摘 要：以去毛器產(chǎn)品為研究對(duì)象，結(jié)合Geomagic Design X軟件，較完整地介紹了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集、處理、數(shù)字化模型重構(gòu)和誤差分析等逆向工程的主要工作流程，為今后的產(chǎn)品研發(fā)、模型重構(gòu)提供了方法和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：逆向工程;Geomagic Design X;點(diǎn)云數(shù)據(jù);模型重構(gòu)

中圖分類號(hào)：TH166文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.11.004

在現(xiàn)代化快節(jié)奏的生產(chǎn)生活中，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期越來(lái)越短，其更新?lián)Q代速度也越來(lái)越快，同時(shí)在產(chǎn)品的研發(fā)與設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)經(jīng)常對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行參考與借鑒，所以有時(shí)需要將現(xiàn)有的實(shí)物模型轉(zhuǎn)化為三維模型，此種類型的工程設(shè)計(jì)方法被稱為逆向工程或反求工程[1]。目前，此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于產(chǎn)品或零件的模型重構(gòu)、修補(bǔ)和優(yōu)化完善等多項(xiàng)領(lǐng)域。

1 Geomagic Design X軟件簡(jiǎn)介

在逆向工程技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中，多數(shù)都是利用相關(guān)的數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在眾多的逆向工程輔助軟件中，Geomagic Design X軟件是使用較為廣泛的軟件。Geomagic Design X是一款可以對(duì)3D掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并以此作為建模依據(jù)，從而完成數(shù)字化建模的軟件[2]。本文以去毛器產(chǎn)品為研究對(duì)象，結(jié)合Geomagic Design X軟件，較完整的介紹了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理、數(shù)字化模型重構(gòu)和誤差分析等主要工作流程。

2 去毛器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

若對(duì)物體進(jìn)行逆向工程技術(shù)的模型重建，則需得到該物體的相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是指在一個(gè)三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的一組向量的集合，點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集是逆向建模設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[3]。本次掃描的對(duì)象是日常用品去毛器，掃描前需要先對(duì)掃描產(chǎn)品去毛器進(jìn)行清洗，擦干后使用特定的反差增強(qiáng)劑對(duì)其進(jìn)行均勻噴涂，以期增加光的反射，從而提高掃描精度。由于單次掃描無(wú)法完全將去毛器掃描完整，且為使不同角度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠在同一坐標(biāo)系內(nèi)自動(dòng)對(duì)齊，則需將去毛器貼上若干個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，如圖1所示，以便實(shí)現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼接，進(jìn)而得到完整的去毛器3D點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)[4]。

3 去毛器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

當(dāng)掃描的前期準(zhǔn)備工作就緒后，方可準(zhǔn)備對(duì)其進(jìn)行掃描。本次對(duì)去毛器進(jìn)行3D數(shù)據(jù)采集所使用的是微深3D雙目掃描儀。將掃描儀設(shè)置完畢后便可進(jìn)行掃描，在掃描的過(guò)程中，由于光照、場(chǎng)地環(huán)境和振動(dòng)等多種因素的干擾，得到的數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)有大量的噪點(diǎn)、缺陷和冗余，這時(shí)可利用Geomagic Wrap 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[5]，去除原始掃描數(shù)據(jù)中的雜點(diǎn)、噪點(diǎn)、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)、生成三角面片和修補(bǔ)漏洞[6]，同時(shí)還需去除突出物、殘留面、光整棱邊和交叉物等操作[7]，最終處理完畢得到完整的去毛器點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

4 去毛器的模型重構(gòu)

完成去毛器3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后，將其保存為stl文件，導(dǎo)入Geomagic Design X 軟件中來(lái)完成模型重構(gòu)。

（1）對(duì)3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分割，使其劃分為多個(gè)不同的領(lǐng)域，如圖3 所示。領(lǐng)域分割的恰當(dāng)與否關(guān)系到后續(xù)面片擬合時(shí)的曲面質(zhì)量，所以在分割時(shí)需要對(duì)產(chǎn)品或零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，本例的去毛器屬于結(jié)構(gòu)對(duì)稱物體，所以可以單側(cè)分割后再鏡像。（2）將劃分好領(lǐng)域的去毛器點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系對(duì)齊，以方便今后操作。（3）使用面片擬合工具，對(duì)分割后的去毛器主體的領(lǐng)域進(jìn)行鋪設(shè)曲面，如圖4所示。每次鋪設(shè)完一部分曲面后，要及時(shí)進(jìn)行修剪，其他的曲面以此方式進(jìn)行逐步鋪設(shè)并修剪，在鋪設(shè)與修剪曲面的同時(shí)，要隨時(shí)對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的進(jìn)行顯示和隱藏切換，以期實(shí)現(xiàn)更加精確的曲面鋪設(shè)。并本著“抓大放小、先主后次”的曲面鋪設(shè)原則，先完成主體，再構(gòu)建局部，最后處理細(xì)節(jié)，這樣很快便可完成去毛器整體輪廓的曲面鋪設(shè)并轉(zhuǎn)化為實(shí)體。（4）使用較常見(jiàn)的實(shí)體拉伸或旋轉(zhuǎn)等命令對(duì)去毛器頭部和前胸建模，修正完成后的去毛器重構(gòu)后的模型如圖5所示。

5 重構(gòu)模型誤差分析

重構(gòu)后的模型與原始模型存在一定的誤差，對(duì)重構(gòu)的三維模型與原始模型間的誤差檢測(cè)則是十分必要的， 這也是保證重構(gòu)模型質(zhì)量的需要[8]。模型重構(gòu)后，在Geomagic Design X軟件中，使用“Accuracy Analyzer”面板上的“誤差”分析功能，對(duì)重構(gòu)模型進(jìn)行誤差分析檢測(cè)，在誤差云圖中，其誤差許可范圍應(yīng)控制在±0.1 mm內(nèi)，且為綠色;若顏色多為紅色，則說(shuō)明誤差正向偏差較大; 若顏色多為藍(lán)色，則說(shuō)明誤差負(fù)向偏差較大。即重構(gòu)后的產(chǎn)品如多為綠色，則說(shuō)明重構(gòu)質(zhì)量較高，如以紅藍(lán)兩色居多，說(shuō)明重構(gòu)模型的一些曲面需要再次處理。本例去毛器的重構(gòu)模型以綠色為主，所以模型誤差較小質(zhì)量較高，屬于合格的模型重構(gòu)，去毛器的誤差云圖如圖6所示。

6 結(jié)論

本文以去毛器為例，將逆向工程中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集、處理、模型重構(gòu)和誤差分析等重要環(huán)節(jié)逐一介紹，并結(jié)合Geomagic Design X完成了去毛器的高質(zhì)量的模型重構(gòu)。證明該方法具有點(diǎn)云采集數(shù)據(jù)質(zhì)量好且速度快，操作簡(jiǎn)便，模型重構(gòu)質(zhì)量較高和適合復(fù)雜產(chǎn)品與零件逆向工程開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，并為后續(xù)的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)打下了良好的基礎(chǔ)，從而可以有效的加快產(chǎn)品研發(fā)的速度和提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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作者簡(jiǎn)介：紀(jì)海峰（1978-），男，黑龍江齊齊哈爾人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：CAD/CAM/CAE技術(shù)，E-mail：2063924643@qq.com。