孟偉娜 ， 孫祖東 ， 牛振華

（安陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455002）

逆向工程（Reverse Engineering），也稱(chēng)為反求工程、反向工程，它是相對(duì)于傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)而言的，將已經(jīng)存在的零件（或原型）通過(guò)掃描，采集數(shù)據(jù)，生成圖樣，再制造出產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于航天航空、醫(yī)學(xué)、模具制造、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、文物修復(fù)等領(lǐng)域[1]。Geomagic Wrap是3D SYSTEMS公司發(fā)行的一款功能強(qiáng)大的3D建模數(shù)據(jù)處理軟件，它可以將三維掃描數(shù)據(jù)和導(dǎo)入的文件直接轉(zhuǎn)換為3D模型。

安全錘的逆向設(shè)計(jì)流程包括使用三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備、三維掃描儀測(cè)得樣品安全錘的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；使用Geomagic Wrap逆向設(shè)計(jì)軟件對(duì)安全錘的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云處理、面片編輯、曲面建模等，使用3D打印機(jī)對(duì)處理過(guò)的安全錘面片進(jìn)行快速成型，或者使用CNC機(jī)床對(duì)重建安全錘模型進(jìn)行加工，與樣品安全錘進(jìn)行對(duì)比分析。安全錘的逆向設(shè)計(jì)過(guò)程可以總結(jié)為兩大步驟：數(shù)據(jù)采集和CAD模型重建[2]。逆向工程具體工藝流程如圖1所示。

圖1 逆向設(shè)計(jì)工藝流程

1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x或者非接觸式的拍照式三維掃描儀、非接觸式的激光三維掃描儀來(lái)測(cè)量被測(cè)物品特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，是逆向工程中重要的環(huán)節(jié)。本文采用了北京三維天下的Win3DD-M單目拍照式三維掃描系統(tǒng)對(duì)安全錘進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)擁有130萬(wàn)像素的相機(jī)，采用非接觸式拍照掃描，單幅掃描范圍300 mm×210 mm×200 mm，該掃描系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 Win3DD-M單目拍照式三維掃描系統(tǒng)

本文中的安全錘為金屬材質(zhì)，光滑處可能會(huì)反射光線，影響正常的掃描效果。掃描前，對(duì)安全錘表面噴涂薄層均勻的顯像劑，從而獲得更加理想的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因?yàn)橐髵呙枇慵恼w點(diǎn)云，還要在安全錘曲率較小的曲面上粘貼5～7個(gè)標(biāo)志點(diǎn)[3]，使相機(jī)在盡可能多的角度可以同時(shí)看到，以方便拼接掃描，如圖3所示。

圖3 噴顯像劑和貼標(biāo)志點(diǎn)后的安全錘

將安全錘用黑色工業(yè)油泥固定在轉(zhuǎn)盤(pán)上，確定轉(zhuǎn)盤(pán)和安全錘在掃描儀投射的十字中間，嘗試旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)一周，保證安全錘在掃描過(guò)程中不移動(dòng)。在掃描儀軟件最右側(cè)實(shí)時(shí)顯示區(qū)域檢查，以保證能夠掃描到整體；在軟件右側(cè)的實(shí)時(shí)顯示區(qū)域觀察安全錘的亮度，并通過(guò)在軟件中設(shè)置相機(jī)曝光值來(lái)調(diào)節(jié)亮度；檢查掃描儀到被掃描物體的距離，在軟件右側(cè)實(shí)時(shí)顯示區(qū)域內(nèi)觀察到的白色十字與黑色十字重合，當(dāng)重合時(shí)的掃描儀鏡頭與安全錘的距離約為600 mm，Win3DD-M三維掃描系統(tǒng)在600 mm的距離進(jìn)行掃描，點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量最好，將所有參數(shù)調(diào)整好即可點(diǎn)擊“掃描操作”，如圖4所示。將轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周，翻轉(zhuǎn)或調(diào)整安全錘和轉(zhuǎn)臺(tái)的角度，以保證安全錘的所有特征都能被掃描出來(lái)。掃描結(jié)束后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示，將安全錘的點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存為.asc文件。

圖4 掃描儀軟件

圖5 安全錘點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2 基于Geomagic Wrap的逆向建模

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

掃描得到的安全錘點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含雜點(diǎn)、噪音、孤點(diǎn)等多余數(shù)據(jù)，使用Geomagic Wrap的點(diǎn)編輯功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要包括以下幾個(gè)步驟：

2.1.1 手動(dòng)去除多余點(diǎn)云

從圖5中可以看出，在安全錘點(diǎn)云附近存在著大量無(wú)用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)選擇、刪除工具進(jìn)行刪除。

2.1.2 去除體外孤點(diǎn)和刪除非連接項(xiàng)

手動(dòng)不能完全刪除多余的無(wú)用數(shù)據(jù)，還存在一些與其它多數(shù)點(diǎn)保持一定距離的體外孤點(diǎn)以及與其它點(diǎn)組相距遙遠(yuǎn)的非連接項(xiàng)，需要選擇并刪除。

2.1.3 減少噪音

點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪音是掃描儀的誤差，將點(diǎn)移動(dòng)至軟件統(tǒng)計(jì)的正確位置上來(lái)減少這個(gè)噪音，可以使點(diǎn)的排列更加平緩。

