導(dǎo)語：非規(guī)則表面瓶體逆向創(chuàng)新設(shè)計分析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：采取逆向方法對整體外形為回轉(zhuǎn)體、表面存在非規(guī)則凹凸起伏的瓶體進行創(chuàng)新設(shè)計時，可以借鑒原有瓶體藝術(shù)性，同時提高設(shè)計效率。文章介紹了針對此類造型瓶體進行逆向設(shè)計時需要注意的一些問題。采用GeomagicDesignX軟件中的自動曲面擬合功能，根據(jù)造型調(diào)整擬合網(wǎng)格，能達到十分理想的擬合效果，重構(gòu)模型偏差在允許范圍內(nèi)，模型創(chuàng)建效果非常理想。

關(guān)鍵詞：非規(guī)則表面；逆向設(shè)計；自動曲面擬合

逆向設(shè)計過程即對產(chǎn)品實物或樣件進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，利用三維逆向造型設(shè)計軟件對實物或樣件進行數(shù)字化CAD模型重構(gòu)，并進一步用CAD/CAE/CAM系統(tǒng)實現(xiàn)分析、再設(shè)計、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過程。相較于正向設(shè)計零基礎(chǔ)設(shè)計周期長，逆向設(shè)計優(yōu)勢在于利用已有的模型數(shù)據(jù)進行外觀及功能的修改和更新，可大大提高設(shè)計效率，減少設(shè)計難度。逆向設(shè)計一般流程如圖1所示，其中數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型重構(gòu)是產(chǎn)品逆向設(shè)計的三大關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文主要圍繞非規(guī)則表面瓶體，研究在其上進行逆向設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵問題。

