基于Siemens NX的玩具公仔外殼逆向造型設(shè)計(jì)

彭志強(qiáng) 譚偉林 鄧浩

摘要：本文通過(guò)Siemens NX對(duì)玩具公仔外殼的逆向造型設(shè)計(jì)，對(duì)建立玩具公仔外殼STL模型坐標(biāo)系和曲面逆向造型等問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)描述，最終獲得可編輯三維模型。通過(guò)第三方對(duì)比軟件Geomagic Control對(duì)逆向造型結(jié)果和原有STL模型進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示逆向造型結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，也表明本文描述的逆向造型設(shè)計(jì)方法能高質(zhì)量的完成玩具公仔等曲面類零件的造型。

關(guān)鍵詞：Siemens NX;玩具公仔;逆向造型

一、前言

逆向造型設(shè)計(jì)是指利用各類型三維測(cè)量或掃描設(shè)備獲取現(xiàn)有零件表面任意點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)（或稱為“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)），運(yùn)用逆向建模軟件，將“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)推導(dǎo)并形成特征明顯、且可編輯的三維模型的全過(guò)程。隨著逆向造型技術(shù)的不斷發(fā)展，其逆向手段日趨成熟，具有設(shè)計(jì)周期短、效率高等特點(diǎn)，逐漸成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)的重要手段，尤其是曲面特征較豐富的汽車外殼造型、玩具公仔造型等領(lǐng)域。

逆向造型設(shè)計(jì)主要有三個(gè)關(guān)鍵過(guò)程：采集“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)、逆向造型和結(jié)果比對(duì)。采集“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)的方式有利用接觸式三維測(cè)量和非接觸式掃描：接觸式三維測(cè)量一般利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的測(cè)量頭直接與零件接觸獲取數(shù)據(jù)，其獲取的“點(diǎn)云”數(shù)量少、數(shù)據(jù)體積小、“點(diǎn)云”分布規(guī)則、速度慢，而且需要采集“點(diǎn)云”的技術(shù)人員具備一定的逆向造型知識(shí)，以確保采集的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)能完成逆向造型;非接觸式掃描一般利用光學(xué)掃描設(shè)備，采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)等復(fù)合方式獲取數(shù)據(jù)，其獲取的“點(diǎn)云”數(shù)量多、數(shù)據(jù)體積大、“點(diǎn)云”分布不規(guī)則、速度快，對(duì)設(shè)備操作人員的要求不高，相對(duì)于接觸式三維測(cè)量而言，非接觸式掃描能完成大型零件、文物的掃描，正逐漸成為主流的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)采集設(shè)備。逆向造型是指利用逆向建模軟件根據(jù)獲取的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)推導(dǎo)并形成特征明顯、可編輯的三維模型的過(guò)程，常見(jiàn)的具備逆向造型功能的軟件有：Geomagic Design X、Siemens NX、CATIA、Cero等，各軟件逆向造型思維大同小異，在機(jī)械設(shè)計(jì)、質(zhì)量檢測(cè)、文物修復(fù)等領(lǐng)域具有不同程度的應(yīng)用。結(jié)果比對(duì)是指將逆向造型結(jié)果與“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證逆向造型結(jié)果是否與原始數(shù)據(jù)的偏差是否在規(guī)定值以內(nèi)，根據(jù)任務(wù)不同，其偏差值一般在0.01～0.5mm以內(nèi)，常見(jiàn)的比對(duì)軟件主要為Gomagic Cotrol。

本文以復(fù)雜曲面構(gòu)成的玩具公仔為項(xiàng)目載體，從如何獲取玩具公仔表面“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)、如何進(jìn)行逆向造型設(shè)計(jì)、如何進(jìn)行結(jié)果比對(duì)等三方面詳細(xì)玩具公仔外殼逆向造型的全過(guò)程。

二、采集“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)

