陳 云

（安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系 安徽 六安 237011）

逆向工程理念下產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的實(shí)踐研究

陳 云

（安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系 安徽 六安 237011）

根據(jù)逆向工程的工作流程，先利用激光掃描儀測(cè)量摩托車擋泥板的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后用Geomagic Studio對(duì)點(diǎn)云分別進(jìn)行點(diǎn)階段、多邊形階段及曲面階段處理，最后與UG平臺(tái)相結(jié)合，重構(gòu)摩托車擋泥板的CAD模型并導(dǎo)出數(shù)控加工代碼。實(shí)踐證明：RSVscan-Geomagic-UG的逆向工程設(shè)計(jì)既能保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)品質(zhì)，又能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，具有十分重要的工程實(shí)際意義。

逆向工程；Geomagic；點(diǎn)云；曲面；摩托車擋泥板

0.引言

隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步及制造業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很難滿足社會(huì)多樣化的需求與快速響應(yīng)，由此逆向工程順勢(shì)而生，它的誕生對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)手段的變革影響意義深遠(yuǎn)。

1.逆向工程定義及工作流程

逆向工程（Reverse Engineering，RE）也稱反向工程或反求工程，是將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(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，它不是簡(jiǎn)單意義的仿制，而是一個(gè)對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造的過程，其最初思想來源于油泥模型到實(shí)物產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，可直到20世紀(jì)90年代，才引起世界各國(guó)的高度重視。在產(chǎn)品造型日益多元化的今天，逆向工程技術(shù)也成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中不可或缺的一環(huán)，其在模具行業(yè)、航空航天、藝術(shù)品仿制、醫(yī)學(xué)、服裝及機(jī)械制造業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，圖1為逆向工程工作流程。

圖1 逆向工程工作流程

產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)開發(fā)是在沒有設(shè)計(jì)圖紙或圖紙不完整的情況下，通過逆向工程技術(shù)，可以吸收和消化實(shí)物原型，對(duì)實(shí)物原型進(jìn)行復(fù)制、修改及再設(shè)計(jì)優(yōu)化，獲得相同或改良的實(shí)物樣件。

2.Geomagic Studio 軟件簡(jiǎn)介

Geomagic Studio軟件是美國(guó)雨滴公司開發(fā)的逆向工程軟件，它可輕易地從實(shí)物掃描的數(shù)據(jù)（點(diǎn)云）構(gòu)建出曲面（NURBS），通過后續(xù)處理獲得原型樣件的CAD模型。該軟件主要功能包括：（1）實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)→多邊形的轉(zhuǎn)換；（2）減少多邊形的數(shù)目；（3）實(shí)現(xiàn)多邊形→NURBS曲面的轉(zhuǎn)換；（4）曲面誤差分析；（5）輸出與CAE/CAD/CAM 相匹配的STL、IGES、DXF 等文件格式。

3.工程應(yīng)用實(shí)例

目前使用Geomagic Studio軟件進(jìn)行逆向工程的后處理沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可循，本文對(duì)摩托車擋泥板的逆向設(shè)計(jì)開發(fā)過程進(jìn)行了深入的探索研究，并結(jié)合自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)給出了處理方法，供大家探討指正。

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

為了實(shí)現(xiàn)摩托車擋泥板表面的數(shù)據(jù)采集，用非接觸式3D CaMega三維光學(xué)掃描儀掃描獲得，大致操作過程是：轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定→待測(cè)物體平穩(wěn)放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上→設(shè)置掃描儀系統(tǒng)參數(shù)→拍攝，需要注意：待測(cè)實(shí)物表面應(yīng)保持清潔干凈，且不能反光，必要時(shí)可在其表面涂上化學(xué)物質(zhì)（石膏、環(huán)氧樹脂等），此外，點(diǎn)云采集數(shù)目越多，則Geomagic Studio軟件里對(duì)于多邊形的處理難度將會(huì)加大，因此，點(diǎn)云采集數(shù)目能少則少。

