浅谈基于Geomagic 的逆向建模及3D 打印

刘芳芳

（陕西机电职业技术学院，陕西 宝鸡 721001）

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是一种反向建模工程，该技术是指利用测量仪器获得已有产品模型的轮廓坐标，再通过CAD 曲面重构方法获得产品数字化模型，在此模型基础上再设计，实现产品“创新”，最后通过传统方法或快速成型机制作样品[1]。 逆向工程技术目前已被广泛地用于航空航天、国防、汽车制造、重工业与采矿、建筑及医疗等众多领域中。

本文以猫眼件为实例，介绍模型逆向建模流程。 首先借助Wrap-Win3D 三维激光扫描仪获取猫眼件 “点云”数据，利用 Geomagic WraP 软件对点云数据进行预处理，获得.stl 格式文件，其次采用Geomagic Design X 软件在已封装的点云数据基础上完成建模，最后对模型进行打印。 此项技术为复杂曲面的建模方法及3D 打印提供一定参考价值。

1 模型数字化

1.1 数据采集

图1 猫眼件模型

在逆向扫描之前，首先要对扫描系统进行标定，以保证系统的扫描精度。 标定完成之后，通过扫描采集实物的点云数据。 扫描模式一般分为拼合扫描和非拼合扫描，拼合扫描通常用于对一些较大的物体一次不能扫描全部数据，可通过贴标志点，利用拼合扫描的方式完成；非拼合扫描通常用于只要扫描物体的一个面就能得到所需数据的扫描方式。 本文扫描对象为猫眼件，观察发现该实物不能通过一次扫描获得所有数据，故需要在实物上贴标志点采取拼合扫描模式如图1 所示。 粘贴标志点时需注意，应选择曲率较小的曲面且尽量远离边界，标志点应无规律分布，保证扫描效果[2]。

1.2 数据预处理

扫描完成后，在模型管理器中，通过【联合点对象】工具将离散点合并为一组数据，并保存为.asc 格式。 将保存好的点云数据导入Geomagic WraP 中，对非连接孤点删除并降噪后，利用【封装】命令对点云进行封装计算，并将点云数据转换成三角网格模型，为了得到更好的多边形模型，要对模型做删除钉状物、填充孔、网格医生等进一步的处理，最后将文件保存为.stl 格式。

2 逆向建模

Geomagic Design X 软件具有强大的点云处理能力和建模能力，能够与UG、solidworks 等其他三维软件实现无缝对接，适用于零部件的逆向模型重构，建模速度快、效率高，尤其对于型面复杂的模型设计具有显见优势。 将猫眼件.stl 三角面片网格面模型导入Geomagic Design X，如图2 所示。

图2 猫眼件三角面片模型

2.1 模型重构

从图2 可以看出猫眼件模型由中间半球体、M 型曲面及底板、两侧曲面、表面凹槽等部分组成。 根据各组成部分结构的差异性，通过领域分割逐个进行面片拟合或进行面片草图的拉伸。 具体建模过程如下：

1）M 型曲面主体轮廓特征通过拉伸创建实体，提取中间截面线草图，对截面特征进行拉伸并完成倒圆角特征。

2）两侧曲面部分通过领域分组，进行面片拟合，并采用切割指令去除多余面片；完成面片拟合。

3）表面凹槽部分通过手动绘制领域及对面片草图拉伸，实体表面的复杂曲面完成面片拟合之后，通过实体切割、 剪切曲面功能对拟合面片进行处理并保留剩余实体和曲面。

4） 中间球体部分通过对回转截面旋转完成实体创建。 首先创建球的中心参考线，再进入面片草图绘制回转截面，旋转即可得到球体特征。

5）通过布尔运算和倒圆角命令对实体模型进行进一步的处理，得到与点云数据相同的基于Geomagic Design X 逆向建模数字化三维实体模型，输出保存为.stp 格式，如图3 所示。

图3 逆向建模模型

2.2 偏差分析

Geomagic control 是一套全面的自动化检测平台，能够将产品原型与CAD 模型进行比对，实现快速检测[3]，并将检测结果以图形形式直观呈现并生成报告。 本文仅对报告中的偏差分析结果进行阐述。

将Wrap 处理后的.stl 点云数据与由Design X 进行模型重构后输出的.stp 文件同时导入control 软件当中。通过Geomagic control 自动化检测平台对点云数据与CAD 模型进行对比，并自动生成易解读的偏差色谱图。 在3D 比较分析时，将临界值设置为±0.5mm，将名义值设置为±0.1mm。若色谱图为绿色，表明偏差在许可范围以内。由图4 拟合结果可知，颜色基本为绿色，表明偏差很小。偏差色谱分布对于数字化模型的再优化具有指导意义，能够使逆向重构模型达到更高的精度。

图4 曲面偏差分析色图

3 3D 打印

通过扫描获得的点云数据与借助逆向建模获得的CAD 模型均可保存为.stl 格式进行打印，但为进一步确保实际装配精度以及模型表面的光顺度，本文采用CAD 模型进行打印。选用的打印机为UP BOX+桌面打印机，通过USB 接口将打印机与电脑进行连接，借助UP studio 软件对打印模型进行设置。 打印具体操作步骤为：

将重构的CAD 模型输出为.stl 格式并导入UP BOX+打印机中；采用适当比例对模型进行缩放，将模型合理放置平台中心；设置打印层高为0.1mm，选用网格填充方式完成模型切片处理并打印。 切片效果与打印实体分别如图 5、图 6 所示。

图5 切片效果图

图6 打印件

4 结论

本文主要介绍了基于 Geomagic 系列软件的猫眼件逆向建模，并对点云数据与数字化模型进行了偏差比对，结果表明两者之间偏差很小，建模精度较高，最后，对重构模型进行打印，为后期模型的装配奠定基础。 从整个过程可以看出，逆向建模操作简单，耗时短，建模误差小；3D 打印时效高，能够短时间获得所需零件的实体模型。 由此可知，对于部分结构破损或只有实物而没有数据的模型，可以借助逆向工程完成零件的再制造再创新，提高复杂模型产品设计开发水平，缩短产品开发周期，应用前景广泛[4]。