基于Geomagic Design X的正逆向混合建模

２０１７年９月　机床与液压　Ｓｅｐ．２０１７　第４５卷第ｌ７期　ＭＡＣＨＩＮＥ　Ｔ０ＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ　Ｖｏ１．４５　Ｎｏ．１７　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１７．１７．０３６　基于Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ的正逆向混合建模　冯超超，成思源，杨雪荣，骆少明　（广东工业大学机电工程学院，广东广州５１０００６）　摘要：逆向工程中关于正逆向混合建模的研究在近几年来成为热点。介绍了逆向工程中常用混合建模方法与特点，提　出了基于自动特征识别与面片草图的混合建模方法，根据设计意图重新定义设计参数，以Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ软件为平台进　行实体重构。通过实例获得了可编辑的、基于历史树的ＣＡＤ数据模型，同时验证了该混合建模的准确性和便捷性。　关键词：逆向工程；正逆向混合建模；Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ　中图分类号：ＴＨ１６６　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１－３８８１（２０１７）１７—１５７—４　Ｆｏｒｗａｒｄ　ａｎｄ　Ｒｅｖｅｒｓｅ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ　ＦＥＮＧ　Ｃｈａｏｃｈａｏ．ＣＨＥＮＧ　Ｓｉｙｕａｎ．ＹＡＮＧ　Ｘｕｅｒｏｎｇ。ＬＵＯ　Ｓｈａｏｍｉｎｇ　（Ｆａｃｕｈｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｅｔｒｏｍｅｅｈａｎｉｅａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５　１０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｒｅｖｅｒｓｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｏｒｗａｒｄ　ａｎｄ　ｒｅｖｅｒｓｅ　ｈｙｂｒｉｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ａ　ｈｏｔ　ｓｐｏｔ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ。　Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｈｙｂｒｉｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｃｏｍｍｏｎｌｙ　ｓｅｅｎ　ｉｎ　ｒｅｖｅｒｓｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ａ　ｈｙｂｒｉｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈ—　ｏｄ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｅｓｈ　ｓｋｅｔｃｈ．Ｕｓｉｎｇ　Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｓ　ａ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｏｒ　ｓｏｌｉｄ　ｒｅ—　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｒｅｄｅｆｉｎｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｎｇ　ｉｎｔｅｎｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ　ｔｒｅｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　（ＣＡＤ）ｄａｔａ　ｍｏｄｅｌ　ｗｈｉｃｈ　Ｃａｎ　ｂｅ　ｅｄｉｔｅｄ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ．Ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｙｂｒｉｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｒｅ　ｖｅｒｉｉｆｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｅｖｅｒｓｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；Ｆｏｒｗａｒｄ　ａｎｄ　ｒｅｖｅｒｓｅ　ｈｙｂｒｉｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｎｇ　Ｘ　０前言　件中再设计；但该方法建模较繁琐，效率不高，且从　逆向工程（Ｒｅｖｅｒｓｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＲＥ）也称反求　逆向软件导入到正向软件过程中有时会出现问题　。　