3.2 點(diǎn)階段處理

Step1：將采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到Geomagic Studio軟件中，點(diǎn)擊工具對(duì)齊進(jìn)行手動(dòng)注冊(cè)，按住Ctrl鍵選中Model1、Model2，選n點(diǎn)注冊(cè)→固定點(diǎn)（合并的點(diǎn)1）、浮動(dòng)的點(diǎn)（合并的點(diǎn)2）選中后再點(diǎn)注冊(cè)器，同理，進(jìn)行第三片點(diǎn)云注冊(cè)，三片點(diǎn)云合并為一個(gè)整體；Step2：進(jìn)行全局注冊(cè)，得到更加精確的模型；Step3：聯(lián)接點(diǎn)對(duì)象、刪除體外孤點(diǎn)、減少噪音（掃描過程中，會(huì)產(chǎn)生噪聲元素，這些噪聲數(shù)據(jù)出現(xiàn)在一些粗糟、不平整的表面，且掃描設(shè)備的輕微震動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生噪聲數(shù)據(jù)）、統(tǒng)一采樣，最后點(diǎn)“合并”，得到一個(gè)清晰的整體模型。

3.3 多邊形階段處理

Step1：清除球目標(biāo)，填充孔，系統(tǒng)對(duì)所選孔洞進(jìn)行修補(bǔ)；Step2：使用網(wǎng)格醫(yī)生，檢查模型中的缺陷并自動(dòng)加以修復(fù)多邊形網(wǎng)格內(nèi)的缺陷；Step3：使用去除特征、松弛多邊形命令，減少三角面的數(shù)量及單獨(dú)多邊形間的角度，使模型表面更加光順，三角網(wǎng)格更加規(guī)整、平滑；Step3：點(diǎn)擊“刪除釘狀物”，展平多邊形網(wǎng)格上的單點(diǎn)尖峰；Step4：使用編輯邊界命令，把不規(guī)則或鋸齒狀的自然邊界變得平滑，控制點(diǎn)盡量縮小，張力可改為0.05；Step5：增強(qiáng)表面嚙合，在高曲率區(qū)域增加點(diǎn)而不破壞形狀；Step6：薄片裁剪，任選兩點(diǎn)連線創(chuàng)建，“刪除所選擇的”的勾去，點(diǎn)確定；Step7：再次使用網(wǎng)格醫(yī)生。

3.4 曲面階段處理

Step1：進(jìn)入精確曲面工具欄下的探測(cè)輪廓線（編輯輪廓，刪除島，把沒有選到的輪廓選中）對(duì)話框，點(diǎn)擊“計(jì)算、抽取”；Step2：進(jìn)入編輯輪廓線對(duì)話框，點(diǎn)擊“細(xì)分、接受”；Step3：構(gòu)造曲面片，選中“自動(dòng)估計(jì)”，曲面分成多個(gè)曲面片，近似90°的四邊曲面放置在這個(gè)多邊形曲面上；Step4：修理曲面片，對(duì)相交路徑的曲面片進(jìn)行修改；Step5：使用 “移動(dòng)面板”命令，重新分布曲面片，把曲面片排布整齊均勻；Step6：使用“構(gòu)建柵格”命令修復(fù)相交區(qū)域，生成藍(lán)色的網(wǎng)絡(luò)狀網(wǎng)格，把曲面片分得更細(xì) （每個(gè)曲面片里會(huì)產(chǎn)生更小的曲面片）；Step7：擬合曲面（將曲面片擬合為理想的NURBS曲面）；Step8：偏差分析（檢查擬合是否達(dá)到預(yù)期效果），偏差在-0.0392~+0.0392mm范圍，誤差較小，擬合效果好。注：以上每個(gè)處理階段的操作順序不唯一，以處理好為目的。