1數(shù)據(jù)采集

1.1瓶體特點。本文中研究的兩個瓶體表面均為曲面或非規(guī)則瓶體，主要形狀均為回轉(zhuǎn)體。瓶體A（如圖2）表面為流暢的曲線線條，瓶身一部分有凹凸的花草造型，花草造型比較生動，呈不規(guī)則形狀，如果采用正向建模，需要具有較高的繪畫基礎(chǔ)，一定的藝術(shù)基礎(chǔ)。瓶體B（如圖3）瓶身上窄下寬，整體比例和諧優(yōu)美，瓶身表面呈凹凸曲線型，表面花紋無規(guī)則。如果利用這兩個瓶體進行創(chuàng)新設(shè)計，快速獲取瓶體整體造型CAD數(shù)字化模型是關(guān)鍵一步，因此，以上兩個瓶體特點可以代表一部分的非規(guī)則表面瓶體。1.2數(shù)據(jù)采集要求。由于兩個瓶體并非完全對稱，不適合采用掃描部分數(shù)據(jù)并陣列的操作，需要將瓶身整體數(shù)據(jù)完整掃描?？紤]到所用手持掃描儀的掃描精度，其中瓶體A掃描時需要著重將凹凸的花草造型進行掃描以保證在后續(xù)數(shù)據(jù)處理及實體化時最大程度保留細節(jié)。瓶體B掃描時需要將凹陷處的數(shù)據(jù)掃描完整，花紋拐角的細節(jié)處掃描完整。兩瓶體的瓶口瓶身均為規(guī)則圓形，因此在掃描時此部分的掃描數(shù)據(jù)可以不要求完全呈現(xiàn)。1.3數(shù)據(jù)采集操作。數(shù)據(jù)采集主要分為采集準備工作及采集過程兩部分。采集準備工作需要進行掃描儀的校準，標定點的粘貼以保證后續(xù)掃描數(shù)據(jù)的精準；采集過程中需要隨時注意數(shù)據(jù)采集情況并將數(shù)據(jù)缺失的部分進行二次采集以使數(shù)據(jù)達到完整程度。由于本文中的實物為非規(guī)則表面，因此在實際數(shù)據(jù)采集時需要格外注意事物表面凹凸的細節(jié)部位及銜接拐角部位。（1）前期準備工作。為了保證實物數(shù)據(jù)采集時的精度，在實物掃描開始前須進行掃描儀的校準。本次掃描采用的是Handyscan300手持式掃描儀，掃描時需要保證實物放置的平面光滑無反光，避免對掃描過程及掃描結(jié)果產(chǎn)生干擾，再次可將深色絨布放置在掃描平面上。在實物標定點的粘貼上，要遵循數(shù)量、位置適宜并且盡量避開有明顯特征部位的規(guī)則。數(shù)量過多會對表面掃描數(shù)據(jù)造成影響，數(shù)量過少可能造成公共點過少從而無法過渡的問題，保證每個掃描面與下一個掃描面有3至5個公共點即可。粘貼位置需無規(guī)律，避免掃描時由于標定點位置相似導(dǎo)致無法掃描。（2）實物數(shù)據(jù)采集。開始掃描時，需找到實物最佳擺放位置并擺放穩(wěn)固，以保證能夠掃描到盡可能多的標定點以便后續(xù)掃描過渡。掃描時需要隨時注意軟件顯示界面，觀察掃描數(shù)據(jù)情況，注意掃描儀與實物的距離，控制掃描儀掃描范圍。在實物整體掃描完成后可暫停掃描，通過軟件查看掃描數(shù)據(jù)情況，對于掃描數(shù)據(jù)不完整的細節(jié)處應(yīng)當進行二次掃描，以保證獲得完整的表面數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)采集結(jié)束。在實物數(shù)據(jù)采集完成后關(guān)閉掃描儀，可以預(yù)先將多余雜點刪除后，再保存掃描數(shù)據(jù)以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。1.4數(shù)據(jù)采集要點對于類似瓶體A、瓶體B這一類的非規(guī)則曲面物體進行掃描時，前期數(shù)據(jù)采集階段需要全面地觀察實物瓶體特點，這樣在后續(xù)粘貼標定點及掃描時能夠更好地把握粘貼位置及掃描角度。粘貼標定點時數(shù)量一定要適宜，標定點數(shù)量過多并不會使掃描過程更加容易，反而容易造成后續(xù)掃描數(shù)據(jù)錯亂。在標定點粘貼位置的選擇上，盡可能選擇光滑、表面特征較少的區(qū)域，盡可能保證特征部位數(shù)據(jù)的完整性。掃描過程中保證掃描儀與實物距離在規(guī)定范圍內(nèi)，實物擺放的初始位置需能夠掃描到盡可能多的標定點以便后續(xù)掃描過程的過渡。瓶體A的花草細節(jié)在掃描時需要多次、多角度掃描，以使掃描數(shù)據(jù)盡可能完整；瓶體B的凹凸花紋同樣需要多角度，必要的時候可借助橡皮泥使實物呈一定角度擺放，從而使拐角處等細節(jié)更易掃描到。

2數(shù)據(jù)處理

2.1數(shù)據(jù)處理要求。數(shù)據(jù)處理過程中要求與實物的瓶體特征保持一致，實體之外的雜點需要完全刪除；表面無特征處需光滑；特征處的細節(jié)需要完整保留，不可一味追求光滑而失去必要的細節(jié)。2.2數(shù)據(jù)處理操作。在此以瓶體B舉例。對于瓶體B表面不平整的區(qū)域可采用減少噪音（如圖4）、刪除釘狀物（如圖5）及砂紙（如圖6）命令進行修復(fù)。對于如圖7中底部點云缺失部位可利用填充單個孔命令進行修復(fù)，填充結(jié)果如圖8。在全部操作完成后，可利用網(wǎng)格醫(yī)生命令進行全面檢查，如圖9方框中所示仍存在一些細小的缺陷，應(yīng)用網(wǎng)格醫(yī)生后如圖10所示，可達到較理想的修復(fù)效果。2.3數(shù)據(jù)處理要點。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后進行保存并導(dǎo)入GeomagicStudio進-30-行數(shù)據(jù)處理。主要從刪除體外孤點、降噪、刪除釘狀物、填充、網(wǎng)格醫(yī)生等幾個方面進行處理，將掃描完的原始數(shù)據(jù)中多余的雜點刪除，缺失的細節(jié)處填充完整，最后得到表面光滑、完整且精度較高的掃描數(shù)據(jù)。需要特別注意的是在降噪、刪除釘狀物等步驟中需要將應(yīng)該保留的細節(jié)處進行保留，不可一味追求表面光滑從而將微小的細節(jié)丟失。最后運用網(wǎng)格醫(yī)生，檢查細節(jié)處有無瑕疵并修整。此階段需要盡可能保留所有細節(jié)，尤其是瓶體表面特征處。而瓶體內(nèi)結(jié)構(gòu)簡單部位或上下表面為簡單平面部位如果掃描數(shù)據(jù)不理想或缺失可大范圍刪除填充。數(shù)據(jù)處理程度越好，后續(xù)逆向設(shè)計將越精準。

