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逆向工程下的产品设计探究

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摘要:工程生产中的产品设计一般采用正向工程设计,主要根据产品的功能与用途提出构想思路,借助计算机三维软件建模,最后通过技术手段加工成型。针对其设计方法存在的设计周期较长问题,提出一种逆向工程设计思维并通过鞋底的逆向工程设计实验进行验证。首先针对鞋底的结构进行研究分析,并用三维扫描设备获取实物模型表面的点云数据,并在geomagicstudio软件平台上处理点云数据得到目标曲面的NURBS曲面数据,然后利用geomagicstudio软件与UG软件的交互功能将数据导入到UG中进行正向建模工作,在正向建模过程中借助软件对其结构进行分析并对存在的问题进行结构优化处理,实现逆向工程设计模仿之外的再创新意图,最终利用3D打印技术得到升级产品的实物模型。通过实例的结果证明,混合建模的设计方法能在保证产品质量的条件下可尽量缩短设计周期,降低研发成本。

关键词:产品设计;逆向工程;geomagicstudio;NURBS;曲面;正向建模

1引言

现如今,新产品的开发对一个公司的发展影响越来越大,传统的设计思路是基于产品的功能和外形,由设计师在CAD软件上完成[1],这种设计方法周期长,效率低,经常不能满足市场的需求,由此,新的设计思路应运而生,首先运用现代测量手段获取同类产品的点云数据,处理点云得到可用结构部分的三维模型并加以优化,然后导入CAD软件进行二次建模,完成设计意图,得到预期的产品模型,最后利用先进制造技术制作模型样品,测试模型的可用性。目前,这种基于逆向工程技术的设计应用已经越来越广泛[2]。文献[3]中利用逆向工程技术完成了汽车后翼子板的模型重建;文献[4]中借助逆向工程技术完成了对模具的修复再制造工作;文献[5]中利用逆向工程技术进行摆线齿轮的磨损检测与修复;文献[6]中利用逆向工程技术与快速成形技术为患者制作矫形器。由此可见,这种集逆向工程、正向建模、现代制造于一体的设计思路必将成为设计领域不可或缺的一部分。

2基本流程

如图1所示,这种新的设计思路既包含了逆向工程与正向建模的混合建模过程,又囊括了现代制造的模型设计过程。分为三个环节:数据获取与处理环节、正向建模环节、模型制造环节,基本的设计流程为预先确定需要研发的产品实物模型,通过三维扫描设备获取产品表面的点云数据完成初步的数据采集,再利用软件对所采集的数据库进行点处理拟合,包括删除、简化点数据与点云数据的封装等,得到目标曲面的NURBS曲面数据,再将数据导入到三维软件当中形成所需产品的原始三维框架,通过实际需求对其结构数据进行参数优化处理,得到合适的产品模型,并保存为STL格式文件,最后通过切片软件,将标有STL格式的产品模型保存为G代码形式,通过3D打印机读取G代码获取指令完成实物模型建立。

3.NURBS曲面重构

如图2所示,为鞋底的大致外形,分为大底与中底,中底是直接与脚底接触的部分,不仅起到减震,稳定,提高鞋子的抗压缩能力等作用,而且中底表面的曲面很大程度上决定着鞋子的舒适度,影响着鞋子的质量。此次以鞋底中底曲面模型的提取为实例,以geomagic软件作为平台,介绍NURBS曲面创建的整个流程。作为Raindropgeomagic公司的一款逆向工程软件,其可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型,并可自动转换为NURBS曲面,是一款功能非常强的逆向软件。如图3所示,为geomagic软件生成NURBS曲面的流程图。 

3.1数据采集

数据采集工作是NURBS曲面重构的基础,采集数据质量的好坏对后续工作有很大的影响。常用数据采集的方法分为两种:接触式测量和非接触式测量,接触式测量的代表是三坐标测量机,而非接触式的代表则是三维扫描仪,此次的数据的采集是采用三维扫描仪,为得到中底的曲面数据以便于进行后期的设计过程,在图2中白色表面部位喷涂显影剂,经过数据扫描、数据拼接后得到的鞋底点云数据如图4所示,在经过数据扫描和点云拼接工作后得到的点云数据含有784257个点。