本文采用非接觸式掃描設(shè)備——PowerScan面結(jié)構(gòu)光三維掃描儀獲取玩具公仔表面“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)。主要操作步驟為：①噴涂顯像劑——將玩具公仔外殼零件置于室外或室內(nèi)空曠環(huán)境，搖勻顯影劑后，零件30cm距離開(kāi)始噴涂，使霧狀顯影劑均勻附著在零件表明上，當(dāng)零件表面被白色顯像劑基本上覆蓋后，即可停止噴涂;②校隊(duì)掃描儀——將PowerScan面結(jié)構(gòu)光三維掃描儀按照設(shè)備開(kāi)機(jī)后，按照使用規(guī)程校隊(duì)設(shè)備使其自動(dòng)恢復(fù)至最佳精度狀態(tài);③粘貼三維基準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)——在零件合適表面粘貼標(biāo)志點(diǎn)，確保每一次旋轉(zhuǎn)都能有至少三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)能被三維掃描儀捕捉形成測(cè)量基準(zhǔn);④掃描“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)——利用三維掃描儀掃描已處理好的零件，即可獲得“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)調(diào)整零件位置，獲得零件不同方位的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，最后由系統(tǒng)自動(dòng)完成拼接，形成完整的玩具公仔外殼表面數(shù)據(jù)，輸出為STL格式模型（如圖1所示），便于后續(xù)逆向造型。

三、逆向造型

本文將運(yùn)用Siemens NX使用正逆向混合造型的方式對(duì)玩具公仔外殼進(jìn)行逆向造型設(shè)計(jì)，主要通過(guò)模型定位、曲面逆向和細(xì)節(jié)優(yōu)化三個(gè)階段描述逆向造型全過(guò)程。

1、模型定位

在采集“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)階段形成的玩具公仔外殼STL模型，其坐標(biāo)系是位于三維空間的任意位置，不便于后期的曲面逆向設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)及數(shù)控加工。因此，需將STL模型移動(dòng)至原點(diǎn)坐標(biāo)系，使其底面為XY平面，左右對(duì)稱平面為XZ平面，前后對(duì)稱平面為YZ平面，如圖1所示。移動(dòng)方法步驟為：①在原有STL模型上根據(jù)需要建立三個(gè)平面，運(yùn)用“三平面”的方式創(chuàng)建基準(zhǔn)坐標(biāo)系CSYS1;②運(yùn)用“移動(dòng)對(duì)象”命令，運(yùn)用“坐標(biāo)系到坐標(biāo)系”方式，將STL模型從CSYS1坐標(biāo)系移動(dòng)至原點(diǎn)坐標(biāo)系，完成模型定位。

2、曲面逆向

（1）構(gòu)建關(guān)鍵線

利用“截面曲線”命令，選擇“要剖切對(duì)象”為STL模型，“剖切平面”為XZ平面或YZ平面，設(shè)置“輸出采樣點(diǎn)”的采樣間距為1mm，完成系列關(guān)鍵點(diǎn)的創(chuàng)建;再一次再XZ平面或YZ平面上創(chuàng)建草圖，并繪制曲面的關(guān)鍵線（如圖2（a）所示）;再創(chuàng)建一批平行于XY平面的平面，通過(guò)“截面曲面”和“草圖”命令完成交叉曲線的創(chuàng)建（如圖2（b）所示）。

（2）構(gòu)建曲面

首先創(chuàng)建邊界條件所需的曲面，通過(guò)“拉伸”命令，將YZ平面上的曲線拉伸5mm，形成曲面A1（如圖2（c）所示）;利用“通過(guò)曲線網(wǎng)格”命令，拾取關(guān)鍵線，制定曲面A1為想切面，控制曲面相切關(guān)系，形成主體曲面（如圖2（d）所示）;為便于填補(bǔ)頂部曲面，首先運(yùn)用修剪主體曲面，使其頂部形成一個(gè)四邊缺口（如圖2（e）所示），便于運(yùn)用“通過(guò)曲線網(wǎng)格”命令補(bǔ)齊曲面（如圖2（f）所示）。

