基于线扫描的逆向工程对食醋瓶建模研究

陶春生， 白 皛， 马松柏

(北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048)

基于线扫描的逆向工程对食醋瓶建模研究

陶春生， 白 皛， 马松柏

(北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048)

介绍了逆向工程技术的概念、流程和研究现状;通过对一食醋瓶样品的数据采集、数据处理和实体化建模的逆向建模过程，阐述逆向工程技术在食品包装中的应用．研究表明采用逆向工程方法可以获得较高质量的食品包装样品模型，是一种对食品包装进行创新设计行之有效的方法．

线扫描;逆向工程;食醋瓶

逆向工程也称为反求工程，是利用对实物或模型测量的数据重新构造实物的计算机模型，用CAD/CAE/CAM等计算机辅助技术进行分析、再设计、数控编程等操作，而后进行加工的过程．逆向工程是综合性很强的技术，其以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有产品进行解剖、深化和再创造．

逆向工程是各国技术进步与发展，尤其是发展中国家迅速改变技术落后状况，提高综合设计、决策水平、制造水平，赶超世界先进水平的快捷之路．战后，日本工业恢复的需要使其首先对逆向工程进行了研究，提出“第一台引进，第二台国产化，第三台出口”的口号，日本用了近二十年时间迅速崛起成为世界经济强国就是一个生动的历史证明．据统计，各国70%以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短40%以上，极大提高了生产率［1－2］．随着新的逆向工程原理和技术的不断引入，逆向工程已经成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，在新产品开发过程中居于核心地位，被广泛地应用于摩托车、汽车、飞机、家用电器、模具等产品的改型与创新设计．因此研究逆向工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义．

食品包装与人们生活密切相关，世界各国投入巨大，已形成一个高科技、高智能的产业领域，成为国民经济的支柱产业之一．随着时代进步和消费水平的日益提高，对食品包装的要求也越来越高．现代生活的进步促进了食品包装技术的发展．我国的食品包装行业近些年来所取得的成绩是显著的，但与国外产品相比仍存在较大的技术差距．国外已将许多先进技术应用在食品包装上．随着逆向工程技术不断地成熟完善，应用领域不断扩大，逆向工程必将发展成为一种能被食品包装行业普遍采用的技术手段，给企业和社会带来巨大的经济效益［3－5］．

逆向工程一般包括数据采集、数据处理和实体化模型3个阶段．

1 数据采集

在逆向工程中，准确、快速、全面获取实物的三维几何数据，即对物体的三维几何形面进行三维离散数字化处理，获得点云数据，是实现逆向工程的基础．根据测量方式的不同可以将数据采集方法分为接触式和非接触式两大类．接触式数据采集方法的优点是准确性和可靠性高，对被测物体的材质和反射性没有特别的要求，不受表面颜色的影响;缺点是由于采用接触式测量，测量过程存在摩擦力和弹性变形，且测量效率较低，不适于对软质、易碎、易变形、超薄样件进行测量，对尺寸小于测头直径的微细部分的测量受到限制．非接触式数据采集方法的最大优点是速度快、自动化程度高、不受样件材质和薄厚的影响，排除了摩擦力和接触压力引起的模型变形测量误差，测得数据量大，能充分反映被测样件的表面形状信息，适于各种复杂模型的三维高速测量;缺点是易受样件反射特性和环境光的影响．非接触式数据采集又可以分为线扫描和面扫描方式［6］．

本研究数据采集采用基于线扫描方式的柔性三维激光扫描系统，每秒钟采集数据点可高达23 000点，长度测量精度为0.04 mm，重复精度为0.02 mm．此系统可以智能快速地更换测头，不需重新标定即可实现样品的数据采集和对样品关键尺寸的测量．样品如图1，为一食醋瓶．由于扫描件属于反光模型，而所用测量仪又是激光测量系统，反光度太强，所以在扫描之前要将扫描件均匀喷上显像剂．采集样品的点云数据如图2，由分散的数据点组成．