工程或者反向工程。逆向工程的概念是相对于传统的　基于正向软件与逆向软件的建模流程如图１所示。　产品设计流程即所谓的正向工程（Ｆｏｒｗａｒｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ－　匝亟因匡圃　ｉｎｇ，ＦＥ）而提出的，二者的区别在于设计起点、设　计自由度和设计要求不同　。广义的逆向工程包括了　几何形状反求、工艺反求和材料反求等　。狭义的逆　向工程是指将产品原型转化为数字模型的相关计算机　一　辅助技术、数据测量技术和几何模型重建技术的　图１逆向软件与正向软件的混合建模流程　总称　。　．　Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ（原Ｒａｐｉｄｆｏｒｍ　ＸＯＲ）是业界　逆向工程建模是在没有原始产品的设计数据的情　最全面的逆向工程软件、结合基于历史树的ＣＡＤ数　况下，使用测量工具（例如手持式激光扫描仪、三　模（数据模型）和三维扫描数据处理、能创建出可　坐标测量机等）快速地获取产品实物表面的点云或　编辑、基于特征树的ＣＡＤ数据模型并与现有的ＣＡＤ　者面片数据，然后将数据导入到建模软件（例如Ｉｍ—　软件兼容。Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ软件的强大之处在于其　ａｇｅｗａｒｅ、Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ等）中进行数据处理与　兼备逆向建模与正向再设计两者的特点。通过自动特　模型重建。　征识别对三维网格面模型进行领域分组。通过面片草　１　逆向工程中常用混合建模方法　图获取模型的截面线和轮廓线，跟据所得草图直接进　正逆向混合建模方法是指，首先在逆向设计软件　行实体特征创建，进而得到原始产品的ＣＡＤ模型。　中对模型的测量数据进行处理，主要包括三角化阶段　使用正向建模工具对面片草图进行编辑修改实现参数　和多边形阶段处理，获得网格包络曲线，保存为中间　化与再设计。基于Ｇｅ０ｍａｇｉｃＤｅｓｉｇｎｘ软件的混合建模　格式的文件，然后将网格包络曲线导入到正向设计软　流程如图２所示。　收稿日期：２０１６—０４—２５　基金项目：广东省科技计划项目（２０１　１Ａ０６０９０１００１；２０１４Ａ０４０４０１０７８）；广东省研究生教育创新计划项目（２０１５ＳＦＫＣ２３）　作者简介：冯超超（１９８９一），男，硕士，研究方向为逆向建模。Ｅ－ｍａｉｌ：２８５２０７９０２＠ｑｑ．ｃｏｍ。　・１５８・　机床与液压　第４５卷　扫　自　创　完　描　动　建　创　模　成　创　建　—特　面　————●　网　——　征　—识　——’｜．　譬　蔫　———　再　—型　参　征　设　——＿｜．　数　化　格　别　图　计　模　型　图２基于Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ软件的混合建模流程　２基于Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ软件的正逆向混合建模　２．１扫描创建网格　在逆向工程中，对点云数据的预处理是完成被测　物体模型扫描后的第一步。在数据的采集中，由于随　机（环境因素等）或人为（工作人员经验等）的原　因，会引起数据的误差，使点云数据包含噪声，造成　被测物体模型重构曲面的不理想，从光顺性和精度等　方面影响建模质量；为得到完整的产品原型表面数　据，往往需要对产品表面的细微或复杂特征区域重复　扫描测量，这就导致原始扫描数据中存在大量的冗余　数据，这就需要对数据进行精简优化。　Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ软件中，在扫描创建网格阶　段，对获得的点云数据进行“采样”、“平滑”、“杂　点消除”处理，使得点云得到优化进而得到更好质　量的点云数据。对于多片点云进行“结合”操作来　创建一个单独要素；也可对多片点云进行“合并”　处理来创建一个单独面片，合并以后将有效移除重叠　区域并将相邻境界缝合在一起。对于网格面首先运用　“修补精灵”工具自动修复面片中的各种缺陷；再运　用“消减”、“细分”、“平滑”、“加强形状”、“整体　再面片化”等工具对面片进行精简优化。　２．２　自动特征识别　由于三角网格模型其描述了点之间的拓扑关系，　能产生一定的视觉效果，因而在逆向工程中得到广泛　应用。ＮＯＵＲＳＥ指出８５％的机械零件都可以用平面、　圆锥面、球面和圆柱面来描述。自动特征识别是从零　件的实体模型中抽取出具有特定工程意义的特征信　息　Ｊ。