機械產(chǎn)品的逆向設(shè)計方法

姚順宇，鐘相強 ,2，馮 江

（1.安徽工程大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016）

產(chǎn)品設(shè)計一般分為正向設(shè)計和逆向設(shè)計。正向設(shè)計是“從無到有”的過程，一般對產(chǎn)品的形態(tài)預(yù)見性不夠，需通過多次實驗來測試其性能，成本較高［1］。逆向設(shè)計是對已有實物產(chǎn)品的功能或外觀造型進行反向建模、再設(shè)計、創(chuàng)新和優(yōu)化的過程，它能有效縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，降低企業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品的成本，對提高市場競爭力具有重要的現(xiàn)實意義，是一種先進的、具有創(chuàng)新性的現(xiàn)代設(shè)計方法。

逆向設(shè)計是一種基于實體模型的設(shè)計，在本文中，我們分析了產(chǎn)品逆向設(shè)計的一般流程、產(chǎn)品的掃描方法及點云數(shù)據(jù)的獲取方法，將獲取的產(chǎn)品點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Control中進行優(yōu)化處理，并導(dǎo)入UG中進行基于曲線的曲面重構(gòu)和基于曲面的實體建模，分析所建模型與點云數(shù)據(jù)的擬合精度，為機械產(chǎn)品的逆向設(shè)計提供有價值的借鑒，為產(chǎn)品的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計提供一種全新的思路。

1 產(chǎn)品逆向設(shè)計的一般流程

產(chǎn)品逆向設(shè)計所遵循的一般流程如圖1所示。具體的操作步驟如下：通過三維激光掃描獲取產(chǎn)品點云數(shù)據(jù)，在Geomagic Control中對點云進行網(wǎng)格優(yōu)化，稀釋點云數(shù)據(jù)，在保證精度的前提下盡可能減少數(shù)據(jù)量；將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入UG中進行曲線、曲面和實體的重建；將重建的模型導(dǎo)入Geomagic Control中分析點云數(shù)據(jù)的擬合精度，在UG中重新修改不符合要求的部分，直到精度滿足要求為止。

圖1 產(chǎn)品逆向設(shè)計流程

2 產(chǎn)品掃描的方法和點云數(shù)據(jù)的獲取

2.1 Handyscan700掃描儀簡介

常用的實物模型掃描儀分為光學(xué)式和激光式。三維激光掃描儀通常由一臺高精度激光測距儀和一組可引導(dǎo)激光勻速掃描的反射棱鏡組成［2-3］。

Handyscan700掃描儀的工作狀態(tài)如圖2所示，交叉的激光線起到掃描測距的作用，測量速度為480000次/秒，一共有15條激光線，最高精度可達0.030 mm。

掃描前，需給模型貼定位點，貼點時需要注意以下幾點：掃描件表面應(yīng)清潔干燥，無雜物；一次掃描過程要掃到4個定位點，點與點之間距離約為10~15 cm。當零件缺陷較大、銹跡過多時，需要使用砂紙對零件表面進行打磨，并對零件噴涂顯像劑；當零件棱角及特征較為復(fù)雜時，應(yīng)適當增加定位點數(shù)，以避免掃描點云出現(xiàn)破損、爛面等情況。

在掃描前，需要對掃描儀進行校準，以提高掃描精度［4］，還需要對VXelements軟件中所設(shè)置的參數(shù)進行調(diào)整。快門對應(yīng)激光功率的大小，深顏色對光的吸收比較強，功率要適當調(diào)大；分辨率（掃描精度）一般設(shè)置為0.4~0.8；優(yōu)化掃描網(wǎng)格能有效提升網(wǎng)格質(zhì)量而不增加數(shù)據(jù)量，優(yōu)化程度通常設(shè)為10以上。在掃描時，將紅色激光線垂直照射在掃描件表面，待VXelements軟件的工作界面上出現(xiàn)點云后再緩慢移動掃描儀掃描其他部位，這一過程就好像刷油漆一樣。完成一個表面后再過渡到另一個表面，直到完成整個零件的掃描。在掃描過程中，應(yīng)保持掃描儀與被掃表面大約有30 cm的距離。

圖2 掃描儀工作狀態(tài)

2.2 機械產(chǎn)品的掃描方法

2.2.1 小型機械零件的掃描方法

對于小型零件，由于細節(jié)部分較多，應(yīng)適當放慢掃描速度，以便把細節(jié)掃描完整。當掃描尺寸在15 cm以內(nèi)的零件時，零件上無法貼定位點，可借助貼上定位點的輔助板或直接在被掃件周圍貼上輔助點來完成掃描。

2.2.2 大型機械產(chǎn)品的掃描方法

對于大型產(chǎn)品，掃描大平面和規(guī)則處可適當提高掃描速度，而在拐角和過渡處則需要降低掃描速度。例如，在掃描客車整車時，由于車架尺寸很大，掃描誤差會不斷積累，因此可先從車頂中部掃描車頂，再從車頂中部過渡到四個側(cè)面，這樣可以有效平衡誤差。由于掃描整車獲取的數(shù)據(jù)量較大，掃完一個整面后要將數(shù)據(jù)保存下來。下次掃描之前要保留上一次掃描的標記點，以確保剩下的面位于同一坐標系中。整車掃描時應(yīng)盡量垂直被掃面（圖3）。將各個面的掃描數(shù)據(jù)同時導(dǎo)入Geomagic Control時就會自動合成整件點云。

圖3 客車的整車掃描

2.2.3 機械鈑金件的掃描方法

對于機械鈑金件，由于其自身易發(fā)生形變，原本是平面的地方掃描出的點云可能會變成曲面。對于此類情況，可以先掃描兩端變形較小的地方，再單獨掃描變形大的地方，最后在Geomagic Control軟件中將三處拼接成整體。