图1 样品Fig．1 Sample

图2 点云数据Fig．2 Point cloud data

2 数据处理

数据处理主要包括数据预处理、多边形处理和构建曲面．用于逆向工程数据处理的软件有很多种，Geomagic Studio作为主流逆向工程软件之一，得到了广泛的应用．Geomagic Studio可与几乎所有主要的三维扫描设备和CAD/CAM软件进行集成．可根据实物模型通过扫描的点云数据生成准确的数字模型，能够作为一个独立应用程序运用于快速制造，或者作为对CAD软件的补充，可以输出包括STL、IGES 和 STEP 等标准行业格式的文件［7－8］．

2.1 数据预处理

数据预处理主要包括数据杂点的删除，数据的合并及筛减等．

由于在扫描过程中不可避免地扫描到样品以外的点，即获得的点云数据中存有杂点，因此数据预处理的第一步就是要删除这些杂点．选择Geomagic Studio工具栏中的选择工具选择杂点，直接按删除键即可删除杂点，若没有一次性删除大部分杂点，可以重复此过程，直至删除所有的杂点．

选择软件工具栏中的合并命令，设置合理的参数，如设置最大偏差为0.001，采用100%的采样，并选择最大三角数，将执行质量调到最大等．然后开始合并点云数据，将点云数据转换为三角化模型，形成多边形．数据预处理后的三角化模型如图3，是由众多小的三角形组成的曲线模型．

图3 三角化模型Fig．3 Triangulating model

2.2 多边形处理

多边形处理包括填充孔，删除钉状物，去除尖角和平滑等操作．

在点云数据的扫描过程中，会有一些地方数据扫的过少或者没有扫到，形成孔，这些孔在数据处理过程中需要填上．选择软件工具栏中的填充孔命令，在图形显示区域内会出现孔的个数，孔的边框会成绿色，单击绿色的边框即可填充孔，当孔的数量显示为零时即完成孔的填充．

填充孔后可以删除数据中的钉状物．如果模型中有突出的尖角，选择砂纸命令，将尖角打磨平滑．若尖角过大无法打磨平滑，需要将模型重新转换成点云数据，删除尖角处的点，再把点云数据转换成三角化模型即可．

最后，选择平滑工具，将平滑级别、强度、曲率优先等参数调到合适的值，完成对多边形模型的平滑操作．完成多边形操作的多边形模型如图4．

2.3 构建曲面

逆向工程中，曲面模型重建是最重要、最繁杂的一环，因为最后要完成模型的加工，需要的是平滑的曲面模型或是由良好的点群所产生的三角网格．比较成熟的技术主要有以B样条或NURBS曲面为基础的四边参数域曲面构造和以Bezier曲面为基础的三角形参数域曲面构造方法．构建曲面主要包含构建曲面片、构建曲面、合并曲面等步骤．

构造曲面片是按一定的算法，将三角化模型转换成有多个曲面片组成的NURBS曲面模型．选择工具栏中构造曲面片命令，设置合适的参数将三角化模型生成NURBS曲面模型．生成的曲面模型如图5，是由NURBS曲面片组成的曲面模型．

图4 多边形处理Fig．4 Polygon processing

图5 曲面片Fig．5 Segment of surface

将由曲面片构成的曲面模型，生成格栅，再选择合适的参数，将曲面拟合和合并，完成构建曲面的操作．使用转换工具，将曲面模型转换成IGS格式的CAD模型，并保留NURBS模型．生成的CAD模型如图6．

图6 CAD模型Fig．6 CAD model

3 实体化模型

逆向工程最后阶段的目的是生成实体模型．点云数据处理后的模型是曲面构成的而不是实体，在进行后续的制造或进行分析时所需要的模型必须为有厚度、有质量的实体模型，因此需要将曲面模型导入三维制图软件比如Solidworks进行实体化．

