張晨愷 周建鋒 方坤禮

衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中國·浙江 衢州 324000

1 引言

隨著現(xiàn)代制造業(yè)全球化與市場化，全球制造業(yè)市場競爭愈加激烈，產(chǎn)品生命周期越來越短，致使制造業(yè)企業(yè)不斷追逐CAD/CAE/CAM/CNC等新技術(shù)，來提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造效率，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，保持企業(yè)競爭力。在企業(yè)不斷追求產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與研發(fā)的過程中，逆向工程便應(yīng)運(yùn)而生。逆向工程，也稱反求工程、反向工程和逆向設(shè)計(jì)，是以現(xiàn)有的先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)備的實(shí)物、樣件、軟件或影像作為研究對象，通過合適的測量方法獲取實(shí)物或模型的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)，繼而應(yīng)用圖形圖像學(xué)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、材料科學(xué)以及先進(jìn)制造技術(shù)等學(xué)科知識進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、模型重構(gòu)、系統(tǒng)性的分析、研究掌握其關(guān)鍵技術(shù)，從而演繹并得出該產(chǎn)品的幾何模型、材料特性、組織結(jié)構(gòu)、工藝路線、功能特性及技術(shù)規(guī)格等設(shè)計(jì)要素，進(jìn)而研發(fā)制造出更為先進(jìn)的同類產(chǎn)品的一系列技術(shù)和過程的總稱。

逆向工程流程：通過測量獲得產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用專門的逆向工程軟件或集成了逆向模塊的正向CAD軟件中進(jìn)行點(diǎn)云理數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型重構(gòu)以及模型檢測來生成高度還原的原產(chǎn)品CAD模型，而后在正向CAD軟件中對重構(gòu)CAD模型進(jìn)行參數(shù)化修改及優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后利用優(yōu)化后的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行快速原型制造或快速模具制造完成新產(chǎn)品或模具的開發(fā)與制造。

與傳統(tǒng)正向工程相比，逆向工程具有更短的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、更成熟的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和更好的傳承性等特點(diǎn)，可大大縮短產(chǎn)品研發(fā)制造周期，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的研發(fā)和改型設(shè)計(jì)、藝術(shù)品和考古文物等物體的仿制及修復(fù)、工業(yè)和地理信息測量等領(lǐng)域。

早期設(shè)計(jì)師在進(jìn)行產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)時，所采用的方法主要是正向設(shè)計(jì)法（見圖1）；這是一個從概念設(shè)計(jì)起步到CAD建模、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過程，產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的正向設(shè)計(jì)流程，從功能與規(guī)格的預(yù)期指標(biāo)確定開始，構(gòu)思產(chǎn)品的零組件需求，再由各個元件的設(shè)計(jì)、制造以及檢驗(yàn)零組件組裝、檢驗(yàn)整機(jī)組裝、性能測試等程序來完成。

圖1 正向設(shè)計(jì)

但對于復(fù)雜的產(chǎn)品，正向設(shè)計(jì)方法顯示出了它的不足，設(shè)計(jì)過程難度系數(shù)大、周期較長、成本高、不利于產(chǎn)品的研制開發(fā)，正是在這樣的背景下自然發(fā)展并形成了逆向設(shè)計(jì)的方法（見圖2）[1-4]。

圖2 逆向設(shè)計(jì)

逆向設(shè)計(jì)過程：實(shí)物三維——三維坐標(biāo)采集——仿形或創(chuàng)新——制造——產(chǎn)品。

汽車零部件產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)，目前多采用三坐標(biāo)測量儀得到零件主要特征的高精度尺寸，建立簡單的線框模型；或利用激光掃描儀獲得零件表面的點(diǎn)云，以基于邊或基于多邊形面的方法在三維CAD軟件中對點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊，再通過分塊數(shù)據(jù)完成曲線或曲面的擬合，得到若干小曲面片，將這些曲面片通過拼接得到物體的各個面，從而重建出產(chǎn)品的數(shù)字化CAD模型[5,6]。

1.1 樣品數(shù)字化

通過三維激光掃描儀等數(shù)字化儀器對樣品進(jìn)行測量,獲取樣品的三維數(shù)字模型。

1.2 數(shù)據(jù)修改

利用數(shù)據(jù)三維軟件對獲取的數(shù)字模型進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)出比原有樣品更加先進(jìn)的產(chǎn)品。

1.3 實(shí)體建模

通過快速成型設(shè)備，直接生產(chǎn)出樣品進(jìn)行驗(yàn)證和檢測并根據(jù)需要進(jìn)行完善利用真空鑄型設(shè)備進(jìn)行模具開發(fā)，進(jìn)行小批量生產(chǎn)。

