陶春生， 白 皛， 馬松柏

(北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048)

基于線掃描的逆向工程對食醋瓶建模研究

陶春生， 白 皛， 馬松柏

(北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048)

介紹了逆向工程技術的概念、流程和研究現(xiàn)狀;通過對一食醋瓶樣品的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和實體化建模的逆向建模過程，闡述逆向工程技術在食品包裝中的應用．研究表明采用逆向工程方法可以獲得較高質量的食品包裝樣品模型，是一種對食品包裝進行創(chuàng)新設計行之有效的方法．

線掃描;逆向工程;食醋瓶

逆向工程也稱為反求工程，是利用對實物或模型測量的數(shù)據(jù)重新構造實物的計算機模型，用CAD/CAE/CAM等計算機輔助技術進行分析、再設計、數(shù)控編程等操作，而后進行加工的過程．逆向工程是綜合性很強的技術，其以設計方法學為指導，以現(xiàn)代設計理論、方法、技術為基礎，運用各種專業(yè)人員的工程設計經驗、知識和創(chuàng)新思維，對已有產品進行解剖、深化和再創(chuàng)造．

逆向工程是各國技術進步與發(fā)展，尤其是發(fā)展中國家迅速改變技術落后狀況，提高綜合設計、決策水平、制造水平，趕超世界先進水平的快捷之路．戰(zhàn)后，日本工業(yè)恢復的需要使其首先對逆向工程進行了研究，提出“第一臺引進，第二臺國產化，第三臺出口”的口號，日本用了近二十年時間迅速崛起成為世界經濟強國就是一個生動的歷史證明．據(jù)統(tǒng)計，各國70%以上的技術源于國外，逆向工程作為掌握技術的一種手段，可使產品研制周期縮短40%以上，極大提高了生產率［1－2］．隨著新的逆向工程原理和技術的不斷引入，逆向工程已經成為聯(lián)系新產品開發(fā)過程中各種先進技術的紐帶，在新產品開發(fā)過程中居于核心地位，被廣泛地應用于摩托車、汽車、飛機、家用電器、模具等產品的改型與創(chuàng)新設計．因此研究逆向工程技術，對我國國民經濟的發(fā)展和科學技術水平的提高，具有重大的意義．

食品包裝與人們生活密切相關，世界各國投入巨大，已形成一個高科技、高智能的產業(yè)領域，成為國民經濟的支柱產業(yè)之一．隨著時代進步和消費水平的日益提高，對食品包裝的要求也越來越高．現(xiàn)代生活的進步促進了食品包裝技術的發(fā)展．我國的食品包裝行業(yè)近些年來所取得的成績是顯著的，但與國外產品相比仍存在較大的技術差距．國外已將許多先進技術應用在食品包裝上．隨著逆向工程技術不斷地成熟完善，應用領域不斷擴大，逆向工程必將發(fā)展成為一種能被食品包裝行業(yè)普遍采用的技術手段，給企業(yè)和社會帶來巨大的經濟效益［3－5］．

逆向工程一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和實體化模型3個階段．

1 數(shù)據(jù)采集

在逆向工程中，準確、快速、全面獲取實物的三維幾何數(shù)據(jù)，即對物體的三維幾何形面進行三維離散數(shù)字化處理，獲得點云數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)逆向工程的基礎．根據(jù)測量方式的不同可以將數(shù)據(jù)采集方法分為接觸式和非接觸式兩大類．接觸式數(shù)據(jù)采集方法的優(yōu)點是準確性和可靠性高，對被測物體的材質和反射性沒有特別的要求，不受表面顏色的影響;缺點是由于采用接觸式測量，測量過程存在摩擦力和彈性變形，且測量效率較低，不適于對軟質、易碎、易變形、超薄樣件進行測量，對尺寸小于測頭直徑的微細部分的測量受到限制．非接觸式數(shù)據(jù)采集方法的最大優(yōu)點是速度快、自動化程度高、不受樣件材質和薄厚的影響，排除了摩擦力和接觸壓力引起的模型變形測量誤差，測得數(shù)據(jù)量大，能充分反映被測樣件的表面形狀信息，適于各種復雜模型的三維高速測量;缺點是易受樣件反射特性和環(huán)境光的影響．非接觸式數(shù)據(jù)采集又可以分為線掃描和面掃描方式［6］．

