非规则表面瓶体逆向创新设计分析

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摘要：采取逆向方法对整体外形为回转体、表面存在非规则凹凸起伏的瓶体进行创新设计时，可以借鉴原有瓶体艺术性，同时提高设计效率。文章介绍了针对此类造型瓶体进行逆向设计时需要注意的一些问题。采用GeomagicDesignX软件中的自动曲面拟合功能，根据造型调整拟合网格，能达到十分理想的拟合效果，重构模型偏差在允许范围内，模型创建效果非常理想。

关键词：非规则表面；逆向设计；自动曲面拟合

逆向设计过程即对产品实物或样件进行数据采集、数据处理，利用三维逆向造型设计软件对实物或样件进行数字化CAD模型重构，并进一步用CAD/CAE/CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。相较于正向设计零基础设计周期长，逆向设计优势在于利用已有的模型数据进行外观及功能的修改和更新，可大大提高设计效率，减少设计难度。逆向设计一般流程如图1所示，其中数据采集、数据处理、模型重构是产品逆向设计的三大关键环节。本文主要围绕非规则表面瓶体，研究在其上进行逆向设计的技术关键问题。

1数据采集

1.1瓶体特点。本文中研究的两个瓶体表面均为曲面或非规则瓶体，主要形状均为回转体。瓶体A（如图2）表面为流畅的曲线线条，瓶身一部分有凹凸的花草造型，花草造型比较生动，呈不规则形状，如果采用正向建模，需要具有较高的绘画基础，一定的艺术基础。瓶体B（如图3）瓶身上窄下宽，整体比例和谐优美，瓶身表面呈凹凸曲线型，表面花纹无规则。如果利用这两个瓶体进行创新设计，快速获取瓶体整体造型CAD数字化模型是关键一步，因此，以上两个瓶体特点可以代表一部分的非规则表面瓶体。1.2数据采集要求。由于两个瓶体并非完全对称，不适合采用扫描部分数据并阵列的操作，需要将瓶身整体数据完整扫描。考虑到所用手持扫描仪的扫描精度，其中瓶体A扫描时需要着重将凹凸的花草造型进行扫描以保证在后续数据处理及实体化时最大程度保留细节。瓶体B扫描时需要将凹陷处的数据扫描完整，花纹拐角的细节处扫描完整。两瓶体的瓶口瓶身均为规则圆形，因此在扫描时此部分的扫描数据可以不要求完全呈现。1.3数据采集操作。数据采集主要分为采集准备工作及采集过程两部分。采集准备工作需要进行扫描仪的校准，标定点的粘贴以保证后续扫描数据的精准；采集过程中需要随时注意数据采集情况并将数据缺失的部分进行二次采集以使数据达到完整程度。由于本文中的实物为非规则表面，因此在实际数据采集时需要格外注意事物表面凹凸的细节部位及衔接拐角部位。（1）前期准备工作。为了保证实物数据采集时的精度，在实物扫描开始前须进行扫描仪的校准。本次扫描采用的是Handyscan300手持式扫描仪，扫描时需要保证实物放置的平面光滑无反光，避免对扫描过程及扫描结果产生干扰，再次可将深色绒布放置在扫描平面上。在实物标定点的粘贴上，要遵循数量、位置适宜并且尽量避开有明显特征部位的规则。数量过多会对表面扫描数据造成影响，数量过少可能造成公共点过少从而无法过渡的问题，保证每个扫描面与下一个扫描面有3至5个公共点即可。粘贴位置需无规律，避免扫描时由于标定点位置相似导致无法扫描。（2）实物数据采集。开始扫描时，需找到实物最佳摆放位置并摆放稳固，以保证能够扫描到尽可能多的标定点以便后续扫描过渡。扫描时需要随时注意软件显示界面，观察扫描数据情况，注意扫描仪与实物的距离，控制扫描仪扫描范围。在实物整体扫描完成后可暂停扫描，通过软件查看扫描数据情况，对于扫描数据不完整的细节处应当进行二次扫描，以保证获得完整的表面数据。（3）数据采集结束。在实物数据采集完成后关闭扫描仪，可以预先将多余杂点删除后，再保存扫描数据以便后续数据处理。1.4数据采集要点对于类似瓶体A、瓶体B这一类的非规则曲面物体进行扫描时，前期数据采集阶段需要全面地观察实物瓶体特点，这样在后续粘贴标定点及扫描时能够更好地把握粘贴位置及扫描角度。粘贴标定点时数量一定要适宜，标定点数量过多并不会使扫描过程更加容易，反而容易造成后续扫描数据错乱。在标定点粘贴位置的选择上，尽可能选择光滑、表面特征较少的区域，尽可能保证特征部位数据的完整性。扫描过程中保证扫描仪与实物距离在规定范围内，实物摆放的初始位置需能够扫描到尽可能多的标定点以便后续扫描过程的过渡。瓶体A的花草细节在扫描时需要多次、多角度扫描，以使扫描数据尽可能完整；瓶体B的凹凸花纹同样需要多角度，必要的时候可借助橡皮泥使实物呈一定角度摆放，从而使拐角处等细节更易扫描到。