2.3 點云處理

掃描件通常放在地面或桌面等平面上，掃描時會掃到那些不需要的面，因此要將這些不需要的面刪除。在實際操作中，先通過VXelements軟件刪除多余的點云，再反選掃描件后刪除，最后導(dǎo)入Geomagic Control對多余的點云進行修剪。數(shù)據(jù)網(wǎng)格簡化需要根據(jù)計算機處理能力和逆向造型的精度來確定，通?？刂圃?00萬網(wǎng)格面左右。

3 基于UG的產(chǎn)品逆向造型

3.1 點云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和結(jié)構(gòu)分析

由于點云為STL格式文件，不能在UG軟件中直接打開，需要建立model文件，再運用文件導(dǎo)入命令，才能完成點云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。導(dǎo)入UG的點云模型，在逆向建模開始前需擺正坐標，這對后期建模至關(guān)重要。

根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點，理清建模思路，確定大致步驟［5－6］。對于形狀較為規(guī)整且對稱的模型，可以先做 1/4的曲面，通過曲面切出實體，再通過鏡像命令獲取剩余的實體部分，這樣可大大減少逆向設(shè)計的工作時間，提高設(shè)計效率［7］。

3.2 曲線組的構(gòu)建

現(xiàn)在以挖掘機前爪齒為例分析曲線組的構(gòu)建。根據(jù)其形狀特點，截取點云時采用垂直大曲面的方向截取，依靠前面建立的基準平面擺正模型，點擊截面曲線命令，點擊輸出采樣點，就可以生成截取點云的輪廓點，截取后的效果如圖4所示。

圖4 挖掘機前瓜齒的點云截取效果

使用圖層命令把截取的采樣點用不同的顏色區(qū)分開來，把不同平面上的點分別放置到不同的圖層中，以便區(qū)分和調(diào)取［8］。

先顯示一個圖層，依據(jù)該層的采樣點建立基準面，在草圖環(huán)境下利用圓弧、直線等命令擬合采樣點，線段與線段之間用圓角或相切約束連接，以確保連接曲線的光順，重復(fù)以上過程就可以完成所有曲線的構(gòu)建。曲線的光順性可通過曲率梳［9－10］檢查（圖 5）。

圖5 曲線的曲率梳

3.3 曲面的生成及光順性分析

用曲線、曲面構(gòu)建曲面的方法有很多種，曲面可以通過直紋、曲線組、曲線網(wǎng)格或N邊曲面構(gòu)建［11］。通常情況下，一個完整的曲面由多個經(jīng)延伸、裁剪和過渡形成的曲面拼接而成，且面與面之間滿足G1（曲面或曲線處處連續(xù)，所有連接的線段、曲面片之間都是相切關(guān)系）相切條件。每一種曲面都有特定的特征和生成方法，故不能通過同一種方法生成所有曲面。例如，曲率變化小的曲面可通過曲線組生成，曲率變化大的過渡部分需要通過橋接曲線、邊界線等曲線組成的曲線網(wǎng)格生成［12－13］。生成的曲面要光順、無折痕并滿足精度要求，一般的曲面質(zhì)量分析方法有半徑分析法、反射分析法和斜率分析法［14］。曲面的斑馬線分析如圖6所示。從圖6可以看出，大面處的斑馬線分布比較均勻，曲面光滑，能滿足光順性要求。

圖6 曲面的斑馬線分析

3.4 產(chǎn)品實體的創(chuàng)建

實體創(chuàng)建可以先通過修剪體命令修剪出曲面實體，再處理細節(jié)。挖掘機前爪齒的點云和實體模型如圖7所示。實體創(chuàng)建也可以通過直接建模獲得。在建模過程中，要先創(chuàng)建主體，再創(chuàng)建主體的小特征。發(fā)動機端蓋的點云和實體模型如圖8所示。

圖7 挖掘機的前爪齒模型

圖8 發(fā)動機的端蓋模型

4 模型精度分析

對于已完成的產(chǎn)品的模型，需要進一步與點云數(shù)據(jù)進行比對，得到其各部分的誤差，以便做后續(xù)的修改。將模型和點云導(dǎo)入Geomagic Control中，模型設(shè)為Test，點云設(shè)為Reference。下面將模型和點云對齊，對齊方式有：N點對齊、最佳擬合對齊、基于特征對齊和RPS對齊等。鈑金件宜采用RPS對齊，某個或某幾個面精度要求特別高的零件宜采用基于特征對齊。通常情況下，根據(jù)不同產(chǎn)品及要求，可以選擇不同的對齊方式［15］。挖掘機前爪齒的點云和模型的對齊如圖9所示。

圖9 模型與點云的對齊

模型和點云對齊以后就可以進行3D比較了。在比較過程中，可以設(shè)置上下偏差，并在重要表面上創(chuàng)建注釋。汽車的鈑金件精度檢測要求如圖10所示，從圖10中創(chuàng)建的注釋可以看出，最小偏差為0.04 mm，最大偏差為－0.21 mm，符合機械產(chǎn)品的精度要求。如圖中出現(xiàn)深色區(qū)域，則表示偏差超出允許范圍，需返回UG中做進一步修改。

圖10 汽車鈑金件精度檢測

5 結(jié)論

在本文中，我們分析了機械產(chǎn)品的逆向設(shè)計過程，提出一種行之有效的產(chǎn)品點云數(shù)據(jù)獲取和處理方法，通過UG和Geomagic Control兩種軟件的配合使用分析了機械產(chǎn)品的逆向造型設(shè)計過程，并通過所建模型與原始點云的3D對比分析了設(shè)計精度，為機械產(chǎn)品的逆向設(shè)計提供了借鑒方法。