2 逆向設(shè)計(jì)方法

逆向工程技術(shù)就是對實(shí)物原形進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、三維重構(gòu)等過程，構(gòu)造具有相同形狀結(jié)構(gòu)的三維模型[7,8]，逆向建模樣例如圖3所示。然后，在對原形進(jìn)行復(fù)制或在原形的基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。所以說逆向工程并不是簡單的掃描以及復(fù)制的過程，逆向工程的目的是利用實(shí)物獲取點(diǎn)云，并基于點(diǎn)云進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)。當(dāng)然逆向設(shè)計(jì)并不神秘，他與我們的生活息息相關(guān)，日常生活中的自行車的一次次升級改造，愈加無瑕疵的汽車流線都離不開逆向設(shè)計(jì)。

圖3 逆向建模樣例

Geomagic Studio是應(yīng)用最廣泛的逆向工程軟件之一[9,10]，其優(yōu)勢在于點(diǎn)云和多邊形(三角面片)的快速前處理，以及基本曲面的擬合,它還能將所擬合的參數(shù)化曲面信息直接發(fā)送到常用的CAD軟件中作進(jìn)一步的修改。因此，研究者在進(jìn)行汽車零部件產(chǎn)品的逆向參數(shù)化設(shè)計(jì)時，可以使用Geomagic Studio進(jìn)行點(diǎn)云的快速處理并以批處理方式完成曲面的參數(shù)化擬合，然后導(dǎo)入CATIA VS中對曲面完成后續(xù)的加工修剪、封閉實(shí)體等工作，最終得到參數(shù)化的零件實(shí)體。

①通過三維掃描儀獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)或者客戶提供點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

②通過軟件（geomagic，gom等）對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得三角網(wǎng)格面數(shù)據(jù)。包括STL數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變化、點(diǎn)云降噪、順滑、優(yōu)化、簡化等預(yù)處理。該步獲得的數(shù)據(jù)即可進(jìn)行三維雕刻、3D打印、比對分析等。

③通過逆向軟件，逆向軟件一般可以采用UG、CATIA、GEOMAGIC DX等專業(yè)軟件對獲得的三角網(wǎng)格面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。包括面片擬合、截面創(chuàng)建、曲線提取等諸多特征提取方式，而此時即可進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

具有規(guī)則表面的零件的逆向三維設(shè)計(jì)過程如圖4所示。

圖4 汽車零部件的逆向參數(shù)化設(shè)計(jì)過程

3 參數(shù)化逆向設(shè)計(jì)方法示例

以汽車座椅的逆向三維設(shè)計(jì)為例，利用激光掃描儀進(jìn)行逆向掃描,利用Geomagic Studio 12進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理和簡單曲面擬合，然后在CATIA中完成零件設(shè)計(jì)的過程。由于汽車座椅上的曲面多為規(guī)則曲面,可在Geomagic Stu-dio下對點(diǎn)云進(jìn)行快速識別和擬合。根據(jù)逆向掃描的點(diǎn)云進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),需要在Geomagic Studi中經(jīng)過前處理（多邊形階段）、參數(shù)化曲面、導(dǎo)入CATIA，以及在CATIA中生成參數(shù)化實(shí)體模型等幾個階段[11,12]。

3.1 逆向掃描

三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動高精度立體掃描技術(shù)，又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是基于面的數(shù)據(jù)采集方式，本研究采用的三維激光掃描儀由動作捕捉儀、手持激光頭和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，精度可達(dá)0.05mm，掃描儀如圖5所示。手持激光頭發(fā)射出激光束投射到物體表面，經(jīng)反射后由激光接收器獲取物體表面反射的光線，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)自動解算得出被測點(diǎn)的相對三維坐標(biāo)（云點(diǎn)），原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖6所示，再將三維模型反映在自帶的數(shù)據(jù)處理軟件中，掃描后生成stl格式的文件，導(dǎo)入逆向軟件Geomagic并進(jìn)行快速處理。

圖5 三維激光掃描儀

圖6 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

激光掃描的過程中,應(yīng)盡量使掃描儀器始終垂直于掃描表面，并保持適當(dāng)?shù)膾呙杷俣?，從而保證所得點(diǎn)云的質(zhì)量。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確性和完整性也就決定了三維模型的精度。

Geomagic Studio軟件的整體工作流程如圖7所示。

圖7 Geomagic Studio 工作流程

根據(jù)軟件輸入的數(shù)據(jù)與其他軟件或設(shè)備的接口，不同的逆向軟件有不同的工作流程，可以采用點(diǎn)——線——面和點(diǎn)——多邊形——面等方式，Geomagic Studio采用了點(diǎn)——多邊形——面的工作流程，從圖7可以看出Geomagic Studio 軟件主要包括點(diǎn)云階段、多邊形階段、形狀階段。

3.2 數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

由于模型的測量是在一次進(jìn)行完成的，不存在多視點(diǎn)云，所以不用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼合。由三坐標(biāo)激光測量儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是“.asc”格式，導(dǎo)入Geomagic中系統(tǒng)中。

