楊雪榮，何佳樂，成思源，張湘?zhèn)?，郭鐘?/p>

（廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計和快速開發(fā)是關(guān)系到企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項重要活動，是帶給企業(yè)活力和競爭優(yōu)勢的源泉，是決定企業(yè)競爭力的關(guān)鍵。大學(xué)生畢業(yè)后直接服務(wù)于企業(yè)，其創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識對企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。因此，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力已成為高校人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)。作為高等教育中實踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，實驗教學(xué)中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)日益受到重視[1－4]。在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，設(shè)計多種創(chuàng)新實驗增強學(xué)生實踐動手能力，能夠使廣大學(xué)生在本科階段得到科學(xué)研究與發(fā)明創(chuàng)造的訓(xùn)練。在機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)開設(shè)基于逆向工程技術(shù)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計實驗，有助于調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，以及提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

1 基于逆向工程的產(chǎn)品創(chuàng)新綜合實驗設(shè)計

逆向工程（reverse engineering，RE）是指從實物得到其CAD模型這一過程中數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱，是消化吸收已有原型產(chǎn)品成果和先進(jìn)技術(shù)，并進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)的重要手段。將RE和快速成型（rapid prototyping，RP）技術(shù)相結(jié)合，能夠以較低的成本與更高的效率制造出原型產(chǎn)品，從而有力支持新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計和快速開發(fā)[5]。在機械類本科生教學(xué)中開設(shè)逆向工程實驗，加強創(chuàng)新實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計思想，增強學(xué)生實踐動手能力[6]。設(shè)計實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗流程示意圖

在實驗中，首先要根據(jù)實物模型的自身特性、精度要求、制造材質(zhì)等多項因素選擇合適的數(shù)字化設(shè)備，完成模型表面數(shù)字化；其次對數(shù)字化獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輸入專門的數(shù)據(jù)處理軟件或帶有數(shù)據(jù)處理能力的三維CAD軟件進(jìn)行前處理；然后進(jìn)行曲面和三維實體建模；最后在重建CAD模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改或創(chuàng)新設(shè)計，獲得新產(chǎn)品的CAD模型，利用快速成型技術(shù)進(jìn)行實物制造。實驗的開設(shè)有利于學(xué)生掌握逆向設(shè)計技術(shù)，對于拓展學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的工程實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)代設(shè)計與制造技術(shù)的應(yīng)用能力起到積極作用[7]。

2 基于關(guān)節(jié)臂測量機的數(shù)字化實驗

關(guān)節(jié)臂式測量機如圖2所示，是三坐標(biāo)測量機的一種特殊機型，可選配觸發(fā)式測頭和激光掃描測頭。觸發(fā)式測頭可用于常規(guī)尺寸檢測和點云數(shù)據(jù)的采集。激光掃描測頭，可實現(xiàn)密集點云數(shù)據(jù)的采集，常用于逆向工程的實物模型數(shù)字化[8]。

圖2 關(guān)節(jié)臂測量機

實驗室配備關(guān)節(jié)臂測量機用于實物模型數(shù)字化。實驗時首先要對實物模型進(jìn)行表面處理，清理干凈所有要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的表面，對反射效果較為強烈的模型表面可通過噴施著色劑增強模型表面的漫反射，使CCD攝像機采集到高精度的點云數(shù)據(jù)。

用關(guān)節(jié)臂測量機配備的激光掃描測頭對實物表面進(jìn)行掃描。掃描數(shù)據(jù)需遵循以下原則：沿著特征線走，沿著法線方向掃；從曲率變化小的面開始，掃描完一個面再轉(zhuǎn)到下一個相鄰面；在掃描完得到大部分?jǐn)?shù)據(jù)之后，一般要暫停掃描，動態(tài)轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)，檢查疏密和紕漏，看是否需要追加掃描數(shù)據(jù)，以達(dá)到數(shù)據(jù)完整。

下面是學(xué)生在實驗中掃描的實物模型及掃描的點云數(shù)據(jù)。圖3為丁當(dāng)貓玩具的實物模型，高15cm左右，表面細(xì)節(jié)較多，一次掃描無法得到整個模型的點云數(shù)據(jù)，故要多次掃描。分別以站立、左側(cè)臥和右側(cè)臥3個方向進(jìn)行掃描。圖4為掃描的三組點云數(shù)據(jù)。

圖3 實物模型

圖4 表面數(shù)字化數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)處理實驗

實驗室配備Geomagic Studio逆向軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，曲面重建過程被劃分為點處理階段、多邊形處理階段和造型處理階段。