本研究數(shù)據(jù)采集采用基于線掃描方式的柔性三維激光掃描系統(tǒng)，每秒鐘采集數(shù)據(jù)點可高達23 000點，長度測量精度為0.04 mm，重復精度為0.02 mm．此系統(tǒng)可以智能快速地更換測頭，不需重新標定即可實現(xiàn)樣品的數(shù)據(jù)采集和對樣品關鍵尺寸的測量．樣品如圖1，為一食醋瓶．由于掃描件屬于反光模型，而所用測量儀又是激光測量系統(tǒng)，反光度太強，所以在掃描之前要將掃描件均勻噴上顯像劑．采集樣品的點云數(shù)據(jù)如圖2，由分散的數(shù)據(jù)點組成．

圖1 樣品Fig．1 Sample

圖2 點云數(shù)據(jù)Fig．2 Point cloud data

2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)預處理、多邊形處理和構建曲面．用于逆向工程數(shù)據(jù)處理的軟件有很多種，Geomagic Studio作為主流逆向工程軟件之一，得到了廣泛的應用．Geomagic Studio可與幾乎所有主要的三維掃描設備和CAD/CAM軟件進行集成．可根據(jù)實物模型通過掃描的點云數(shù)據(jù)生成準確的數(shù)字模型，能夠作為一個獨立應用程序運用于快速制造，或者作為對CAD軟件的補充，可以輸出包括STL、IGES 和 STEP 等標準行業(yè)格式的文件［7－8］．

2.1 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理主要包括數(shù)據(jù)雜點的刪除，數(shù)據(jù)的合并及篩減等．

由于在掃描過程中不可避免地掃描到樣品以外的點，即獲得的點云數(shù)據(jù)中存有雜點，因此數(shù)據(jù)預處理的第一步就是要刪除這些雜點．選擇Geomagic Studio工具欄中的選擇工具選擇雜點，直接按刪除鍵即可刪除雜點，若沒有一次性刪除大部分雜點，可以重復此過程，直至刪除所有的雜點．

選擇軟件工具欄中的合并命令，設置合理的參數(shù)，如設置最大偏差為0.001，采用100%的采樣，并選擇最大三角數(shù)，將執(zhí)行質量調到最大等．然后開始合并點云數(shù)據(jù)，將點云數(shù)據(jù)轉換為三角化模型，形成多邊形．數(shù)據(jù)預處理后的三角化模型如圖3，是由眾多小的三角形組成的曲線模型．

圖3 三角化模型Fig．3 Triangulating model

2.2 多邊形處理

多邊形處理包括填充孔，刪除釘狀物，去除尖角和平滑等操作．

在點云數(shù)據(jù)的掃描過程中，會有一些地方數(shù)據(jù)掃的過少或者沒有掃到，形成孔，這些孔在數(shù)據(jù)處理過程中需要填上．選擇軟件工具欄中的填充孔命令，在圖形顯示區(qū)域內會出現(xiàn)孔的個數(shù)，孔的邊框會成綠色，單擊綠色的邊框即可填充孔，當孔的數(shù)量顯示為零時即完成孔的填充．

填充孔后可以刪除數(shù)據(jù)中的釘狀物．如果模型中有突出的尖角，選擇砂紙命令，將尖角打磨平滑．若尖角過大無法打磨平滑，需要將模型重新轉換成點云數(shù)據(jù)，刪除尖角處的點，再把點云數(shù)據(jù)轉換成三角化模型即可．

最后，選擇平滑工具，將平滑級別、強度、曲率優(yōu)先等參數(shù)調到合適的值，完成對多邊形模型的平滑操作．完成多邊形操作的多邊形模型如圖4．

2.3 構建曲面

逆向工程中，曲面模型重建是最重要、最繁雜的一環(huán)，因為最后要完成模型的加工，需要的是平滑的曲面模型或是由良好的點群所產生的三角網格．比較成熟的技術主要有以B樣條或NURBS曲面為基礎的四邊參數(shù)域曲面構造和以Bezier曲面為基礎的三角形參數(shù)域曲面構造方法．構建曲面主要包含構建曲面片、構建曲面、合并曲面等步驟．

構造曲面片是按一定的算法，將三角化模型轉換成有多個曲面片組成的NURBS曲面模型．選擇工具欄中構造曲面片命令，設置合適的參數(shù)將三角化模型生成NURBS曲面模型．生成的曲面模型如圖5，是由NURBS曲面片組成的曲面模型．

圖4 多邊形處理Fig．4 Polygon processing

圖5 曲面片F(xiàn)ig．5 Segment of surface

將由曲面片構成的曲面模型，生成格柵，再選擇合適的參數(shù)，將曲面擬合和合并，完成構建曲面的操作．使用轉換工具，將曲面模型轉換成IGS格式的CAD模型，并保留NURBS模型．生成的CAD模型如圖6．

