基于Siemens NX的玩具公仔外壳逆向造型设计

彭志强 谭伟林 邓浩

摘要：本文通过Siemens NX对玩具公仔外壳的逆向造型设计，对建立玩具公仔外壳STL模型坐标系和曲面逆向造型等问题进行详细描述，最终获得可编辑三维模型。通过第三方对比软件Geomagic Control对逆向造型结果和原有STL模型进行对比，结果显示逆向造型结果符合设计要求，也表明本文描述的逆向造型设计方法能高质量的完成玩具公仔等曲面类零件的造型。

关键词：Siemens NX;玩具公仔;逆向造型

一、前言

逆向造型设计是指利用各类型三维测量或扫描设备获取现有零件表面任意点的三维坐标数据（或称为“点云”数据），运用逆向建模软件，将“点云”数据推导并形成特征明显、且可编辑的三维模型的全过程。随着逆向造型技术的不断发展，其逆向手段日趋成熟，具有设计周期短、效率高等特点，逐渐成为产品开发、设计的重要手段，尤其是曲面特征较丰富的汽车外壳造型、玩具公仔造型等领域。

逆向造型设计主要有三个关键过程：采集“点云”数据、逆向造型和结果比对。采集“点云”数据的方式有利用接触式三维测量和非接触式扫描：接触式三维测量一般利用三坐标测量仪的测量头直接与零件接触获取数据，其获取的“点云”数量少、数据体积小、“点云”分布规则、速度慢，而且需要采集“点云”的技术人员具备一定的逆向造型知识，以确保采集的“点云”数据能完成逆向造型;非接触式扫描一般利用光学扫描设备，采用结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术等复合方式获取数据，其获取的“点云”数量多、数据体积大、“点云”分布不规则、速度快，对设备操作人员的要求不高，相对于接触式三维测量而言，非接触式扫描能完成大型零件、文物的扫描，正逐渐成为主流的“点云”数据采集设备。逆向造型是指利用逆向建模软件根据获取的“点云”数据推导并形成特征明显、可编辑的三维模型的过程，常见的具备逆向造型功能的软件有：Geomagic Design X、Siemens NX、CATIA、Cero等，各软件逆向造型思维大同小异，在机械设计、质量检测、文物修复等领域具有不同程度的应用。结果比对是指将逆向造型结果与“点云”数据进行对比，以验证逆向造型结果是否与原始数据的偏差是否在规定值以内，根据任务不同，其偏差值一般在0.01～0.5mm以内，常见的比对软件主要为Gomagic Cotrol。

本文以复杂曲面构成的玩具公仔为项目载体，从如何获取玩具公仔表面“点云”数据、如何进行逆向造型设计、如何进行结果比对等三方面详细玩具公仔外壳逆向造型的全过程。

二、采集“点云”数据

本文采用非接触式扫描设备——PowerScan面结构光三维扫描仪获取玩具公仔表面“点云”数据。主要操作步骤为：①喷涂显像剂——将玩具公仔外壳零件置于室外或室内空旷环境，摇匀显影剂后，零件30cm距离开始喷涂，使雾状显影剂均匀附着在零件表明上，当零件表面被白色显像剂基本上覆盖后，即可停止喷涂;②校队扫描仪——将PowerScan面结构光三维扫描仪按照设备开机后，按照使用规程校队设备使其自动恢复至最佳精度状态;③粘贴三维基准标志点——在零件合适表面粘贴标志点，确保每一次旋转都能有至少三个标志点能被三维扫描仪捕捉形成测量基准;④扫描“点云”数据——利用三维扫描仪扫描已处理好的零件，即可获得“点云”数据，通过旋转或移动调整零件位置，获得零件不同方位的“点云”数据，最后由系统自动完成拼接，形成完整的玩具公仔外壳表面数据，输出为STL格式模型（如图1所示），便于后续逆向造型。

三、逆向造型

本文将运用Siemens NX使用正逆向混合造型的方式对玩具公仔外壳进行逆向造型设计，主要通过模型定位、曲面逆向和细节优化三个阶段描述逆向造型全过程。

1、模型定位

在采集“点云”数据阶段形成的玩具公仔外壳STL模型，其坐标系是位于三维空间的任意位置，不便于后期的曲面逆向设计、模具设计及数控加工。因此，需将STL模型移动至原点坐标系，使其底面为XY平面，左右对称平面为XZ平面，前后对称平面为YZ平面，如图1所示。移动方法步骤为：①在原有STL模型上根据需要建立三个平面，运用“三平面”的方式创建基准坐标系CSYS1;②运用“移动对象”命令，运用“坐标系到坐标系”方式，将STL模型从CSYS1坐标系移动至原点坐标系，完成模型定位。

