基于Geomagic Design X的去毛器模型重构及误差分析
摘 要：以去毛器产品为研究对象，结合Geomagic Design X软件，较完整地介绍了点云数据的采集、处理、数字化模型重构和误差分析等逆向工程的主要工作流程，为今后的产品研发、模型重构提供了方法和依据。
关键词：逆向工程;Geomagic Design X;点云数据;模型重构
中图分类号：TH166文献标识码：A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.11.004
在现代化快节奏的生产生活中，产品的生产周期越来越短，其更新换代速度也越来越快，同时在产品的研发与设计过程中，会经常对已有产品进行参考与借鉴，所以有时需要将现有的实物模型转化为三维模型，此种类型的工程设计方法被称为逆向工程或反求工程[1]。目前，此项技术已经广泛的应用于产品或零件的模型重构、修补和优化完善等多项领域。
1 Geomagic Design X软件简介
在逆向工程技术应用的过程中，多数都是利用相关的数字化设计软件来实现。在众多的逆向工程辅助软件中，Geomagic Design X软件是使用较为广泛的软件。Geomagic Design X是一款可以对3D扫描数据进行处理并以此作为建模依据，从而完成数字化建模的软件[2]。本文以去毛器产品为研究对象，结合Geomagic Design X软件，较完整的介绍了点云数据的处理、数字化模型重构和误差分析等主要工作流程。
2 去毛器的点云数据采集
若对物体进行逆向工程技术的模型重建，则需得到该物体的相关点云数据。点云数据是指在一个三维坐标系统中的一组向量的集合，点云数据采集是逆向建模设计的基础[3]。本次扫描的对象是日常用品去毛器，扫描前需要先对扫描产品去毛器进行清洗，擦干后使用特定的反差增强剂对其进行均匀喷涂，以期增加光的反射，从而提高扫描精度。由于单次扫描无法完全将去毛器扫描完整，且为使不同角度的点云数据能够在同一坐标系内自动对齐，则需将去毛器贴上若干个标志点，如图1所示，以便实现扫描数据的自动拼接，进而得到完整的去毛器3D点云扫描数据[4]。
3 去毛器的点云数据预处理
当扫描的前期准备工作就绪后，方可准备对其进行扫描。本次对去毛器进行3D数据采集所使用的是微深3D双目扫描仪。将扫描仪设置完毕后便可进行扫描，在扫描的过程中，由于光照、场地环境和振动等多种因素的干扰，得到的数据有时会有大量的噪点、缺陷和冗余，这时可利用Geomagic Wrap 软件对数据进行预处理[5]，去除原始扫描数据中的杂点、噪点、简化数据、生成三角面片和修补漏洞[6]，同时还需去除突出物、残留面、光整棱边和交叉物等操作[7]，最终处理完毕得到完整的去毛器点云扫描数据，如图2 所示。
4 去毛器的模型重构
完成去毛器3D点云数据处理后，将其保存为stl文件，导入Geomagic Design X 软件中来完成模型重构。
（1）对3D点云数据进行特征分割，使其划分为多个不同的领域，如图3 所示。领域分割的恰当与否关系到后续面片拟合时的曲面质量，所以在分割时需要对产品或零件的结构进行观察，本例的去毛器属于结构对称物体，所以可以单侧分割后再镜像。（2）将划分好领域的去毛器点云数据进行坐标系对齐，以方便今后操作。（3）使用面片拟合工具，对分割后的去毛器主体的领域进行铺设曲面，如图4所示。每次铺设完一部分曲面后，要及时进行修剪，其他的曲面以此方式进行逐步铺设并修剪，在铺设与修剪曲面的同时，要随时对原始点云数据的进行显示和隐藏切换，以期实现更加精确的曲面铺设。并本着“抓大放小、先主后次”的曲面铺设原则，先完成主体，再构建局部，最后处理细节，这样很快便可完成去毛器整体轮廓的曲面铺设并转化为实体。（4）使用较常见的实体拉伸或旋转等命令对去毛器头部和前胸建模，修正完成后的去毛器重构后的模型如图5所示。
5 重构模型误差分析
重构后的模型与原始模型存在一定的误差，对重构的三维模型与原始模型间的误差检测则是十分必要的， 这也是保证重构模型质量的需要[8]。模型重构后，在Geomagic Design X软件中，使用“Accuracy Analyzer”面板上的“误差”分析功能，对重构模型进行误差分析检测，在误差云图中，其误差许可范围应控制在±0.1 mm内，且为绿色;若颜色多为红色，则说明误差正向偏差较大; 若颜色多为蓝色，则说明误差负向偏差较大。即重构后的产品如多为绿色，则说明重构质量较高，如以红蓝两色居多，说明重构模型的一些曲面需要再次处理。本例去毛器的重构模型以绿色为主，所以模型误差较小质量较高，属于合格的模型重构，去毛器的误差云图如图6所示。
6 结论
本文以去毛器为例，将逆向工程中的点云数据的采集、处理、模型重构和误差分析等重要环节逐一介绍，并结合Geomagic Design X完成了去毛器的高质量的模型重构。证明该方法具有点云采集数据质量好且速度快，操作简便，模型重构质量较高和适合复杂产品与零件逆向工程开发等优点，并为后续的生产加工环节打下了良好的基础，从而可以有效的加快产品研发的速度和提高产品的市场竞争力。
参考文献：
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[4]谢源，侯恩光. 基于Geomagic Design X 的洗车水枪逆向建模[J].辽宁科技学报，2019（2）：3.
[5]谢展.整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究[D].苏州： 苏州大学，2008.
[6]魏天翔.基于Imageware 的整体式叶轮的逆向建模技术[J].上海第二工业大学学报，2014，31（2） ：134.
[7]王守鹏，于秋. 基于Geomagic Design X的洗衣液瓶逆向建模[J].吉林化工学院学报，2019（3）：105.
[8]吴迎春.基于Geomagic 和UG 的逆向工程造型与制造应用[J].机械制造与自动化，2010，39（5） ： 120.
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作者簡介：纪海峰（1978-），男，黑龙江齐齐哈尔人，高级工程师，硕士，研究方向：CAD/CAM/CAE技术，E-mail：[email protected]。
