導(dǎo)語(yǔ)：非規(guī)則表面瓶體逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，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(duì)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(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，可以借鑒原有瓶體藝術(shù)性，同時(shí)提高設(shè)計(jì)效率。文章介紹了針對(duì)此類造型瓶體進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的一些問(wèn)題。采用GeomagicDesignX軟件中的自動(dòng)曲面擬合功能，根據(jù)造型調(diào)整擬合網(wǎng)格，能達(dá)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(jì)；自動(dòng)曲面擬合

逆向設(shè)計(jì)過(guò)程即對(duì)產(chǎn)品實(shí)物或樣件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，利用三維逆向造型設(shè)計(jì)軟件對(duì)實(shí)物或樣件進(jìn)行數(shù)字化CAD模型重構(gòu)，并進(jìn)一步用CAD/CAE/CAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析、再設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過(guò)程。相較于正向設(shè)計(jì)零基礎(chǔ)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，逆向設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于利用已有的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行外觀及功能的修改和更新，可大大提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)難度。逆向設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行逆向設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題。

1數(shù)據(jù)采集

1.1瓶體特點(diǎn)。本文中研究的兩個(gè)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(dòng)，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(wú)規(guī)則。如果利用這兩個(gè)瓶體進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，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(gè)瓶體特點(diǎn)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(gè)瓶體并非完全對(duì)稱，不適合采用掃描部分?jǐn)?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(shí)需要著重將凹凸的花草造型進(jìn)行掃描以保證在后續(xù)數(shù)據(jù)處理及實(shí)體化時(shí)最大程度保留細(xì)節(jié)。瓶體B掃描時(shí)需要將凹陷處的數(shù)據(jù)掃描完整，花紋拐角的細(xì)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(shí)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(zhǔn)備工作及采集過(guò)程兩部分。采集準(zhǔn)備工作需要進(jìn)行掃描儀的校準(zhǔn)，標(biāo)定點(diǎn)的粘貼以保證后續(xù)掃描數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)；采集過(guò)程中需要隨時(shí)注意數(shù)據(jù)采集情況并將數(shù)據(jù)缺失的部分進(jìn)行二次采集以使數(shù)據(jù)達(dá)到完整程度。由于本文中的實(shí)物為非規(guī)則表面，因此在實(shí)際數(shù)據(jù)采集時(shí)需要格外注意事物表面凹凸的細(xì)節(jié)部位及銜接拐角部位。（1）前期準(zhǔn)備工作。為了保證實(shí)物數(shù)據(jù)采集時(shí)的精度，在實(shí)物掃描開始前須進(jìn)行掃描儀的校準(zhǔn)。本次掃描采用的是Handyscan300手持式掃描儀，掃描時(shí)需要保證實(shí)物放置的平面光滑無(wú)反光，避免對(duì)掃描過(guò)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(shí)物標(biāo)定點(diǎn)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(guò)多會(huì)對(duì)表面掃描數(shù)據(jù)造成影響，數(shù)量過(guò)少可能造成公共點(diǎn)過(guò)少?gòu)亩鵁o(wú)法過(guò)渡的問(wèn)題，保證每個(gè)掃描面與下一個(gè)掃描面有3至5個(gè)公共點(diǎn)即可。粘貼位置需無(wú)規(guī)律，避免掃描時(shí)由于標(biāo)定點(diǎn)位置相似導(dǎo)致無(wú)法掃描。（2）實(shí)物數(shù)據(jù)采集。開始掃描時(shí)，需找到實(shí)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(biāo)定點(diǎn)以便后續(xù)掃描過(guò)渡。掃描時(shí)需要隨時(shí)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(shí)物的距離，控制掃描儀掃描范圍。在實(shí)物整體掃描完成后可暫停掃描，通過(guò)軟件查看掃描數(shù)據(jù)情況，對(duì)于掃描數(shù)據(jù)不完整的細(xì)節(jié)處應(yīng)當(dāng)進(jìn)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)對(duì)于類似瓶體A、瓶體B這一類的非規(guī)則曲面物體進(jìn)行掃描時(shí)，前期數(shù)據(jù)采集階段需要全面地觀察實(shí)物瓶體特點(diǎn)，這樣在后續(xù)粘貼標(biāo)定點(diǎn)及掃描時(shí)能夠更好地把握粘貼位置及掃描角度。粘貼標(biāo)定點(diǎn)時(shí)數(shù)量一定要適宜，標(biāo)定點(diǎn)數(shù)量過(guò)多并不會(huì)使掃描過(guò)程更加容易，反而容易造成后續(xù)掃描數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。在標(biāo)定點(diǎn)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(guò)程中保證掃描儀與實(shí)物距離在規(guī)定范圍內(nèi)，實(shí)物擺放的初始位置需能夠掃描到盡可能多的標(biāo)定點(diǎn)以便后續(xù)掃描過(guò)程的過(guò)渡。瓶體A的花草細(xì)節(jié)在掃描時(shí)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(shí)候可借助橡皮泥使實(shí)物呈一定角度擺放，從而使拐角處等細(xì)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(guò)程中要求與實(shí)物的瓶體特征保持一致，實(shí)體之外的雜點(diǎn)需要完全刪除；表面無(wú)特征處需光滑；特征處的細(xì)節(jié)需要完整保留，不可一味追求光滑而失去必要的細(xì)節(jié)。2.2數(shù)據(jù)處理操作。在此以瓶體B舉例。對(duì)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(jìn)行修復(fù)。對(duì)于如圖7中底部點(diǎn)云缺失部位可利用填充單個(gè)孔命令進(jìn)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(jìn)行全面檢查，如圖9方框中所示仍存在一些細(xì)小的缺陷，應(yīng)用網(wǎng)格醫(yī)生后如圖10所示，可達(dá)到較理想的修復(fù)效果。2.3數(shù)據(jù)處理要點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后進(jìn)行保存并導(dǎo)入GeomagicStudio進(jìn)-30-行數(shù)據(jù)處理。主要從刪除體外孤點(diǎn)、降噪、刪除釘狀物、填充、網(wǎng)格醫(yī)生等幾個(gè)方面進(jìn)行處理，將掃描完的原始數(shù)據(jù)中多余的雜點(diǎn)刪除，缺失的細(xì)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(xì)節(jié)處進(jìn)行保留，不可一味追求表面光滑從而將微小的細(xì)節(jié)丟失。最后運(yùn)用網(wǎng)格醫(yī)生，檢查細(xì)節(jié)處有無(wú)瑕疵并修整。此階段需要盡可能保留所有細(xì)節(jié)，尤其是瓶體表面特征處。而瓶體內(nèi)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單部位或上下表面為簡(jiǎn)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(jì)將越精準(zhǔn)。

