王颯颯

摘要：運(yùn)用3D逆向技術(shù)，對錘子的曲面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和點(diǎn)云處理，本文通過Geomagic Design X對錘子進(jìn)行逆向數(shù)字建模，重構(gòu)3D數(shù)字模型。對重構(gòu)后的曲面進(jìn)行精度與質(zhì)量分析。研究表明，逆向技術(shù)是產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)再生設(shè)計(jì)與加工的重要手段，是降低成本、縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、提升質(zhì)量和效率的先進(jìn)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：逆向工程；逆向建模；Geomagic Design X

中圖分類號：G718 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1672-1578（2018）25-0235-02

1.前言

逆向工程的概念是相對于正向工程（Forward Engineering，F(xiàn)E）提出的。逆向工程（Reverse Engineering，RE）也稱反求工程或者反向工程。逆向工程與正向工程的區(qū)別在于設(shè)計(jì)起點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求不同?；谀嫦蚬こ痰漠a(chǎn)品設(shè)計(jì)就是把現(xiàn)有的產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)還原的過程。簡單地說，逆向工程建模是在沒有原始產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的情況下，使用測量工具（例如手持式激光掃描儀、三坐標(biāo)測量機(jī)等）快速地獲得產(chǎn)品實(shí)物表面的點(diǎn)云或者面片數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到建模軟件（Geomagic Design X等）中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與模型重建。

2.逆向工程的工作思路

逆向設(shè)計(jì)的基本思路主要是：模型曲面分析—確定掃描方案—進(jìn)行實(shí)體點(diǎn)云掃描—進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理—建立需要的曲線—建立曲面—進(jìn)行實(shí)體建模。其中逆向建模是逆向技術(shù)的基礎(chǔ)，主要由數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)處理，曲面重構(gòu)、再設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分組成。本文選取在教學(xué)實(shí)訓(xùn)中的產(chǎn)品錘子為載體，介紹利用Geomagic Design X軟件對該產(chǎn)品進(jìn)行逆向建模的過程，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型重構(gòu)等三大關(guān)鍵技術(shù)。

3.工作流程

3.1 數(shù)據(jù)采集。對產(chǎn)品點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集借助RMS-400型三維面掃描抄數(shù)機(jī)。如圖1所示。

掃描前需要在實(shí)物和轉(zhuǎn)盤上粘貼標(biāo)志點(diǎn)，原則為：

（1）標(biāo)志點(diǎn)要盡量粘貼在平面區(qū)域或者曲率較小的曲面，且距離工件邊界較遠(yuǎn)一些。

（2）標(biāo)志點(diǎn)不要粘貼在一條直線上，且不要對稱粘貼。

（3）公共標(biāo)志點(diǎn)至少為3個(gè)，但因掃描角度等原因，一般建議5～7個(gè)為宜；標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)使相機(jī)在盡可能多的角度可以同時(shí)看到。

（4）粘貼標(biāo)志點(diǎn)要保證掃描策略的順利實(shí)施，根據(jù)工件的長、寬、高合理分布粘貼。

運(yùn)用三維數(shù)字測量系統(tǒng)對錘子進(jìn)行三維掃描，獲得錘子的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖2所示，在掃描的過程中，應(yīng)該先掃描定位標(biāo)點(diǎn)，之后再對工件進(jìn)行掃描，這樣有利于工件正反面的拼接，能有效地保證掃描數(shù)據(jù)的精度。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理是完成被測物體模型掃描后的第一步，在數(shù)據(jù)采集中，由于機(jī)器及人為操作因素，會引起數(shù)據(jù)的誤差，掃描出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含有多余數(shù)據(jù)，并且數(shù)量龐大，造成被測物體模型重構(gòu)曲面的不完整，從光順性和精度等方面影響建模質(zhì)量，為了得到完整的產(chǎn)品原型表面數(shù)據(jù)，就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡優(yōu)化。

利用Geomagic Studio軟件進(jìn)行點(diǎn)云處理，經(jīng)過著色點(diǎn)、去除體外孤點(diǎn)、刪除非連接點(diǎn)云、減少噪音等操作可刪除多余數(shù)據(jù)，最后對處理完的點(diǎn)云進(jìn)行封裝，封裝成三角面片的形式。得到的三角面片再進(jìn)行刪除釘狀物、減少噪音、填充孔等操作進(jìn)行修復(fù)。最終導(dǎo)出.stl的點(diǎn)云文件。

3.3 基于Geomagic Design X的逆向建模。模型重建是逆向工程的核心內(nèi)容，本文基于Geomagic Design X軟件對錘子模型的逆向建模，主要過程如下：

將模型以.stl格式導(dǎo)入到Geomagic Design X軟件中，分別進(jìn)行以下步驟：

3.3.1 領(lǐng)域劃分。領(lǐng)域是導(dǎo)入曲面模型按相似度劃分成不同的區(qū)域，是曲面模型部分點(diǎn)云集合。領(lǐng)域劃分即對原有模型進(jìn)行切分，將不規(guī)則曲面模型按照點(diǎn)云集相似度劃分成不同的點(diǎn)云集，曲面模型建模是以領(lǐng)域劃分為基礎(chǔ)的。領(lǐng)域組劃分之后，會以不同顏色標(biāo)注不同的領(lǐng)域，分割出模型相應(yīng)的特征，以便于建模。