3.5 NURBS曲面構(gòu)建過程

由前所述，基于Geomagic摩托車擋泥板的逆向NURBS曲面構(gòu)建過程可用圖2表示，創(chuàng)建的NURBS曲面如圖3所示。

圖2 摩托車擋泥板的NURBS曲面構(gòu)建過程

圖3 擋泥板NURBS曲面

圖4

4.后續(xù)處理

NURBS曲面構(gòu)建完成后，可將數(shù)據(jù)以STL、IGES、DXF等文件格式輸入到CAE/CAD/CAM，進(jìn)行后續(xù)處理。例如：將其與UG軟件相結(jié)合，把IGES格式文件導(dǎo)入U(xiǎn)G里，對(duì)片體進(jìn)行加厚、縫合，并對(duì)其進(jìn)行細(xì)節(jié)上的修改，使其成為預(yù)期的實(shí)體模型，然后調(diào)整好坐標(biāo)系（由于是兩個(gè)不同性質(zhì)的軟件，零件的工件坐標(biāo)系在兩個(gè)軟件里是不同的），如圖4所示。接著在調(diào)整好的擋泥板周圍拉伸矩形毛坯并做出與擋泥板相同的凹模型腔，如圖5所示；進(jìn)入編程界面用型腔銑粗加工凹模型腔，并設(shè)置參數(shù)生成刀軌。最后，進(jìn)如UG的加工模塊，待數(shù)控仿真無誤后，生成各道工序的加工代碼，如圖6所示，把程序代碼導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。

圖5

圖6 NC代碼

5.設(shè)計(jì)總結(jié)

（1）采集數(shù)據(jù)是曲面重構(gòu)的基礎(chǔ)，使用三維光學(xué)掃描儀采集數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)掌握拍攝技巧，不然會(huì)影響實(shí)物測(cè)量的精度，給后續(xù)處理帶來麻煩。

（2）點(diǎn)處理階段比較重要的是進(jìn)行統(tǒng)一采樣（目的：保留物體原來形貌的同時(shí)減少點(diǎn)云數(shù)目，便于刪除重疊點(diǎn)云及稀釋點(diǎn)云），點(diǎn)云數(shù)量精簡(jiǎn)的不到位將會(huì)直接影響后期多邊形階段的三角形數(shù)目，導(dǎo)致后期處理上的困難程度，一般會(huì)設(shè)置絕對(duì)間距為0.4mm，曲率優(yōu)先設(shè)置在中間。

（3）劃分曲面片時(shí)，盡量使每塊曲面片的曲率變化均勻，這樣擬合曲面時(shí)就能更好的捕捉點(diǎn)云的外形，降低擬合誤差。

（4）曲面重構(gòu)的一個(gè)重要目標(biāo)是曲面光順，但一味地提高曲面的光順度會(huì)降低曲面精度，因此，要把握好光順與精度之間的平衡。

（5）點(diǎn)、多邊形及曲面處理階段，務(wù)必確保被處理的對(duì)象保持原有特征，若原有特征失去，則處理結(jié)果沒意義。

（6）由于逆向設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)都存在不同程度的誤差，其大小直接影響重構(gòu)模型的精度，因此，為了獲得高質(zhì)量的模型，應(yīng)從測(cè)量設(shè)備選擇、測(cè)量環(huán)境、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方式等方面著手盡可能減小誤差。

6.結(jié)語(yǔ)

利用三維激光掃描儀、Geomagic Studio及UG軟件完成了摩托車擋泥板的逆向工程設(shè)計(jì)開發(fā)過程，實(shí)踐表明，該技術(shù)可顯著提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期及交貨時(shí)間，降低成本，開發(fā)出更多經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、美觀的產(chǎn)品，為增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］陳雪芳，孫春華.逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社2013:1-5.

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［3］孔垂雨，張亞軍等.便攜式關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)和Geomagic Studio在曲面逆向工程中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2013(9):35-38.

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TH128

A

2095-7327（2017）-10-0149-02

2015年安徽高校省級(jí)質(zhì)量工程資助項(xiàng)目“機(jī)械設(shè)計(jì)與制造特色專業(yè)”（項(xiàng)目編號(hào)為2015tszy074）。

陳云，男，碩士研究生，安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系講師，助理工程師，主要從事機(jī)械工程教學(xué)及研究工作。