逆向工程理念下產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的實踐研究

陳 云

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

逆向工程理念下產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的實踐研究

陳 云

（安徽國防科技職業(yè)學(xué)院機械工程系 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量摩托車擋泥板的點云數(shù)據(jù)，然后用Geomagic Studio對點云分別進行點階段、多邊形階段及曲面階段處理，最后與UG平臺相結(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。實踐證明：RSVscan-Geomagic-UG的逆向工程設(shè)計既能保證產(chǎn)品設(shè)計品質(zhì)，又能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，具有十分重要的工程實際意義。

逆向工程；Geomagic；點云；曲面；摩托車擋泥板

0.引言

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

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，它不是簡單意義的仿制，而是一個對已有產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造的過程，其最初思想來源于油泥模型到實物產(chǎn)品的設(shè)計過程，可直到20世紀90年代，才引起世界各國的高度重視。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)計開發(fā)是在沒有設(shè)計圖紙或圖紙不完整的情況下，通過逆向工程技術(shù)，可以吸收和消化實物原型，對實物原型進行復(fù)制、修改及再設(shè)計優(yōu)化，獲得相同或改良的實物樣件。

2.Geomagic Studio 軟件簡介

Geomagic Studio軟件是美國雨滴公司開發(fā)的逆向工程軟件，它可輕易地從實物掃描的數(shù)據(jù)（點云）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）實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)→多邊形的轉(zhuǎn)換；（2）減少多邊形的數(shù)目；（3）實現(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)用實例

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

3.1 點云數(shù)據(jù)采集

為了實現(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)臺標(biāo)定→待測物體平穩(wěn)放置在轉(zhuǎn)臺上→設(shè)置掃描儀系統(tǒng)參數(shù)→拍攝，需要注意：待測實物表面應(yīng)保持清潔干凈，且不能反光，必要時可在其表面涂上化學(xué)物質(zhì)（石膏、環(huán)氧樹脂等），此外，點云采集數(shù)目越多，則Geomagic Studio軟件里對于多邊形的處理難度將會加大，因此，點云采集數(shù)目能少則少。

3.2 點階段處理

Step1：將采集得到的點云數(shù)據(jù)加載到Geomagic Studio軟件中，點擊工具對齊進行手動注冊，按住Ctrl鍵選中Model1、Model2，選n點注冊→固定點（合并的點1）、浮動的點（合并的點2）選中后再點注冊器，同理，進行第三片點云注冊，三片點云合并為一個整體；Step2：進行全局注冊，得到更加精確的模型；Step3：聯(lián)接點對象、刪除體外孤點、減少噪音（掃描過程中，會產(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)備的輕微震動也會產(chǎn)生噪聲數(shù)據(jù)）、統(tǒng)一采樣，最后點“合并”，得到一個清晰的整體模型。

3.3 多邊形階段處理

Step1：清除球目標(biāo)，填充孔，系統(tǒng)對所選孔洞進行修補；Step2：使用網(wǎng)格醫(yī)生，檢查模型中的缺陷并自動加以修復(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：點擊“刪除釘狀物”，展平多邊形網(wǎng)格上的單點尖峰；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，控制點盡量縮小，張力可改為0.05；Step5：增強表面嚙合，在高曲率區(qū)域增加點而不破壞形狀；Step6：薄片裁剪，任選兩點連線創(chuàng)建，“刪除所選擇的”的勾去，點確定；Step7：再次使用網(wǎng)格醫(yī)生。

3.4 曲面階段處理

Step1：進入精確曲面工具欄下的探測輪廓線（編輯輪廓，刪除島，把沒有選到的輪廓選中）對話框，點擊“計算、抽取”；Step2：進入編輯輪廓線對話框，點擊“細分、接受”；Step3：構(gòu)造曲面片，選中“自動估計”，曲面分成多個曲面片，近似90°的四邊曲面放置在這個多邊形曲面上；Step4：修理曲面片，對相交路徑的曲面片進行修改；Step5：使用 “移動面板”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，生成藍色的網(wǎng)絡(luò)狀網(wǎng)格，把曲面片分得更細 （每個曲面片里會產(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UG里，對片體進行加厚、縫合，并對其進行細節(jié)上的修改，使其成為預(yù)期的實體模型，然后調(diào)整好坐標(biāo)系（由于是兩個不同性質(zhì)的軟件，零件的工件坐標(biāo)系在兩個軟件里是不同的），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)控機床進行加工。

圖5

圖6 NC代碼

5.設(shè)計總結(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，應(yīng)掌握拍攝技巧，不然會影響實物測量的精度，給后續(xù)處理帶來麻煩。

（2）點處理階段比較重要的是進行統(tǒng)一采樣（目的：保留物體原來形貌的同時減少點云數(shù)目，便于刪除重疊點云及稀釋點云），點云數(shù)量精簡的不到位將會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，一般會設(shè)置絕對間距為0.4mm，曲率優(yōu)先設(shè)置在中間。

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

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

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

（6）由于逆向設(shè)計的每個環(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)從測量設(shè)備選擇、測量環(huán)境、點云數(shù)據(jù)處理方式等方面著手盡可能減小誤差。

6.結(jié)語

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)計開發(fā)過程，實踐表明，該技術(shù)可顯著提高產(chǎn)品設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期及交貨時間，降低成本，開發(fā)出更多經(jīng)濟、實用、美觀的產(chǎn)品，為增強企業(yè)市場競爭力打下堅實的基礎(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：機械工業(yè)出版社2013:1-5.

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TH128

A

2095-7327（2017）-10-0149-02

2015年安徽高校省級質(zhì)量工程資助項目“機械設(shè)計與制造特色專業(yè)”（項目編號為2015tszy074）。

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