3.3.2 工作坐標(biāo)建立。選擇適當(dāng)?shù)姆椒ń⒐ぷ髯鴺?biāo)系，觀察產(chǎn)品的特征，優(yōu)先選擇特征最明顯的面或體建立工作坐標(biāo)系，該零件為對稱件，特征面為橫向和縱向中心平面。利用手動(dòng)對齊工具將產(chǎn)品橫向和縱向中心平面與系統(tǒng)坐標(biāo)系對齊，以便提取模型特征。

3.3.3 模型重構(gòu)。

（1）錘子頭部模型重構(gòu)。創(chuàng)建面片草圖，截取錘子頭部的藍(lán)色端面多線段。如圖3所示。

基于面片多線段進(jìn)行草圖繪制，根據(jù)原模型可以看出，截取的面片草圖是由直線，圓所構(gòu)成的封閉曲線。利用Geomagic Design X軟件中的草圖工具對草圖進(jìn)行編輯修改和尺寸約束，使繪制的草圖與實(shí)體模型盡量貼合。如圖4所示。

利用繪制的草圖進(jìn)行實(shí)體建模。因錘子頭部是由圓柱體和球體這樣的回轉(zhuǎn)體組成，所以點(diǎn)擊“創(chuàng)建實(shí)體”工具欄中的“回轉(zhuǎn)”，選擇上一步創(chuàng)建的草圖作為基準(zhǔn)草圖進(jìn)行回轉(zhuǎn)建模，即可得到錘子的頭部。如圖5所示。

（2）錘子手柄模型重構(gòu)。創(chuàng)建面片草圖，截取錘子手柄的藍(lán)色端面多線段。如圖6所示。

基于面片多線段進(jìn)行草圖繪制，根據(jù)原模型可以看出，截取的面片草圖是由三點(diǎn)圓弧，直線所構(gòu)成的封閉曲線。利用Geomagic Design X軟件中的草圖工具進(jìn)行草圖的編輯修改和約束。如圖7所示。

利用上一步創(chuàng)建的草圖進(jìn)行實(shí)體建模。因錘子手柄也是回轉(zhuǎn)體，所以點(diǎn)擊“創(chuàng)建實(shí)體”工具欄中的“回轉(zhuǎn)”，選擇上一步創(chuàng)建的草圖作為基準(zhǔn)草圖進(jìn)行回轉(zhuǎn)建模，即可得到錘子的手柄。如圖8所示。

（3）錘子手柄凹槽處的模型重構(gòu)。

錘子手柄凹槽處的模型重構(gòu)是本產(chǎn)品的難點(diǎn)。涉及到多個(gè)曲面的繪制及剪切。

首先繪制出凹槽上部的圓弧草圖，并選擇“回轉(zhuǎn)曲面”做出凹槽的上部面片。如圖9所示。

其次繪制出凹槽側(cè)面及底部的輪廓草圖，并選擇“曲面拉伸”完成輪廓面片。如圖10所示。

再選擇“剪切曲面”，將前兩步完成的面片進(jìn)行相互裁剪。如圖11所示。

點(diǎn)擊“剪切”中的“用曲面剪切實(shí)體”，利用前一步得到的曲面面片與錘子手柄實(shí)體進(jìn)行剪切，最終得到手柄處凹槽的外形輪廓。如圖12所示。

至此，錘子的所有模型實(shí)體重構(gòu)完成。如圖13所示。

（4）精度分析。在得到模型實(shí)體后，Geomagic Design X軟件還可以根據(jù)實(shí)際情況加入操作者的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)對模型實(shí)體進(jìn)行再設(shè)計(jì)。對實(shí)體進(jìn)行圓角與精度分析以便檢驗(yàn)建模的精確性。在對模型實(shí)體進(jìn)行圓角處理過程中既可以依據(jù)面片來估算圓角半徑值也可以輸入操作者的設(shè)計(jì)值，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。對模型完成再設(shè)計(jì)后，可對實(shí)體模型進(jìn)行精度分析（體偏差），若模型大部分顯示為綠色，說明所創(chuàng)建的實(shí)體在誤差允許范圍之內(nèi)。如圖14所示。若模型大部分顯示橘色和紅色，說明所創(chuàng)建的實(shí)體在誤差允許范圍之外，那么需要對面片草圖進(jìn)行修改。

4.結(jié)論

在現(xiàn)代高新技術(shù)中，逆向工程是最前沿的高新技術(shù)之一。逆向工程不僅僅是產(chǎn)品的仿制，它更肩負(fù)著數(shù)字模型的還原與再設(shè)計(jì)的優(yōu)化等多項(xiàng)重任。當(dāng)前，逆向工程的發(fā)展已取得了長足進(jìn)展，但產(chǎn)品逆向工程還是一個(gè)不完全成熟的過程，各個(gè)環(huán)節(jié)仍有待于進(jìn)一步完善、探索和研究。本文以錘子為例，通過采用三維光學(xué)測量系統(tǒng)對錘子進(jìn)行掃描采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后再處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并利用Geomagic Design X對其進(jìn)行三維逆向建模，通過特征建模不僅能更好地表達(dá)原始產(chǎn)品模型的幾何意圖，而且實(shí)現(xiàn)了逆向建模與正向建模技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品再設(shè)計(jì)。逆向工程隊(duì)對產(chǎn)品的快速開發(fā)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義，也為實(shí)物建模及再設(shè)計(jì)提供了一種新的解決思路。

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