3.2点处理阶段

点处理阶段就是对点云数据进行优化处理,如点云的渲染、噪声点的清除、采样等。点处理阶段大体分为两步,第一步是删除、简化点云数据。首先删除点云中不必要的、对曲面拟合效果有影响的点,比如偏离主点云数据的非连接项、零件外部的离群点,或称之为体外孤点,以及由于模型表面质量不佳或者扫描设备的振动而产生的噪音点,然后对点云数据进行采样处理,由于一般扫描产生的点云数据量比较庞大,采样后可以在不影响曲面质量的情况下减少点的数量,减少计算机的运算量;第二步就是将点云数据封装得到多边形数据,以便于进行下一步的点处理操作。本次对中底点云的处理首先采用“修补”命令删除体外孤点、非连接项点,为得到较好质量的曲面模型,设置极限偏差为0.1mm,以积极棱柱形作为拟合曲面形状的方式,采用二次迭代的算法清除点云数据中的噪音点,并检测点云数据的误差,如图5所示,然后设置绝对值为0.6mm,以统一采样的方式对点云数据进行采样操作,减少点云中点的个数,最后进行封装操作,以多边形对象表示曲面模型。由图5可知点云数据中鞋底中底表面上数据点偏离主点云的误差分布在0.02mm,点云数据边缘曲率变化较大区域中的数据点误差也仅仅接近极限值0.1mm,可知点云数据精度较高,误差符合要求。

3.3多边形阶段

多边形阶段是拟合曲面前的关键阶段,它决定着拟合曲面前数据的准确性及完整性,显影剂在喷涂的过程中不均匀、扫描设备不稳定等原因都可能导致点云数据的局部缺失、点云数据在空间分布上的波动等缺点。针对多边形处理阶段,geomagic软件提供了修补、平滑、填充孔、联合、偏移、边界、锐化、转换等命令,由封装得到的不同效果的多边形区域可采取相应的操作[7]。本次鞋底中底的曲面模型在经过封装后的多边形网格曲面首先进行创建流行操作,删除非流行、自相交的三角形数据,便于后期曲面片的顺利创建;然后采用填充孔里的桥接命令,以局部填充的方式,保持填充面与原始曲面之间的G1连续,保证曲面模型的光滑度。最后考虑到此次是针对鞋底中底曲面的二次设计操作,需要删除除中底曲面以外的数据,首先抽取中底边缘轮廓线,然后采用通过轮廓线裁剪操作得到中底曲面的多边形网格模型,再利用表面处理的相关操作,比如去除特征,砂纸打磨等,去除鞋底中底上的孔特征,光顺曲面,拟合形成整个中底的曲面模型,最后简化多边形,得到如图6所示的中底曲面模型。由图6可以看出,模型包含102744三角形,曲面模型光顺,曲面还原度较高,可以进行曲面处理阶段。

3.4曲面处理阶段

曲面处理阶段分为精确曲面和参数曲面两种模式,精确曲面适用于特征曲面中含有比较规整的外形特征,支持探测区域,编辑外形,自主设置参数,所得模型精度高,但应用范围局限,本次鞋底中底为自由曲面,无明显的规则特征,故采用精确曲面模式,精确曲面模式是把整个曲面分割成无数个四边曲面片,然后将每个曲面片拟合成NUBERS曲面,并保证相邻曲面片之间G1连续[7],以此得到整块的曲面模型。曲面处理的第一阶段就是构建曲面片,构建曲面片分为两种方式,一种方式是自动生成曲面片,这种方法快速高效,但往往容易忽视模型中的细节特征;二是手动构建曲面片,人为的构建曲面片,虽然耗时较长,但这种方法更容易得到质量较好的曲面片,此次采用人工的方式构建曲面片,首先采用探测轮廓线命令,获得鞋底中底曲面轮廓线,然后以轮廓线为边界,四边形为曲面片形状,人工绘制曲面片,最后松弛曲面片。曲面片构建完成后进入曲面处理的第二阶段,以曲面片为基础构建格栅,格栅是单个曲面片拟合成曲面的前提,控制着曲面的质量,为保证曲面质量,设置控制点数目为20,构建出如图7所示的格栅模型。第三阶段是拟合NURBS曲面模型及误差分析,相对于其他曲面构建方法,NURBS方法以非均匀有理B样条为基础,构建曲面过程中速度快、算法稳定、曲面质量好,已成为曲面造型中应用最广泛的方法[8],在构建好的格栅模型上,点击拟合NURBS曲面命令,得到如图8所示的NURBS曲面模型和如图9所示的误差分析图。由图13可以看出,除去特征孔及易变形的边缘区域外,点云拟合出来的NUBRS曲面相对于点云数据的误差基本集中在0.6mm附近,说明曲面质量良好,曲面构建比较成功。