在保存成CAD模型时保留了曲面，在进行实体化前，需要将曲面缝合．选择缝合曲面命令同时选合并实体选项，点选模型中的各个面，完成对曲面的缝合．完成曲面缝合的模型如图7，是由曲面构成的无厚度、无质量的CAD模型．

图7 缝合曲面Fig．7 Suturing surface

选择加厚命令，将模型生成实体并加厚．创建一定的分型面，将实体化模型分成瓶身和瓶盖两部分．样品瓶嘴是规则形状，利用采集数据的柔性测量系统测量瓶嘴，并在软件中建立瓶嘴的实体特征．再利用抽壳命令，分别对瓶身和瓶盖抽壳，完成模型的实体化．实体化后的模型如图8，其是有厚度和质量等的CAD模型，可以利用此模型生成二维工程图，或直接生成数控代码，从而加工制造其样品．

图8 实体化模型Fig．8 Materializing model

4 误差分析

使用此柔性测量系统，将激光测头换成红宝石测量测头，设定公差为0.1 mm，测量样品的整体高度，测量数据如表1，为103.993 mm．

表1 实体高度Tab．1 Height of entity mm

在Solidworks中，测量根据获得的点云数据建立的实体化模型高度，测量数据如图9，为103.923 96 mm，则实体和模型的误差为0.069 mm．此误差完全符合产品的设计要求．

图9 模型高度Fig．9 Height of model

误差产生的原因主要有以下几点:

1)喷涂显像剂造成的误差;

2)测量数据时，由于采集方法和采集条件的限制，引起的误差;

3)在处理数据时，追求高质量要求，将模型数据删除或处理掉，从而引起误差．

5 结语

利用逆向工程技术对食醋瓶进行了逆向建模研究，获得了具有较高精度的食醋瓶实体化模型．研究表明逆向工程技术是一种对先进食品包装产品进行分析和再创造，实现食品包装新产品的开发和创新设计行之有效的方法，是促进我国食品包装行业快速发展的重要途径．

［1］王英惠，吴维勇．面向创新设计的逆向工程［J］．机械设计，2007，24(10):1-3．

［2］蔡克中，钟砚涛．现代产品设计中逆向工程技术的应用［J］．包装工程，2006，27(3):156-158．

［3］孟祥钊．食品包装设计理念［J］．包装与食品机械，2009，27(1):22-25．

［4］阎敏．关于我国食品包装发展的探究［J］．肉类工业，2009(9):49-51．

［5］庞芳．浅谈我国食品包装的发展现状及趋势［J］．中国科技纵横，2010(19):49-51．

［6］王亮德．逆向工程技术在复杂曲面零件设计与制造中的应用与展望［J］．制造技术与机床，2009(11):58-61．

［7］李孟，付平，孙圣和．三维激光扫描表面数据区域分割［J］．计算机工程与应用，2009，45(27):21-23．

［8］Xu Liang，Lin Minxu，Li Jianqiao，et al．Three-dimensional geometrical modelling of wild boar head by reverse engineering technology［J］．Journal of Bionic Engineering，2008(5):85-90．

(责任编辑:檀彩莲)

Research on Modeling for Vinegar Bottle by Reverse Engineering Based on Linear Scanning

TAO Chun-sheng， BAI Qiao， MA Song-bai
(School of Material Science and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China)

The concept，processes and research status of reverse engineering were introduced．The application of reverse engineering technology on food packaging was illustrated by introducing the process of rebuilding a model for a vinegar bottle，including acquiring point cloud data of a vinegar bottle，processing data and materializing model．The results showed that a high quality model of sample can be rebuit by reverser engineering．It is an effective method in innovation design on food packaging by reverser engineering technology．

linear scanning;reverse engineering;vinegar bottle

TS206.5

A

1671-1513(2012)05-0073-04

2012-08-27

北京工商大学青年教师科研启动基金资助项目(QNJJ2011-36)．

陶春生，男，讲师，硕士，主要从事食品机械、CAD/CAM应用等方面的研究．