2数据处理

2.1数据处理要求。数据处理过程中要求与实物的瓶体特征保持一致，实体之外的杂点需要完全删除；表面无特征处需光滑；特征处的细节需要完整保留，不可一味追求光滑而失去必要的细节。2.2数据处理操作。在此以瓶体B举例。对于瓶体B表面不平整的区域可采用减少噪音（如图4）、删除钉状物（如图5）及砂纸（如图6）命令进行修复。对于如图7中底部点云缺失部位可利用填充单个孔命令进行修复，填充结果如图8。在全部操作完成后，可利用网格医生命令进行全面检查，如图9方框中所示仍存在一些细小的缺陷，应用网格医生后如图10所示，可达到较理想的修复效果。2.3数据处理要点。数据采集结束后进行保存并导入GeomagicStudio进-30-行数据处理。主要从删除体外孤点、降噪、删除钉状物、填充、网格医生等几个方面进行处理，将扫描完的原始数据中多余的杂点删除，缺失的细节处填充完整，最后得到表面光滑、完整且精度较高的扫描数据。需要特别注意的是在降噪、删除钉状物等步骤中需要将应该保留的细节处进行保留，不可一味追求表面光滑从而将微小的细节丢失。最后运用网格医生，检查细节处有无瑕疵并修整。此阶段需要尽可能保留所有细节，尤其是瓶体表面特征处。而瓶体内结构简单部位或上下表面为简单平面部位如果扫描数据不理想或缺失可大范围删除填充。数据处理程度越好，后续逆向设计将越精准。

3模型重构

针对以上两个非规则表面瓶体的逆向设计，为了保证与实物形状贴合精度尽量高，运用GeomagicDesignX软件中的自动曲面创建功能进行模型重构，如图13所示。曲面拟合操作过程中，系统会根据导入的实体数据自动拟合出网格，如图14所示。此时需要将数据放大仔细查看网格分布是否均匀合理，凹凸处的网格是否能够贴合数据本身，如出现过大或过小的网格可通过拖拽顶点处的格点进行调整，调整完成后可进行预览,如图15所示，查看拟合效果是否理想并进行二次调整。最终自动曲面创建效果如图16所示，偏差比较结果可见，创建的模型在允许的偏差范围内，模型效果非常理想。接下来在此基础上可以进行再设计，例如在瓶上增加文字，图案浮雕效果等，也可以参考重构的模型，为此设计底座等其他零件，即实现了创新设计。由于最后进行瓶体内部建模，两个瓶体为花瓶，内部为镂空结构，因此接下来可通过旋转命令对内部进行建模。

4创新设计

利用GeomagicDesignX软件可以为重构的花瓶数字化模型添加其他结构，另外，采用MaterialiseMagics软件也可以对重构的数字化模型进行创新设计，比如添加文字等等，创新设计结果如图17所示。

5结束语

逆向设计主要应用于产品外观表面的设计，本文中所研究的两个瓶体均为非规则表面瓶体，具有一定的代表性。前期数据采集阶段，扫描此类瓶体侧立面较易过渡，因此可先扫描侧立面特征较集中区域，再扫描上下底面。此类瓶体的特点是表面非规则、花纹较平整无尖角或明显凹陷。因此利用自动曲面拟合进行逆向设计相比其他方法将更加容易，精度也将更高。并且适当灵活地对拟合网格进行调整最终也能实现较理想的拟合结果。

参考文献：

[1]成思源.杨雪荣.GeomagicStudio逆向建模及应用技术[M].清华大学出版社，2016，8.

[2]成思源.杨雪荣.GeomagicDesignX逆向设计技术[M].清华大学出版社，2017，12.

[3]张德海.三维数字化建模与逆向工程[M].大学出版社，2016，5.

作者:曹素红 王皓然 单位:北京信息职业技术学院