2.1.4 統(tǒng)一點(diǎn)云

點(diǎn)云數(shù)據(jù)太大，會(huì)減慢電腦的運(yùn)行速度。使用統(tǒng)一點(diǎn)云功能，使平坦曲面上的點(diǎn)云數(shù)目減少量一致，讓點(diǎn)云以規(guī)定的密度減少安全錘點(diǎn)云數(shù)據(jù)上的點(diǎn)云數(shù)目。不僅可以提高電腦的運(yùn)行速度，而且不改變模型的形狀。

2.1.5 封裝

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完畢后，需要將點(diǎn)云封裝為三角面網(wǎng)格，從而將處理點(diǎn)云對(duì)象改變?yōu)樘幚矶噙呅螌?duì)象，為安全錘的3D模型建模做好準(zhǔn)備。點(diǎn)云處理結(jié)束后如圖6所示。點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝后的三角面網(wǎng)格，如圖7所示。三角面網(wǎng)格保存為.stl文件，stl文件可以直接使用3D打印機(jī)進(jìn)行快速成型。

圖6 處理結(jié)束后的點(diǎn)云

圖7 封裝后的安全錘三角網(wǎng)格

2.2 安全錘3D模型重建

安全錘點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完畢并封裝后使用Geomagic Wrap的“精確曲面”功能進(jìn)行安全錘的3D模型重建，包含多邊形處理、刪除釘狀物、去除特征、砂紙、曲面重建等步驟。

2.2.1 多邊形網(wǎng)格處理

封裝后的安全錘三角面網(wǎng)格如圖7所示，包含很多數(shù)據(jù)缺失的地方，使用填充孔功能，選擇合理的填充方案，將缺失的數(shù)據(jù)補(bǔ)齊?？滋畛浜蟮亩噙呅尉W(wǎng)格如圖8所示。

圖8 填充后多邊形網(wǎng)格

2.2.2 刪除釘狀物

刪除釘狀物功能可以自動(dòng)檢測(cè)并展平多邊形網(wǎng)格上的單點(diǎn)尖峰，提高多邊形網(wǎng)格的光滑程度。

2.2.3 去除特征

進(jìn)行模型三維掃描的時(shí)候，因?yàn)闃?biāo)志點(diǎn)、用于固定模型的工業(yè)油泥會(huì)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上留有凹凸不平的痕跡，使用去除特征功能可以刪除這些痕跡并根據(jù)多邊形網(wǎng)格的曲率自動(dòng)填平，提高多邊形網(wǎng)格的表面質(zhì)量。

2.2.4 砂紙

可以手動(dòng)清除局部較小的不光滑網(wǎng)格，提高光順度。

2.3 安全錘曲面重建

點(diǎn)擊精確曲面圖標(biāo)，進(jìn)入曲面重建階段?？梢允褂米詣?dòng)曲面或者按探測(cè)輪廓線、構(gòu)造曲面片、構(gòu)造柵格、去面片編輯、曲面擬合這些步驟進(jìn)行曲面重建。對(duì)于曲面較為復(fù)雜的模型，建議使用分步驟進(jìn)行擬合曲面，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行曲面曲率的編輯，獲得更好的曲面質(zhì)量。本文使用自動(dòng)曲面功能來(lái)擬合曲面。

打開(kāi)自動(dòng)曲面化對(duì)話框，選擇幾何圖形類(lèi)型為機(jī)械、指定曲面片計(jì)數(shù)為1500、調(diào)節(jié)曲面細(xì)節(jié)值為中值、曲面擬合適應(yīng)性公差設(shè)置為0.05，單擊應(yīng)用后開(kāi)始自動(dòng)擬合曲面。擬合后的安全錘曲面如圖9所示。

圖9 擬合后的安全錘曲面

2.4 曲面偏差分析

曲面擬合結(jié)束后，使用Geomagic Wrap的偏差功能，可以生成一個(gè)以不同顏色區(qū)分?jǐn)M合后的曲面和點(diǎn)云數(shù)據(jù)間的3D偏差圖，如圖10所示。

圖10 安全錘偏差分析圖

從圖10中可以看出擬合后的安全錘曲面標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0151 mm，最大距離偏差為+0.2245 mm及-0.1148 mm，平均距離偏差為0.0027 mm[4]。擬合后的曲面模型基本上都在綠色偏差范圍內(nèi)，表明擬合后的曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的偏差很小。最后，將重建的安全錘曲面另存為.igs或.stp等格式文件，可以使用CREO、UG、SolidWorks等CAD設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行進(jìn)一步修改，也可以使用PowerMill、MasterCam等CAM軟件進(jìn)行數(shù)控編程，再用CNC機(jī)床加工。

3 結(jié)語(yǔ)

逆向工程技術(shù)可以有效地縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多行業(yè)。本文利用Win3DD-M三維掃描系統(tǒng)和Geomagic Wrap 軟件，快速有效地實(shí)現(xiàn)了安全錘的重新建模，并進(jìn)行了偏差分析，分析結(jié)果表明偏差在合理范圍之內(nèi)。