3.3 點(diǎn)云的前期處理

通過掃描獲得的點(diǎn)云包含許多噪聲點(diǎn)，以及由于缺少掃描或其他原因?qū)е碌目锥?，因此需要對點(diǎn)云進(jìn)行切割和修復(fù)。在物理掃描或數(shù)字化過程中，經(jīng)常會將噪聲點(diǎn)引入測量數(shù)據(jù)中。曲面模型上的粗糙及不均勻的外觀被視為“噪聲數(shù)據(jù)”，這可能是由于掃描設(shè)備的輕微振動，掃描儀的直徑誤差或不良的表面以及光線變化引起的。通過減少噪聲處理，可以更好地表示真實(shí)物體的形狀。在Geomagic Studio中打開點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，將自動生成多邊形對象，并通過對多邊形的操作來實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)云的所有后續(xù)操作。在“多邊形”的功能區(qū)頁面下，提供了多種處理工具，例如使用“刪除”和“簡化”“創(chuàng)建流形”“裁剪”等來刪除噪點(diǎn)，并使用“松弛”。最方便的一項(xiàng)是“Grid Doctor”的修復(fù)功能，該功能在一個界面下集成了各種修復(fù)功能，并自動以批處理方式完成了大部分修復(fù)工作，點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.4 曲面重構(gòu)和數(shù)字化建模

3.4.1 曲面設(shè)計(jì)

該汽車座椅的逆向設(shè)計(jì)使用Geomagic Studio和CATIA軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和表面重建。Geomagic Studio是由Raindrop Geomagic Software Company在美國推出的逆向工程軟件。對于逆向工程中的應(yīng)用，可以通過Geomagic Studio獲得完美的多邊形和NURBS模型。當(dāng)處理復(fù)雜形狀或自由曲面時，生產(chǎn)效率要優(yōu)于傳統(tǒng)的CAD，該軟件效率更高。該軟件還可以與所有主要的3D掃描設(shè)備和CAD/CAM軟件集成。作為獨(dú)立的應(yīng)用程序，它可以補(bǔ)充CAD軟件的功能。Geomagic Studio可以滿足反向工程，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和快速原型制作的嚴(yán)格要求。使用Geomagic Studio，可以將3D掃描數(shù)據(jù)和多邊形網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確的3D數(shù)字模型，并可以輸出各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式。與其他逆向工程軟件相比，Geomagic Studio軟件的優(yōu)勢在于，從點(diǎn)云處理到3D表面重建的時間通常僅為同類產(chǎn)品的1/3。汽車座椅是根據(jù)人體設(shè)計(jì)的，表面非常復(fù)雜。在構(gòu)造汽車座椅表面時，修復(fù)點(diǎn)云文件是彎曲的，以確保該表面和該表面在曲率上可以連續(xù)或連續(xù)。根據(jù)相應(yīng)的曲面擬合算法，構(gòu)造特征點(diǎn)和特征線以連接每個曲面。使用曲面設(shè)計(jì)模塊GSD（Generatlve Shape Deslgn）和自由曲面模型建模模塊FSS（Freestyle Shape）和自由曲面模型建模模塊FSS（Free Style Shape）和其他方法結(jié)合座椅的實(shí)際樣式來構(gòu)造一個三維圖形，如圖9所示。

圖9 曲面重構(gòu)圖

3.4.2 生成三維和二維模型

通過延伸、過渡、相交、切割、縫合和倒角來重構(gòu)表面，以獲得三維實(shí)體模型。重建的三維實(shí)體模型可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要生成二維工程圖，也可以進(jìn)行CNC制造或建模。汽車座椅三維實(shí)體模型如圖10所示。

圖10 汽車座椅三維實(shí)體模型

3.5 實(shí)物模型打印

利用快速成型技術(shù)打印實(shí)體模型，這項(xiàng)研究使用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA修改數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字建模，最后導(dǎo)出3D打印機(jī)所需的格式，實(shí)體建模如圖11所示。

圖11 3D汽車座椅模型

4 結(jié)語

論文介紹了聯(lián)合使用Geomagic Studio和CATIA軟件對汽車零部件的逆向設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)高質(zhì)量且可制造的曲面是汽車車身設(shè)計(jì)與建模工作的首要要求，所以車身外表面的曲面重構(gòu)應(yīng)該是在合理的誤差范圍內(nèi)盡量保證曲面的質(zhì)量。適當(dāng)?shù)胤艑捑?，會使?gòu)面方法相對靈活多樣，構(gòu)面的成功率也相對較高。一般來說，在精度要求0.3～0.5mm且點(diǎn)云質(zhì)量較好的情況下用CATIA擬合出的曲面要優(yōu)于專用逆向工程軟件IMAGEWARE，只是前者曲面的人工控制能力比后者稍差，而且CATIA對于曲面與測量點(diǎn)的偏差大于0.1mm的A級曲面也完全可以勝任。因此，應(yīng)用CATIA軟件進(jìn)行車身由面重構(gòu)是一個較好的選擇，可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。