陳曉斐

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，酒泉 735000）

逆向工程（又稱逆向技術(shù)）是一種產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)再現(xiàn)過程，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集目標(biāo)產(chǎn)品實物的三維數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到目標(biāo)產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，通過逆向三維軟件重新構(gòu)造目標(biāo)產(chǎn)品三維模型，最后利用計算機(jī)輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）、計算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、計算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）等系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品的分析、再設(shè)計、數(shù)控編程以及數(shù)控加工等過程。文章以藍(lán)光霧化消毒槍的逆向設(shè)計為例，詳細(xì)介紹使用三維掃描儀獲取目標(biāo)產(chǎn)品點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、逆向建模及偏差分析的全過程。

1 逆向設(shè)計及其工作流程

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計以正向設(shè)計為主，通常從概念設(shè)計開始，通過三維設(shè)計軟件創(chuàng)建三維數(shù)字模型，完成產(chǎn)品的制造生產(chǎn)。逆向設(shè)計與正向設(shè)計相反，是根據(jù)產(chǎn)品實物樣件生成三維數(shù)字模型，經(jīng)過創(chuàng)新再制造出產(chǎn)品。正向設(shè)計與逆向設(shè)計對比圖，如圖1 所示。逆向設(shè)計通常是對已經(jīng)設(shè)計的產(chǎn)品或者完成的實物模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，通過實驗、分析及結(jié)構(gòu)的修改，得到符合要求的結(jié)果，再對修正后的模型或者樣件進(jìn)行掃描和造型等操作，得到所需的三維數(shù)字模型。逆向設(shè)計的產(chǎn)品因為有實際的使用數(shù)據(jù)，更接近真實情況，所以可以快速找到產(chǎn)品的合理結(jié)構(gòu)，大幅縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高研發(fā)效率。

圖1 正向設(shè)計與逆向設(shè)計對比圖

逆向設(shè)計具體包括實物的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及逆向建模，如圖2 所示。

圖2 逆向設(shè)計及制造流程圖

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是采集設(shè)備通過特定的技術(shù)把物體表面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間數(shù)據(jù)信息，以便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、修改等工作。目前，產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)的獲取主要通過三維測量技術(shù)實現(xiàn)。通常采用三維激光掃描儀、三坐標(biāo)測量機(jī)（Coordinate Measuring Machine，CMM）、結(jié)構(gòu)光三維掃描儀等獲取樣件的三維坐標(biāo)值。數(shù)據(jù)采集的精度除與掃描設(shè)備的精度有關(guān)外，還與掃描軟件的精確度有關(guān)。因此，提高樣件表面數(shù)據(jù)采集的效率和精度，是逆向工程技術(shù)的重要研究對象。

1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理可以為曲面重構(gòu)提供有用的三角面片模型或者特征點(diǎn)、線、面，主要方法包括雜點(diǎn)的刪除、多視角數(shù)據(jù)拼合、數(shù)據(jù)簡化、數(shù)據(jù)填充和數(shù)據(jù)平滑等。

1.2.1 雜點(diǎn)的刪除

測量物體過程中，常需要一定的支撐或者夾具。采用非接觸式測量方式進(jìn)行測量時會把支撐或者夾具掃描進(jìn)去。這些都是體外的雜點(diǎn)，需要刪除。

1.2.2 多視角數(shù)據(jù)拼合

為了獲得樣件表面所有的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行多方位掃描，得到不同坐標(biāo)下的多視角點(diǎn)云。合并不同視角的測量數(shù)據(jù)可以獲得多視角數(shù)據(jù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)簡化

當(dāng)測量數(shù)據(jù)的密度很高時會存在大量的冗余數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響后續(xù)算法的效率，因此需要按一定要求減少數(shù)據(jù)量[1]。

1.2.4 數(shù)據(jù)填充

測量物體結(jié)構(gòu)過程中，會出現(xiàn)部分表面結(jié)構(gòu)無法測量的情況，導(dǎo)致三維數(shù)字化模型存在數(shù)據(jù)缺損，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行填充補(bǔ)缺。