圖6 CAD模型Fig．6 CAD model

3 實體化模型

逆向工程最后階段的目的是生成實體模型．點云數(shù)據(jù)處理后的模型是曲面構成的而不是實體，在進行后續(xù)的制造或進行分析時所需要的模型必須為有厚度、有質量的實體模型，因此需要將曲面模型導入三維制圖軟件比如Solidworks進行實體化．

在保存成CAD模型時保留了曲面，在進行實體化前，需要將曲面縫合．選擇縫合曲面命令同時選合并實體選項，點選模型中的各個面，完成對曲面的縫合．完成曲面縫合的模型如圖7，是由曲面構成的無厚度、無質量的CAD模型．

圖7 縫合曲面Fig．7 Suturing surface

選擇加厚命令，將模型生成實體并加厚．創(chuàng)建一定的分型面，將實體化模型分成瓶身和瓶蓋兩部分．樣品瓶嘴是規(guī)則形狀，利用采集數(shù)據(jù)的柔性測量系統(tǒng)測量瓶嘴，并在軟件中建立瓶嘴的實體特征．再利用抽殼命令，分別對瓶身和瓶蓋抽殼，完成模型的實體化．實體化后的模型如圖8，其是有厚度和質量等的CAD模型，可以利用此模型生成二維工程圖，或直接生成數(shù)控代碼，從而加工制造其樣品．

圖8 實體化模型Fig．8 Materializing model

4 誤差分析

使用此柔性測量系統(tǒng)，將激光測頭換成紅寶石測量測頭，設定公差為0.1 mm，測量樣品的整體高度，測量數(shù)據(jù)如表1，為103.993 mm．

表1 實體高度Tab．1 Height of entity mm

在Solidworks中，測量根據(jù)獲得的點云數(shù)據(jù)建立的實體化模型高度，測量數(shù)據(jù)如圖9，為103.923 96 mm，則實體和模型的誤差為0.069 mm．此誤差完全符合產品的設計要求．

圖9 模型高度Fig．9 Height of model

誤差產生的原因主要有以下幾點:

1)噴涂顯像劑造成的誤差;

2)測量數(shù)據(jù)時，由于采集方法和采集條件的限制，引起的誤差;

3)在處理數(shù)據(jù)時，追求高質量要求，將模型數(shù)據(jù)刪除或處理掉，從而引起誤差．

5 結語

利用逆向工程技術對食醋瓶進行了逆向建模研究，獲得了具有較高精度的食醋瓶實體化模型．研究表明逆向工程技術是一種對先進食品包裝產品進行分析和再創(chuàng)造，實現(xiàn)食品包裝新產品的開發(fā)和創(chuàng)新設計行之有效的方法，是促進我國食品包裝行業(yè)快速發(fā)展的重要途徑．

［1］王英惠，吳維勇．面向創(chuàng)新設計的逆向工程［J］．機械設計，2007，24(10):1-3．

［2］蔡克中，鐘硯濤．現(xiàn)代產品設計中逆向工程技術的應用［J］．包裝工程，2006，27(3):156-158．

［3］孟祥釗．食品包裝設計理念［J］．包裝與食品機械，2009，27(1):22-25．

［4］閻敏．關于我國食品包裝發(fā)展的探究［J］．肉類工業(yè)，2009(9):49-51．

［5］龐芳．淺談我國食品包裝的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］．中國科技縱橫，2010(19):49-51．

［6］王亮德．逆向工程技術在復雜曲面零件設計與制造中的應用與展望［J］．制造技術與機床，2009(11):58-61．

［7］李孟，付平，孫圣和．三維激光掃描表面數(shù)據(jù)區(qū)域分割［J］．計算機工程與應用，2009，45(27):21-23．

［8］Xu Liang，Lin Minxu，Li Jianqiao，et al．Three-dimensional geometrical modelling of wild boar head by reverse engineering technology［J］．Journal of Bionic Engineering，2008(5):85-90．

(責任編輯:檀彩蓮)

Research on Modeling for Vinegar Bottle by Reverse Engineering Based on Linear Scanning

TAO Chun-sheng， BAI Qiao， MA Song-bai
(School of Material Science and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China)

The concept，processes and research status of reverse engineering were introduced．The application of reverse engineering technology on food packaging was illustrated by introducing the process of rebuilding a model for a vinegar bottle，including acquiring point cloud data of a vinegar bottle，processing data and materializing model．The results showed that a high quality model of sample can be rebuit by reverser engineering．It is an effective method in innovation design on food packaging by reverser engineering technology．

linear scanning;reverse engineering;vinegar bottle

TS206.5

A

1671-1513(2012)05-0073-04

2012-08-27

北京工商大學青年教師科研啟動基金資助項目(QNJJ2011-36)．

陶春生，男，講師，碩士，主要從事食品機械、CAD/CAM應用等方面的研究．