在逆向工程中，特征是指从实物的测量数据中　提取的几何信息，并作为反求建模的基本单元，构造　实物的反求特征模型。　在Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ软件中，根据扫描数据的　曲率和特征自动将面片归类为不同的几何领域；根据　选择领域来提取设计意图，比如圆柱、圆锥、球、　轴、平面、自由曲面等。根据模型外表面复杂程度的　不同设置对应的敏感度值，利用领域中的“自动分　割”工具对模型进行领域划分；依据模型的实际情　况也可对自动分割完成的领域进行编辑修改，例如对　相同的领域进行“合并”，对需要细分的领域采取　“分割”处理，如此使划分的领域更加准确，便于后　续设计。　２．３创建面片草图　创建模型的面片草图，再利用面片草图来创建特　征是Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ软件的基本建模思路。利用　创建的面片草图进行拉伸、回转、放样、扫描创建实　体和曲面，并在此基础上进行更加复杂的几何实体的　构建　。Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ软件中创建面片草图时，　在“面片草图”模式下，根据原始模型的特征选择　“平面投影”或者“回转投影”这两种方式。“平面　投影”方式下：选定“基准平面”，设定基准平面偏　移的距离和方向以及轮廓投影的范围；“回转投影”　方式下：选定“中心轴”和“基准平面”，设定基准　平面偏移的角度和轮廓投影的角度范围。在“面片　草图”模式下得到的断面多段线是由直线和曲线组　成的，线与线之间还存在多种约束关系　。利用　“自动草图”功能可自动从多段线处提取直线和弧　线，以创建完整、受约束且复杂的草图轮廓。圆角、　倒角、剪切、偏移、延长等多种曲线编辑工具的应用　使得面片草图的创建更加方便快捷。利用“智能尺　寸”功能对多段线进行修改，如长度、角度、距离、　半径均可精确控制。　２．４创建特征　将得到的面片草图进行实体建模操作，完成原始　产品的几何形状反求，还可根据草图进行再设计。正　向建模功能有着丰富的正向建模工具，利用前面得到　的草图进行拉伸、回转、放样、扫描来创建实体和曲　面，然后利用“编辑”工具栏中的切割、布尔运算　和剪切曲面、延长曲面、缝合操作对实体与曲面进行　编辑。　２．５模型再设计　在理解原始产品的设计意图的基础上，通过对　ＣＡＤ模型的整体几何形状、细节特征以及各特征之　间的约束关系进行创新性修改，以实现再设计。在　“模型”下的“编辑”工具栏中，对创建的实体模型　进行圆角、倒角、拔模等操作。采用精度分析功能，　得到质量更好的实体模型。在整个建模过程中，自　动、实时错误的可视化；在自定义的误差范围内设　计，由于不需要离开软件去检查模型的精度，可以极　大地节省时间。　２．６完成参数化模型　将完成的参数化ＣＡＤ模型保存或者导出到其他　ＣＡＤ软件中进行再设计。Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ可无缝　连接主流ＣＡＤ软件，包括ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ、Ｓｉｅｍｅｎｓ　ＮＸ、　ＡｕｔｏｄｅｓｋＩｎｖｅｎｔｏｒ和ＰＴＣ　Ｃｒｅｏ。使用独特的ＬｉｖｅＴｒａｎｓ—　ｆｅｒ技术，Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｘ可传输完整数据模型包　括特征树，其将数据传输到新设计环境中使我们能象　编辑其他ＣＡＤ数模一样编辑它。　第１７期　冯超超等：綦于Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ的Ｉｒ逆向混合建卡Ｉ！　・１５９・　３　实例　隐藏向片，基于断　多段线进仃　纠绘制　原模型可以看出，截取的　片草【冬Ｉ足山Ａ线、　珀、　下面以某一零件模型为例在Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ　软件中进行正逆向混合建模，以验证该混合建模方法　的准确性和便捷性　用手持式三维激光扫描系统获取模型的表面多边　吲弧所构成的封闭曲线，肖线与　弧之间以　『ｆ】连　接。利用Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ软件ｌ｝，ｌ的草　：　具进什　草图的编辑修改和约柬。最后得到的　所示，命名为“草图ｌ”　利用上面截取的　如　５（Ｉ　）　形网格数据模型，然后将数据模型以．ｓｔ１格式文件导　入Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ中，并对网格数据模　进行处　ｌ进仃实体建模。点。｝　理（如精简、细分、优化等）。从图３可以看出该模　“创建实体”Ｔ具栏ｒＩ，的“托伸”，选择特征树Ｉ　而　型的实体比较简单，是由一个拉伸体经过数次裁剪　的草图ｌ作为基准草　，Ｉｊ订　被分荆　的领域：ｎ　此处　得到　就可以作为设汁元素引Ｈｊ　ｒ，力‘法选择“刮领域”，　根据扫描数据的曲率和模　特征，自动将面片归　选择模型ｌ　表面，点ｉｈ－确定，特　俐中　｝；现“　ｆｌｆＩ　类为不同的几何领域并以不同的颜色显示。