1.2.5 數(shù)據(jù)平滑

樣件表面粗糙度、測量操作等，都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)噪聲點(diǎn)，影響曲面重構(gòu)的質(zhì)量。需要通過數(shù)據(jù)的平滑處理提高數(shù)據(jù)的光滑度，改善曲面重構(gòu)質(zhì)量。

1.3 逆向建模

逆向建模是利用經(jīng)過處理的測量數(shù)據(jù)，根據(jù)需要得到樣件模型三維模型的過程。一般有兩種重構(gòu)方法：一是對表面復(fù)雜但精度要求較低的產(chǎn)品（玩具、藝術(shù)品等）的逆向設(shè)計，通常采用基于三角面片的方式直接建模；二是對表面復(fù)雜且精度要求較高的產(chǎn)品的逆向開發(fā)，通常采用擬合曲面或者參數(shù)曲面的方式建模，以點(diǎn)云為依據(jù)，通過構(gòu)建點(diǎn)、線、面等模型元素，還原初始三維模型。

2 藍(lán)光霧化消毒槍的逆向設(shè)計

2.1 點(diǎn)云的數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集時，物體表面數(shù)據(jù)通過掃描設(shè)備掃描后以點(diǎn)的形式輸出記錄，這些數(shù)據(jù)就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)。每一個點(diǎn)包含有三維坐標(biāo)以及有關(guān)該點(diǎn)屬性的其他信息，如顏色、反射率、強(qiáng)度等。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是具有高精度、高分辨率和高維度的幾何信息，可以直觀表示空間中的物體形狀、表面和紋理等，可以應(yīng)用于三維建模、場景重建、機(jī)器人導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實以及增強(qiáng)現(xiàn)實等場景。

目前，產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)的獲取主要通過三維測量技術(shù)實現(xiàn)，通常采用三坐標(biāo)測量機(jī)、三維激光掃描儀、結(jié)構(gòu)光三維掃描儀等獲取樣件的三維坐標(biāo)值[2]。

數(shù)據(jù)采集使用三維天下公司的Win3DD 單目三維掃描儀（增強(qiáng)版）。掃面前需要做好前期準(zhǔn)備，包括3 個方面。第一，環(huán)境。三維掃描儀應(yīng)在穩(wěn)定的環(huán)境中進(jìn)行，避免強(qiáng)光和逆光，以保證三維掃描儀結(jié)果不受外界因素的影響。第二，校準(zhǔn)。掃描前，要對三維掃描儀進(jìn)行標(biāo)定，確保3D 數(shù)據(jù)的精確三維掃描。第三，表面處理。掃描設(shè)備很難掃描半透明材料（玻璃制品、玉石）、有光澤、深槽或有較暗表面的工件。因此，需要在工件表面噴涂一層薄薄的顯影劑，以便更好地掃描物體的三維特征，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。需注意，顯影劑噴涂過多會增加物體的厚度，影響掃描精度。

掃描過程中，實物模型各面無法一次全部掃描。為使點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整顯示實物結(jié)構(gòu)，需要在實物上粘貼標(biāo)志點(diǎn)，對掃描平面進(jìn)行定位。多角度掃描實物模型后，軟件會根據(jù)各面標(biāo)志點(diǎn)確定各面的相對位置，進(jìn)行自動拼接生成實物模型完整的掃描工程文件。在粘貼實物模型標(biāo)志點(diǎn)時，應(yīng)將標(biāo)志點(diǎn)分散貼在實物模型的平面部分或曲率較小的位置，盡量不要貼在同一直線上，保證標(biāo)志點(diǎn)均勻分布，改善掃描儀捕捉效果，以便獲得較為完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖3 為藍(lán)光霧化消毒槍標(biāo)志點(diǎn)粘貼圖，圖4 為系統(tǒng)按照標(biāo)志點(diǎn)位置將不同位置和角度的掃描數(shù)據(jù)對齊后獲得的藍(lán)光霧化消毒槍完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 藍(lán)光霧化消毒槍標(biāo)志點(diǎn)粘貼圖