3模型重構(gòu)

針對以上兩個非規(guī)則表面瓶體的逆向設(shè)計，為了保證與實物形狀貼合精度盡量高，運用GeomagicDesignX軟件中的自動曲面創(chuàng)建功能進行模型重構(gòu)，如圖13所示。曲面擬合操作過程中，系統(tǒng)會根據(jù)導(dǎo)入的實體數(shù)據(jù)自動擬合出網(wǎng)格，如圖14所示。此時需要將數(shù)據(jù)放大仔細查看網(wǎng)格分布是否均勻合理，凹凸處的網(wǎng)格是否能夠貼合數(shù)據(jù)本身，如出現(xiàn)過大或過小的網(wǎng)格可通過拖拽頂點處的格點進行調(diào)整，調(diào)整完成后可進行預(yù)覽,如圖15所示，查看擬合效果是否理想并進行二次調(diào)整。最終自動曲面創(chuàng)建效果如圖16所示，偏差比較結(jié)果可見，創(chuàng)建的模型在允許的偏差范圍內(nèi)，模型效果非常理想。接下來在此基礎(chǔ)上可以進行再設(shè)計，例如在瓶上增加文字，圖案浮雕效果等，也可以參考重構(gòu)的模型，為此設(shè)計底座等其他零件，即實現(xiàn)了創(chuàng)新設(shè)計。由于最后進行瓶體內(nèi)部建模，兩個瓶體為花瓶，內(nèi)部為鏤空結(jié)構(gòu)，因此接下來可通過旋轉(zhuǎn)命令對內(nèi)部進行建模。

4創(chuàng)新設(shè)計

利用GeomagicDesignX軟件可以為重構(gòu)的花瓶數(shù)字化模型添加其他結(jié)構(gòu)，另外，采用MaterialiseMagics軟件也可以對重構(gòu)的數(shù)字化模型進行創(chuàng)新設(shè)計，比如添加文字等等，創(chuàng)新設(shè)計結(jié)果如圖17所示。

5結(jié)束語

逆向設(shè)計主要應(yīng)用于產(chǎn)品外觀表面的設(shè)計，本文中所研究的兩個瓶體均為非規(guī)則表面瓶體，具有一定的代表性。前期數(shù)據(jù)采集階段，掃描此類瓶體側(cè)立面較易過渡，因此可先掃描側(cè)立面特征較集中區(qū)域，再掃描上下底面。此類瓶體的特點是表面非規(guī)則、花紋較平整無尖角或明顯凹陷。因此利用自動曲面擬合進行逆向設(shè)計相比其他方法將更加容易，精度也將更高。并且適當靈活地對擬合網(wǎng)格進行調(diào)整最終也能實現(xiàn)較理想的擬合結(jié)果。

參考文獻：

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[3]張德海.三維數(shù)字化建模與逆向工程[M].大學(xué)出版社，2016，5.

作者:曹素紅 王皓然 單位:北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院