点击领域　体ｌ”的建模履历，模型树Ｆ　面也ｆｌｆ现　为“｝　ｆＩ｝１体　中的“自动分割”＿丁具对该模型进行领域划分，根　ｌ”的实体。剩余实体特　部分用炎似方法创　，只　据模型外轮廓的复杂程度设定相应的敏感度值。领域　是在创建模型正面凹楠部分时拉ｆｌｌ『操作中的“运算　的划分在Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ软件中可以带米很大的　结果”项要选择“切割”，该模型　体特，止创建的结　方便，提高建模效率；在后续的创建实体与创建曲面　果如图６所示．．　中，领域作为特征要素应用到建模中可以提高建模的　精确性和快速性　．此模型的敏感度值设定为ｌ０。领　域划分的效果如图４所示。在理解该模型的设计意图　基础上可以埘相同的领域进行合并，如模型下部分的　５个圆柱形凹槽可以视为同一个领域。　图３　三维网格面模型　４领域划分效果图　６供】　Ｉ奉　创建面片草图。点击“面片草图”。选择“平面　在得到模型实体后，Ｇ㈤　ｍｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｘ软什　¨』　投影”，将选定的“基准平面”偏移一定距离，点击　根据实际情况加入操作群的细节没汁对馍　实作　现　确定将得到粉红色的断面多段线，如图５（ａ）所示。　再设计。刈　实体进行　角　ｊ精度分析以便检验处模的　精确性。经过对比，发脱模型底部　址单纯的　仲形　状，而是由一个自由ｆ』｝１帕ｆ与托伸体ｌ哉　』　得　修改　拉仲体１，点击特征树・｝】的草图ｌ对　进仃修改他呵　更改拉仲体ｌ。用拟合的『１由曲ｆｆ１＝『　蜓改　的托仲｛水　ｌ进行裁　，就得到　差之内的模　实体　选・ｆ　实　体对其进行圆角操作，从原始模，　叮以看ｍ　７　Ｉｔｌ　箭头所指那部分为叮变　角，其他部化均为　侧　角。在对模型　体进行　角处珲过　ｒ１Ｉ既町以依　面片来估算　角　径值也吖以输入操作荇的没汁　值，实现参数化设计　、对　角后的　休模　进行　度分析（体偏差）．模删夫部分　爪为绿色，蜕ｉ　（ａ）断面多段线　（ｂ）面片革图　所创建的文体在误差允许范　之Ｉ～，ｆＨ１　７干¨　８　图５断面多段线和面片草图　所示　、　・１６０・　机床　液　第４５卷　［４］金荧．矿用通风饥　逆阳混合建模再没计研究［Ｊ］．煤矿　机械，２０１１，３２（５）：２２—２４．　ＪＩＮ　Ｋ．Ｒｅｓｅａｒ￣－ｈ　Ｏ１１　ＦＯｌ￣Ｖａｌ‘（１　ａｎｔｉ　Ｒｅｖｅｒｓｅ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｔｅ（・ｈｎｌ４（ｉｇｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｅ　Ｖｅｎｔｉｈｆｌｏｒ＿Ｊ｝．Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｔ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，　２０１　１，３２（５）：２２—２４．　［５］离曙Ｈ』】．自动特，征识别技术综述［Ｊ＝㈠ｔ算机　：报，１９９８，　２Ｉ（３）：２８１—２８８．　ＧＡ（）Ｓ　Ｍ．Ａ　Ｓｕｒｖｅｖ　ｏｆ　Ａｕｔ（）ｍａｔｉｃ　Ｆｅａｔｍ’ｃ　ｌｌｅｔ・ｏｇｎｉｔｉｏｎ】Ｊ．　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｏｎｑｍｔｅｒｓ，１９９８，２ｌ（３）：２８ｌ一２８８．　图７最终实体　。８精度分析（体偏篪）　Ｉ　６１吴　存・逆向Ｔ　中特　提取及形状识圳研究［Ｉ）］・抗　评价体系　Ｉ＝１　ｋＥ　航ｒ摹　揪　　。，力‘法，　ｉ＇　ｓｉ－；￣　ｈｉｌｕｌ　于Ｇｅｏｍａｇｉｃ　Ｄｅｓｉｇｌ１　ｘ软件的正逆『，ｌＪ　混合建模流　，以　一零件模删为例验证了该建使办　法的准确性和便捷性，对产品的快速开发与创新设计　…Ｘ　Ｌ—Ａ　【；　…　’　、　ｈ　ｏｎ　Ｑ　ａＩｉｔ　Ｈ　　ＪＧＡ　Ｍ，ｅｌ　ａ｜．Ｒｅｓｅａｒｅ　Ｅ　。ｌ　【ｉ。　Ａ　．６６．）　：￣　４－－ｍ．　，ｆ　Ｒ。　。　Ｉｒｕ　ｊ　Ｍ　㈧ｆｎ　Ｍ　ｌｎｎｏｖａｔｉ。　，ｆ　Ｍ　ｈｉ　ｎｆ　ｈａｎｉ　１　Ｐａｒｔｓｆ　Ｊ］Ｄｅｖｅｌ　｜）ｌｎｅ　ｔ＆仃一定借鉴意义．也为实物混合建模及再设计提供丫　一＆Ｅｌｅｃｔｒｉ。　１　Ｐｒｏｄ　．２０１３，２６（２）：６４—６６．　种新的解决思路　［８］剧小尔，成思源，畅霄荣，等．面向创新没汁的逆向【　程　ｖｅｒｓｅ　Ｅｎｇｉｎｅ（　ｒｉｎｇ　ｉｎ　Ｆａｎ　ＶａＩ　Ｍｏｌｄ　Ｉ）ｅｓｉｇｎ［Ｊ］．Ｖａｌｕｅ　Ｉ＝＝ｌｌ—ＬＡＩ　Ｘ，ＬＩ　Ｇ，ＺＨＡＮＧ　ｗ，ｔ、　ａ１．３１）Ｍｏｄｅｌ　Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｆｒ，　、、　阿童木机器人获３　２４８万元Ａ轮融资，智能制造产业或成资本新宠　：：　。　：　；　（内容来源：（）Ｆｗ　ｋ机器人网）　；　：　：　：