3.1 點處理

在數(shù)字化過程中，會采集到一些無關(guān)的數(shù)據(jù)（如實驗臺表面），同時掃描數(shù)據(jù)量大，伴有大量的噪音，所以點云階段主要對點云進(jìn)行整理，減少噪音并采樣[9－10]，從而得到一個完整而理想的點云數(shù)據(jù)，并封裝成可用的多邊形數(shù)據(jù)模型。處理流程如圖5所示。

圖5 點階段基本操作流程圖

下面是學(xué)生分別對采集到的3組數(shù)據(jù)進(jìn)行點處理，然后利用3組數(shù)據(jù)共同點的聯(lián)系應(yīng)用“手動注冊”功能，將3組數(shù)據(jù)合為1組數(shù)據(jù)。由于合并后的數(shù)據(jù)比較大，會影響計算機的計算速度，所以對點云進(jìn)行采樣處理，然后進(jìn)行封裝，將多組數(shù)據(jù)合并為1個多邊形模型，如圖6所示。

圖6 封裝后的模型

3.2 多邊形處理

多邊形處理階段是在點云數(shù)據(jù)封裝后進(jìn)行破洞補填、邊界修補、重疊三角形處理和多邊形編輯等一系列的處理，從而得到一個完整的理想多邊形數(shù)據(jù)模型，為后續(xù)的曲面擬合打下基礎(chǔ)。處理流程如圖7所示。

圖7 多邊形階段基本操作流程圖

經(jīng)點階段處理后的多邊形模型中存在的非流型三角形會阻礙曲面的重建[11－12]，同時由于掃描不完整或者封裝效果不好等原因，模型表面會出現(xiàn)孔洞，如圖6所示。所以在多邊形階段，首先要創(chuàng)建流型去除非流型的三角形數(shù)據(jù)，之后對孔進(jìn)行填充。

多邊形模型的表面有時也會出現(xiàn)凸出或者凹孔等不需要特征，可用“去除特征”命令刪除所選擇的不規(guī)則的三角形區(qū)域，并用一個更有秩序且與三角形連接更好的多邊形網(wǎng)格代替。

原模型的表面光滑程度達(dá)不到要求時，可進(jìn)行“松弛”和“砂紙打磨”處理。圖6所示的多邊形模型經(jīng)多邊形階段處理后，模型效果如圖8所示。

3.3 形狀處理

圖8 多邊形處理后的模型

形狀處理階段是在多邊形階段處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行探測曲率、構(gòu)造曲面片、構(gòu)造格柵和擬合曲面等處理，得到一個理想的曲面模型，主要流程如圖9所示。

圖9 形狀階段基本操作流程圖

3.4 基于重建CAD模型的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計

在實體模型的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。將重建的曲面模型導(dǎo)入到正向設(shè)計軟件。由于導(dǎo)入的模型是由多個曲面片組成的，所以首先需要在正向設(shè)計軟件中進(jìn)行縫合曲面，同時將曲面模型轉(zhuǎn)化為實體模型，然后以此為基礎(chǔ)進(jìn)行變型設(shè)計。

下面是學(xué)生在實驗中利用丁當(dāng)貓的外形進(jìn)行U盤設(shè)計，可豐富U盤種類，迎合年輕人對U盤外形多樣化的需求。在進(jìn)行U盤結(jié)構(gòu)設(shè)計時，將丁當(dāng)貓的整體模型分為頭部和身體兩部分，以頭部作為U盤的主體，身體部分作為USB槽。連接部分的設(shè)計為：將下部分的凸塊對準(zhǔn)插入上部分的凹孔中，然后將上部分順時針旋轉(zhuǎn)90°鎖緊。設(shè)計效果如圖10所示。

圖10 設(shè)計效果圖

4 結(jié)束語

逆向工程技術(shù)不僅豐富了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的方法，同時可以大大縮短產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的周期。在機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)開設(shè)基于逆向工程技術(shù)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計實驗，在實驗中引入先進(jìn)的測量設(shè)備及數(shù)據(jù)處理軟件，可使學(xué)生對高精度的三維傳感器、先進(jìn)的測量軟件在實際工程中的應(yīng)用有全新的認(rèn)識。同時此實驗有助于學(xué)生熟悉逆向工程設(shè)計的流程，提高學(xué)生數(shù)字化設(shè)計水平，提高學(xué)生的工程實踐能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

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