吹风前壳内部结构的创建

内部结构主要包括了，电动机的固定结构，以及用于装配的螺柱，开关装置的安装限位结构，内部线束的卡位结构，把手下端为线头卡位结构，如图8所示。

把止口的限位板与开关固定结构相连，起到既能加强开关结构的强度，又能实现内外止口的装配定位功能，尖角处倒圆角，起到易于装配的作用。

由于螺丝柱长度较长，斜度大，低端也大，容易造成缩水，所以在此位置设置加强筋结构。把手下端的螺丝柱于线束的卡位结构一体，在两者之间布置加强筋。布置加强筋的作用主要有：①在不加大产品品壁厚的条件下，增强制品的强度和刚性，以节约塑料用量，减轻重量，降低成本。②可克服制品壁厚差带来的应力不均所造成的制品歪扭变形。③便于塑料熔体的流动，在塑件本体某些壁部过薄处为熔体的充满提供通道。

4.4 电吹风后壳的创建

电吹风后壳的设计部分主要有进风口外形的设计，在此出风口的设计，主要通过UG中的扫描，拉伸与修剪体的命令来实现，设计的原则的在于，兼顾美观的同时还需要保证产品在制作时的难易程度，合理进行设计，使后壳可以便于模具生产中的制件脱模，如图9所示。

后壳螺丝柱应当在两侧制作加强筋结构，增强强度，防止缩水，螺丝柱圆柱面应当给予拔模角度（此螺丝柱拔模角度为2h）以便于制作生产中脱模自攻螺丝预制孔的的规格主要有M1.8、M2、M2.5、M2.9、M3、M4，本例子中选用M2预制孔。

后壳伸出项的主要作用是为了与前壳开关的电位结构一起作用，如图10所示，前壳结构主要起到限制横向移动，通过后壳伸出项的限制，可限制开关的纵向移动，对开关装置起到卡位功能，伸出项加强筋在四周面也应该制作拔模角度2h。模块中的电吹风总装模型如图11所示，在UG中真实着色编辑器里进行简单的效果制作。

图9 进风口外形的设计

图10 后壳伸出项结构

4.5 模型的装配与着色

前后壳的装配主要通过装配模块中约束完成，通过约束前后壳的止口（约束类型为接触）以及螺丝柱的轴线约束对齐。实现两者的装配。基于前壳、后壳通过UG装配

图11 电吹风总装模型

5 结论

随着产品设计与制造技术的发展，复杂曲面的产品越来越多，逆向工程技术的运用，能大幅度的缩短新产品的设计周期，提高产品竞争力[2-8]。通过激光扫描仪获取产品点云数据，在Geomagic Studio中快速生成产品的NURBS曲面，然后在UG里面对产品进行修改及结构优化设计，最后通过现代制造技术或者模具技术制作产品，极大地缩短复杂曲面产品的设计制造周期，大幅度降低企业成本，对现代工业产品的设计与制造具有重要意义。

［1］成思源.Geomagic Design Direct逆向设计技术及应用［M］.北京：清华大学出版社，2015.

［2］成思源，杨雪荣.Geomagic Studio逆向建模技术及应用 ［M］.北京：清华大学出版社，2016.

［3］袁锋.UG逆向工程范例教程（第2版）［M］.北京：机械工业出版社，2014.

［4］葛晓健，曾锋，谢海东.UG NX8.5建模与加工项目式教程［M］.武汉：华中科技大学出版社，2015.

［5］杨晓雪.Geomagic Design X三维建模案例教程 ［M］.北京：机械工业出版社，2016.

［6］贾林玲.Geomagic Studio逆向工程技术及应用 ［M］.北京：西安交通大学出版社，2016.

［7］丁源.UG NX 10.0中文版从入门到精通 ［M］.北京：清华大学出版社，2016.

［8］方月，刘建英.UG NX 10.0中文版曲面设计案例实战［M］.北京：清华大学出版社，2015.