陶春生， 白 皛， 馬松柏

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)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(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048)

介紹了逆向工程技術(shù)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(shí)體化建模的逆向建模過程，闡述逆向工程技術(shù)在食品包裝中的應(yīng)用．研究表明采用逆向工程方法可以獲得較高質(zhì)量的食品包裝樣品模型，是一種對食品包裝進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)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(shí)物或模型測量的數(shù)據(jù)重新構(gòu)造實(shí)物的計算機(jī)模型，用CAD/CAE/CAM等計算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行分析、再設(shè)計、數(shù)控編程等操作，而后進(jìn)行加工的過程．逆向工程是綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，其以設(shè)計方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種專業(yè)人員的工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)、知識和創(chuàng)新思維，對已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造．

逆向工程是各國技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展，尤其是發(fā)展中國家迅速改變技術(shù)落后狀況，提高綜合設(shè)計、決策水平、制造水平，趕超世界先進(jìn)水平的快捷之路．戰(zhàn)后，日本工業(yè)恢復(fù)的需要使其首先對逆向工程進(jìn)行了研究，提出“第一臺引進(jìn)，第二臺國產(chǎn)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(jīng)濟(jì)強(qiáng)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(shù)源于國外，逆向工程作為掌握技術(shù)的一種手段，可使產(chǎn)品研制周期縮短40%以上，極大提高了生產(chǎn)率［1－2］．隨著新的逆向工程原理和技術(shù)的不斷引入，逆向工程已經(jīng)成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種先進(jìn)技術(shù)的紐帶，在新產(chǎn)品開發(fā)過程中居于核心地位，被廣泛地應(yīng)用于摩托車、汽車、飛機(jī)、家用電器、模具等產(chǎn)品的改型與創(chuàng)新設(shè)計．因此研究逆向工程技術(shù)，對我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)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(guān)，世界各國投入巨大，已形成一個高科技、高智能的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一．隨著時代進(jìn)步和消費(fèi)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(jìn)步促進(jìn)了食品包裝技術(shù)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(chǎn)品相比仍存在較大的技術(shù)差距．國外已將許多先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用在食品包裝上．隨著逆向工程技術(shù)不斷地成熟完善，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)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(shù)手段，給企業(yè)和社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)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(shí)體化模型3個階段．

1 數(shù)據(jù)采集

在逆向工程中，準(zhǔn)確、快速、全面獲取實(shí)物的三維幾何數(shù)據(jù)，即對物體的三維幾何形面進(jìn)行三維離散數(shù)字化處理，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)逆向工程的基礎(chǔ)．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(diǎn)是準(zhǔn)確性和可靠性高，對被測物體的材質(zhì)和反射性沒有特別的要求，不受表面顏色的影響;缺點(diǎn)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(zhì)、易碎、易變形、超薄樣件進(jìn)行測量，對尺寸小于測頭直徑的微細(xì)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(diǎn)是速度快、自動化程度高、不受樣件材質(zhì)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(fù)雜模型的三維高速測量;缺點(diǎn)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(diǎn)可高達(dá)23 000點(diǎn)，長度測量精度為0.04 mm，重復(fù)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(biāo)定即可實(shí)現(xiàn)樣品的數(shù)據(jù)采集和對樣品關(guān)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(qiáng)，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(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2，由分散的數(shù)據(jù)點(diǎn)組成．

圖1 樣品Fig．1 Sample

圖2 點(diǎn)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(yù)處理、多邊形處理和構(gòu)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(yīng)用．Geomagic Studio可與幾乎所有主要的三維掃描設(shè)備和CAD/CAM軟件進(jìn)行集成．可根據(jù)實(shí)物模型通過掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型，能夠作為一個獨(dú)立應(yīng)用程序運(yùn)用于快速制造，或者作為對CAD軟件的補(bǔ)充，可以輸出包括STL、IGES 和 STEP 等標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)格式的文件［7－8］．

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)雜點(diǎn)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(diǎn)，即獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存有雜點(diǎn)，因此數(shù)據(jù)預(yù)處理的第一步就是要刪除這些雜點(diǎn)．選擇Geomagic Studio工具欄中的選擇工具選擇雜點(diǎn)，直接按刪除鍵即可刪除雜點(diǎn)，若沒有一次性刪除大部分雜點(diǎn)，可以重復(fù)此過程，直至刪除所有的雜點(diǎn)．

選擇軟件工具欄中的合并命令，設(shè)置合理的參數(shù)，如設(shè)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(zhì)量調(diào)到最大等．然后開始合并點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三角化模型，形成多邊形．?dāng)?shù)據(jù)預(yù)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(diǎn)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(nèi)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(dāng)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(zhuǎn)換成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，刪除尖角處的點(diǎn)，再把點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三角化模型即可．

最后，選擇平滑工具，將平滑級別、強(qiáng)度、曲率優(yōu)先等參數(shù)調(diào)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(gòu)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?yàn)樽詈笠瓿赡Ｐ偷募庸?，需要的是平滑的曲面模型或是由良好的點(diǎn)群所產(chǎn)生的三角網(wǎng)格．比較成熟的技術(shù)主要有以B樣條或NURBS曲面為基礎(chǔ)的四邊參數(shù)域曲面構(gòu)造和以Bezier曲面為基礎(chǔ)的三角形參數(shù)域曲面構(gòu)造方法．構(gòu)建曲面主要包含構(gòu)建曲面片、構(gòu)建曲面、合并曲面等步驟．

構(gòu)造曲面片是按一定的算法，將三角化模型轉(zhuǎn)換成有多個曲面片組成的NURBS曲面模型．選擇工具欄中構(gòu)造曲面片命令，設(shè)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(gòu)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(gòu)建曲面的操作．使用轉(zhuǎn)換工具，將曲面模型轉(zhuǎn)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(shí)體化模型

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

在保存成CAD模型時保留了曲面，在進(jìn)行實(shí)體化前，需要將曲面縫合．選擇縫合曲面命令同時選合并實(shí)體選項(xiàng)，點(diǎn)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(gòu)成的無厚度、無質(zhì)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(shí)體并加厚．創(chuàng)建一定的分型面，將實(shí)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(shí)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(shí)體化．實(shí)體化后的模型如圖8，其是有厚度和質(zhì)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(shí)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(shè)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(shí)體高度Tab．1 Height of entity mm

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

圖9 模型高度Fig．9 Height of model

誤差產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn):

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(zhì)量要求，將模型數(shù)據(jù)刪除或處理掉，從而引起誤差．

5 結(jié)語

利用逆向工程技術(shù)對食醋瓶進(jìn)行了逆向建模研究，獲得了具有較高精度的食醋瓶實(shí)體化模型．研究表明逆向工程技術(shù)是一種對先進(jìn)食品包裝產(chǎn)品進(jìn)行分析和再創(chuàng)造，實(shí)現(xiàn)食品包裝新產(chǎn)品的開發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計行之有效的方法，是促進(jìn)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(shè)計的逆向工程［J］．機(jī)械設(shè)計，2007，24(10):1-3．

［2］蔡克中，鐘硯濤．現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中逆向工程技術(shù)的應(yīng)用［J］．包裝工程，2006，27(3):156-158．

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

［4］閻敏．關(guān)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(shù)在復(fù)雜曲面零件設(shè)計與制造中的應(yīng)用與展望［J］．制造技術(shù)與機(jī)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(jī)工程與應(yīng)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(zé)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(xué)青年教師科研啟動基金資助項(xiàng)目(QNJJ2011-36)．

陶春生，男，講師，碩士，主要從事食品機(jī)械、CAD/CAM應(yīng)用等方面的研究．