3模型重構(gòu)

針對(duì)以上兩個(gè)非規(guī)則表面瓶體的逆向設(shè)計(jì)，為了保證與實(shí)物形狀貼合精度盡量高，運(yùn)用GeomagicDesignX軟件中的自動(dòng)曲面創(chuàng)建功能進(jìn)行模型重構(gòu)，如圖13所示。曲面擬合操作過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)導(dǎo)入的實(shí)體數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合出網(wǎng)格，如圖14所示。此時(shí)需要將數(shù)據(jù)放大仔細(xì)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(guò)大或過(guò)小的網(wǎng)格可通過(guò)拖拽頂點(diǎn)處的格點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整完成后可進(jìn)行預(yù)覽,如圖15所示，查看擬合效果是否理想并進(jìn)行二次調(diào)整。最終自動(dòng)曲面創(chuàng)建效果如圖16所示，偏差比較結(jié)果可見(jiàn)，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(lái)在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行再設(shè)計(jì)，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(jì)底座等其他零件，即實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。由于最后進(jìn)行瓶體內(nèi)部建模，兩個(gè)瓶體為花瓶，內(nèi)部為鏤空結(jié)構(gòu)，因此接下來(lái)可通過(guò)旋轉(zhuǎn)命令對(duì)內(nèi)部進(jìn)行建模。

4創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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(duì)重構(gòu)的數(shù)字化模型進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，比如添加文字等等，創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)果如圖17所示。

5結(jié)束語(yǔ)

逆向設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于產(chǎn)品外觀表面的設(shè)計(jì)，本文中所研究的兩個(gè)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(guò)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(diǎn)是表面非規(guī)則、花紋較平整無(wú)尖角或明顯凹陷。因此利用自動(dòng)曲面擬合進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)相比其他方法將更加容易，精度也將更高。并且適當(dāng)靈活地對(duì)擬合網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整最終也能實(shí)現(xiàn)較理想的擬合結(jié)果。

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