圖4 藍(lán)光霧化消毒槍點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要涉及點(diǎn)云去噪聲、配準(zhǔn)、簡化以及補(bǔ)洞等。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，可以去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲和外點(diǎn)，在保持幾何特征的基礎(chǔ)上實現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的簡化，并將不同角度掃描的點(diǎn)云統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，為后續(xù)的曲面構(gòu)建及三維實體模型生成提供穩(wěn)健的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的效果是后期建模精度的主要影響因素[3]。藍(lán)光霧化消毒槍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝圖，如圖5 所示。

圖5 藍(lán)光霧化消毒槍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝圖

2.3 藍(lán)光霧化消毒槍的逆向建模

本次逆向建模使用的是Geomagic Design X 軟件。該軟件為常用逆向工程軟件，可以將3D 掃描結(jié)果快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建成三維模型，具有強(qiáng)大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、曲面擬合及面片草圖功能，建模效率高。

2.3.1 領(lǐng)域組劃分

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的STL 格式文件導(dǎo)入Geomagic Design X 軟件，利用領(lǐng)域組功能將模型面片分成多個特征區(qū)域，如圖6 所示。

圖6 領(lǐng)域組劃分圖

2.3.2 面片擬合

通過與藍(lán)光霧化消毒槍實物對比發(fā)現(xiàn)，生成的藍(lán)光霧化消毒槍外表面為不規(guī)則曲面，不能使用特征命令直接生成藍(lán)光霧化消毒槍外形的三維模型，因此需要通過零件曲面擬合工具和曲面剪切工具重建藍(lán)光霧化消毒槍三維模型。

使用面片擬合命令擬合出手柄外形輪廓，然后采用面片草圖的方法生成手柄端面封閉平面，最后使用剪切合并命令完成手柄三維實體模型的重建，如圖7 所示。

圖7 手柄擬合曲面

藍(lán)光霧化消毒槍頭部是不規(guī)則形狀，由自由曲面構(gòu)成，因此需要通過零件曲面擬合工具與曲面剪切相結(jié)合重構(gòu)模型。具體建模方式與柄部建模方式一致。頭部擬合曲面，如圖8 所示。

圖8 頭部擬合曲面

2.3.3 面片草圖

整個模型中存在部分非曲面結(jié)構(gòu)。對于這部分的建模，可以使用面片草圖建模的方法來完成。首先，選擇合適的平面作為投影平面，將所需要的輪廓線投影到投影平面生成可編輯草圖。其次，使用草圖繪制及編輯功能，擬合并繪制出所需截面形狀輪廓。最后，使用實體建模特征命令，如旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃掠、倒角等，完成對應(yīng)結(jié)構(gòu)的建模。柄部凹槽的面片草圖，如圖9 所示。

圖9 柄部凹槽的面片草圖

3 偏差分析

為保證重建模型精度的要求，需要檢測重建三維模型與原模型之間的誤差[4]。在Geomagic Design X軟件中，使用“偏差”功能可以確定重建的三維模型與原模型之間的誤差。在偏差云圖中，許可公差范圍為-0.1 ～0.1 mm 的結(jié)構(gòu)在軟件中用綠色顯示。誤差的正偏差越大，這部分顯示的顏色在軟件中越接近紅色；誤差的負(fù)偏差越大，這部分顯示的顏色在軟件中越接近藍(lán)色?？梢愿鶕?jù)各部分的誤差情況，合理調(diào)整模型數(shù)據(jù)，重構(gòu)三維模型，最終達(dá)到所需的精度要求[5]，如圖10 所示。

圖10 藍(lán)光霧化消毒槍的偏差分析

4 結(jié)語

以藍(lán)光霧化消毒槍的逆向設(shè)計為例，詳細(xì)介紹使用三維掃描儀和Geomagic Design X 軟件進(jìn)行產(chǎn)品逆向設(shè)計的一般過程，可為復(fù)雜曲面產(chǎn)品的逆向設(shè)計提供新的思路和方法。