2、曲面逆向

（1）构建关键線

利用“截面曲线”命令，选择“要剖切对象”为STL模型，“剖切平面”为XZ平面或YZ平面，设置“输出采样点”的采样间距为1mm，完成系列关键点的创建;再一次再XZ平面或YZ平面上创建草图，并绘制曲面的关键线（如图2（a）所示）;再创建一批平行于XY平面的平面，通过“截面曲面”和“草图”命令完成交叉曲线的创建（如图2（b）所示）。

（2）构建曲面

首先创建边界条件所需的曲面，通过“拉伸”命令，将YZ平面上的曲线拉伸5mm，形成曲面A1（如图2（c）所示）;利用“通过曲线网格”命令，拾取关键线，制定曲面A1为想切面，控制曲面相切关系，形成主体曲面（如图2（d）所示）;为便于填补顶部曲面，首先运用修剪主体曲面，使其顶部形成一个四边缺口（如图2（e）所示），便于运用“通过曲线网格”命令补齐曲面（如图2（f）所示）。

重复上述操作，或通过拉伸、修剪片体等方式依次完成玩具公仔外壳的其他曲面，结果如图2（g）所示。最后通过“镜像”命令完成玩具公仔主体曲面逆向造型，通过修剪、缝合等命令，获得玩具公仔的实体模型（如图2（h）所示）。

3、细节优化

（1）创建细节特征

创建“肚脐”特征——在XZ平面上绘制与STL模型一致的圆形，拉伸高度与STL模型保持一致，经倒圆角后即可获得“肚脐”特征;创建“肚子”特征——在XZ平面上绘制与STL模型上“肚子”一致的形状，拉伸高度应高于原有STL模型高度，再通过“偏置曲面”命令，将原有“肚子”曲面向外偏置1mm，最后通过“修剪片体”命令，将两个曲面互相修剪;创建“嘴部”特征——与创建“肚子”特征的方法一致;倒圆角——仔细观察STL模型结构，完成模型各部分的倒圆角操作。最终结果如图3（a）所示。

（3）创建消失面特征

玩具公仔的眼睛为典型消失面特征，具体做法为：运用“拉伸”将头部曲面上的眼睛轮廓切除;运用“扫掠”完成眼睛内部曲面的创建，并用“拉伸”完成内部曲面的切割;运用“通过曲线组”命令完成眼睛下部与头部的连接;运用“通过曲线网格”命令完成眼睛上部与头部的连接;运用“修剪体”命令，利用生成的曲面切割实体，最终形成眼睛部分的消失面特征的创建，结果如图3（b）所示。

四、结果比对

为检查玩具公仔的逆向造型设计结果是否与原始数据的偏差是否在±0.3mm以内，借助Geomagic Control软件分别导入设计结果与参考STL模型进行对比检查，结果如表1所示。通过分析对比数据，发现偏差在±0.3mm以内的比例为82.6%，偏差在±0.3～0.5mm以内的比例为97.9%，结果表明玩具公仔外壳逆向造型设计结果符合逆向造型要求。

五、结语

本文主要借助Siemens NX软件对玩具公仔外壳的逆向造型设计的全过程进行描述，将整个逆向造型设计过程总结为三个阶段：模型定位、逆向造型和结果比对，可适用于各类有复杂曲面的逆向造型设计。同时也表明运用Siemens NX软件正逆向混合造型理念，能快速完成零件逆向造型设计，在逆向造型领域具有较大潜力。

参考文献：

[1]谭伟林，彭志强.基于Geomagic Studio和NX10的玩具逆向造型[J].科技创新与应用，2017（13）：8-9.

[2]谭伟林，彭志强，邓浩.基于Geomagic Design X的玩具公仔逆向造型设计[J].南方农机，2019，50（23）：99+108.

[3]谭伟林，彭志强.基于NX10的路由器外壳模型的逆向造型[J].科技创新与应用，2017（22）：19+22.

作者简介：彭志强，男，（1987年—），湖南常德，副教授，研究方向：机械设计与制造、逆向造型技术