4正向建模环节

正向建模环节就是将基础数据导入到三维软件中,在NURBS曲面的基础上进行曲面实体造型,实现设计者的设计意图。本次使用的三维软件为Unigraphics(UG),是美国EDS公司推出的CAD/CAE/CAM一体化软件,具有独特的复合建模方法,这使它在建模方面更加灵活,在产品设计初期可以将主要精力放在设计思想和设计方案上,可以提高设计效率。本次鞋底中底的二次设计过程,意在中底自由曲面的基础上设计出中底的三维实体模型,首先利用geomagic软件的数据转换功能,得到中底曲面片体的IGES格式文档,并导入到UG软件中;然后考虑到中底的外观特征及与鞋底大底的贴合程度,需要在中底的轮廓边缘进行创建外伸沿的操作,采用轮廓线探测操作获取中底曲面的外沿边线,并根据边线的分布特征,将边线分为四段,分别沿4个方向进行等量偏置操作,并将偏置后的4条曲线以“桥接”的命令封闭形成一条曲线,最后利用生成的新曲线和原曲线拟合生成中底的外伸沿曲面。此时得到的仍是开放的三维曲面,为还原设计意图中的实际形状还需封闭三维曲面,首先建立拉伸方向的基准线,以刚刚生成的曲线为边界创建拉伸片体,然后以拉伸后的边缘为边界,拟合底部曲面,最后,采用“缝合”命令将所有曲面缝合成一体,生成中底的三维实体模型,如图11所示。

5模型制造与测试环节

产品设计的过程中,为保证产品的质量,模型样品的制作必不可少,传统的制作方法大多为数控加工以及模具开模,虽然效果良好,但耗费巨大,一般承受不起失败,此次鞋底中底再设计模型的制作,采用3D打印领域中的熔融沉积技术,简称FDM,是将丝状的热熔性材料加热融化,同时三维喷头在计算机的控制下,根据截面轮廓信息,将材料选择性地涂敷在工作台上,快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后,机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层,直至形成整个实体造型[9]。首先利用UG软件将二次设计的鞋底中底模型以STL的文件格式导出,然后将此STL文件导入到CURA切片软件中,进行切片分层操作,获取模型每层的界面信息,得到鞋底中底的G代码格式文件,最后利用3D打印机打印出如图15所示的模型。经过测试,此模型中底曲面曲率变化自然,表面平滑,能适应大多数人的脚底,和脚底曲面贴合良好,可以成为鞋底中底模型式样,二次设计比较成功。可以看出,逆向工程与正向建模的结合,可以在保证产品设计质量的前提下缩短设计周期[10]。

6结论

面对现代工程实践中的产品设计问题,将逆向工程技术、三维建模手段、现代制造工程有机的结合在一起,能够充分的发挥现代技术的长处,不仅可以缩短产品设计的周期,满足现代市场的快节奏变化,而且可以有效的继承以往成功设计案例的思想,提高产品设计的可靠性。

作者:王君 李文涛 程群超 冯康瑞 何红秀 孙金风 单位:湖北工业大学

逆向工程下的产品设计探究责任编辑:张雨    阅读:人次