重復(fù)上述操作，或通過(guò)拉伸、修剪片體等方式依次完成玩具公仔外殼的其他曲面，結(jié)果如圖2（g）所示。最后通過(guò)“鏡像”命令完成玩具公仔主體曲面逆向造型，通過(guò)修剪、縫合等命令，獲得玩具公仔的實(shí)體模型（如圖2（h）所示）。

3、細(xì)節(jié)優(yōu)化

（1）創(chuàng)建細(xì)節(jié)特征

創(chuàng)建“肚臍”特征——在XZ平面上繪制與STL模型一致的圓形，拉伸高度與STL模型保持一致，經(jīng)倒圓角后即可獲得“肚臍”特征;創(chuàng)建“肚子”特征——在XZ平面上繪制與STL模型上“肚子”一致的形狀，拉伸高度應(yīng)高于原有STL模型高度，再通過(guò)“偏置曲面”命令，將原有“肚子”曲面向外偏置1mm，最后通過(guò)“修剪片體”命令，將兩個(gè)曲面互相修剪;創(chuàng)建“嘴部”特征——與創(chuàng)建“肚子”特征的方法一致;倒圓角——仔細(xì)觀察STL模型結(jié)構(gòu)，完成模型各部分的倒圓角操作。最終結(jié)果如圖3（a）所示。

（3）創(chuàng)建消失面特征

玩具公仔的眼睛為典型消失面特征，具體做法為：運(yùn)用“拉伸”將頭部曲面上的眼睛輪廓切除;運(yùn)用“掃掠”完成眼睛內(nèi)部曲面的創(chuàng)建，并用“拉伸”完成內(nèi)部曲面的切割;運(yùn)用“通過(guò)曲線組”命令完成眼睛下部與頭部的連接;運(yùn)用“通過(guò)曲線網(wǎng)格”命令完成眼睛上部與頭部的連接;運(yùn)用“修剪體”命令，利用生成的曲面切割實(shí)體，最終形成眼睛部分的消失面特征的創(chuàng)建，結(jié)果如圖3（b）所示。

四、結(jié)果比對(duì)

為檢查玩具公仔的逆向造型設(shè)計(jì)結(jié)果是否與原始數(shù)據(jù)的偏差是否在±0.3mm以內(nèi)，借助Geomagic Control軟件分別導(dǎo)入設(shè)計(jì)結(jié)果與參考STL模型進(jìn)行對(duì)比檢查，結(jié)果如表1所示。通過(guò)分析對(duì)比數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)偏差在±0.3mm以內(nèi)的比例為82.6%，偏差在±0.3～0.5mm以內(nèi)的比例為97.9%，結(jié)果表明玩具公仔外殼逆向造型設(shè)計(jì)結(jié)果符合逆向造型要求。

五、結(jié)語(yǔ)

本文主要借助Siemens NX軟件對(duì)玩具公仔外殼的逆向造型設(shè)計(jì)的全過(guò)程進(jìn)行描述，將整個(gè)逆向造型設(shè)計(jì)過(guò)程總結(jié)為三個(gè)階段：模型定位、逆向造型和結(jié)果比對(duì)，可適用于各類有復(fù)雜曲面的逆向造型設(shè)計(jì)。同時(shí)也表明運(yùn)用Siemens NX軟件正逆向混合造型理念，能快速完成零件逆向造型設(shè)計(jì)，在逆向造型領(lǐng)域具有較大潛力。

參考文獻(xiàn)：

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[3]譚偉林，彭志強(qiáng).基于NX10的路由器外殼模型的逆向造型[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（22）：19+22.

作者簡(jiǎn)介：彭志強(qiáng)，男，（1987年—），湖南常德，副教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、逆向造型技術(shù)