基于逆向工程的农用电动汽车壳体造型设计

张富明+路春光+张建宝+王辉+黄塨+于玉真

摘要：在产品的设计过程中，有正向设计和逆向设计2种建模方法。采用了Artec Studio和Geomagic Studio软件相结合的方法进行逆向数据处理，再运用正向设计和逆向设计相结合的建模方法对零件进行设计。以Artec Studio、Geomagic Studio和Croe 2.0软件为平台，利用逆向工程技术得到已有零件的数字化模型，以此为参考，再通过正向设计最终建立另一零件的数字化模型。该方法提高了产品的设计效率，开辟了建模的新途径。最后进行实例应用，对扩展到其他设计领域具有现实意义。

关键词：正向设计；逆向设计；建模方法；数字化模型；数据处理

中图分类号： TH164；S229+.1 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）09-0341-03

作为产品开发设计的一种手段，近年来逆向工程得到了快速发展和广泛应用。逆向工程是将实体转换为数字化模型的一门技术，它利用反求得到三维实体的数字模化型[1-2]。

在产品设计和制造过程中，有一部分器件是从厂商直接购买得到，另一部分器件是根据设计要求进行设计。农用电动汽车的壳体造型设计是一个典型实例，其曲面造型是一个复杂的设计过程，农用电动汽车的车灯是从厂商直接得到的实物模型，壳体造型要根据车灯曲面和设计要求来完成。这时，一部分产品设计需要运用逆向设计的建模方法，一部分运用正向设计的建模方法。因此，在造型设计过程中，综合运用正逆向混合设计的建模思想，是解决问题的一种有效途径。逆向设计具有强大的数据处理功能，对复杂曲面设计优势显著，正向设计在实体建模中有强大功能[3]，因此，提出了基于Artec Studio、Geomagic Studio和Croe 2.0软件的正逆向混合建模方法，来实现对产品的造型设计。

1 正逆向混合设计的一般流程

正逆向混合建模设计的一般流程[4]：（1）利用三维测量系统获取要测量物体的外部模型点云数据。（2）经过逆向软件对数据进行处理，使其达到符合要求的点、曲线、曲面的数据，保存成OBJ、IGS或STP格式文件。（3）导入正向设计软件中，在原有数据模型的基础上运用正向设计软件进行设计，从而实现正逆向的集成设计。（4）运用快速成型技术对产品进行校验。

图1为正逆向混合建模技术的流程图，这种方法集成了正向设计和逆向设计的双重优势：既保留了逆向设计在复杂曲面设计中的强大优势，又包含了正向设计对实体造型建模的强大功能。作为建模的一种新手段，该方法有效解决了对已有零件轮廓曲线建模困难的问题，从而更好地完成产品的造型设计。

2 数据采集

采集数据质量的好坏对建立最终模型的精度起着极其重要的作用，为了获得准确完整的扫描数据，须在前期做好合理的扫描规划，以便对扫描的数据进行后期处理[5]。

数据采集的主要测量方法有非接触式测量和接触式测量，其中非接触式测量方法具有较高的测量效率和广泛的适用性。此次数据采集以Artec-Eva手持扫描仪为测量工具，该设备不需校准程序，扫描速度快，能够获得高质量的点云数据。

数据采集的步骤：第一，扫描前在被测物体表面喷上1层显像剂；第二，将被测物体固定在工作台上，打开软件，手握扫描仪开始进行扫描；第三，在扫描的过程中要全方位、多角度平稳扫描，注意扫描的盲区和死区，对曲面线条复杂区域进行详细扫描；第四，保存扫描得到的数据文件。在扫描过程中人机需要合理配合，对模型的曲面进行详细扫描，以保证测量到足够的点云数据，真实地反映出曲面形状[6]。

3 数据预处理

Artec手持扫描仪得到的点云数据，自动在Artec Studio软件中生成sproj格式的文件。首先在Artec Studio软件中进行初步的数据处理，再将模型数据导入Geomagic Studio软件中进行详细的数据优化处理。

3.1 基于Artec Studio软件的数据处理

数据处理是逆向建模的关键环节，其结果直接影响最后建模质量的好坏。Artec Studio支持多种3D文件格式的读取和转换，支持对大量点云数据的预处理。

基于Artec Studio软件的数据处理过程主要包括：编辑、数据拟合、配准合成和边缘处理等过程。编辑主要是为了清除外点和噪点，删除与模型无关数据点；数据拟合的目的是为了将多个图像数据融合成1个3D模型，得到1个单一的三角网格；配准是为了获得准确的位置精度，减小模型数据表面误差；边缘处理主要是对曲面孔洞进行修补，形成1个完成的曲面。

此过程的目的是对扫描得到的数据文件进行初步处理，由于Artec Studio软件对数据处理有一定的局限性，要得到完整精确的数据模型还需导入Geomagic Studio软件中，进行进一步的数据处理。

3.2 基于Geomagic Studio软件的数据处理

Geomagic Studio软件同样支持多种数据格式的读取和转换，能实现三角面、NURBS曲面和点云数据的智能转换和构建。将文件以OBJ格式的文件导入Geomagic Studio软件中做进一步详细的数据处理。

Geomagic Studio软件的数据处理过程主要包括：清除外点和噪点、数据简化、网格医生处理、光顺曲面、生成曲面等。清除外噪点是对点云数据的优选处理，进一步清除在Artec Studio软件未被清除的外点和噪点；数据精简是为了减少大量的数据冗余，提高数据处理效率；网格医生可对多边形进行分析检验，并对多边形表面进行修补处理；光顺曲面可以去除对象上的变性特征，对于变形较大的部位，先删除该部位的几何形状，再基于曲率来填充空缺；光顺曲面后生成NURBS曲面，NURBS曲面的优点是通过调整特征曲线的局部数据点来改变曲面片层，而不会对整个曲线和曲面造成较大影响。

4 基于Creo 2.0软件的正逆向集成建模

处理后的数据模型保存成CAD/CAM能够读取的格式文件，如IGS、STP、OBJ等，然后导入Creo 2.0软件中进行集成建模。

在Creo 2.0软件中，可以对模型进行重构，对局部曲面或是整体曲面进行细微调整，得到最优曲率的曲面。曲线曲面的创建是以扫描得到的点和截面曲线、特征线和边界线为参考基准来创建的，可以通过调整各个曲线的曲率来得到理想的曲面，可以用着色曲率分析工具对曲面进行曲率分析，验证曲面的光顺程度。

在导入特征标识前，插入坐标系和基准平面，再以扫描得到的模型为参考，运用边界混合和造型命令对另一个零件进行正向建模设计，再根据设计要求，完成另一零件的设计，从而实现正逆向结合的集成建模。

5 农用电动汽车壳体造型的应用实例

以农用电动汽车壳体造型设计为例，车灯模型为已有的曲面模型，这时需要逆向技术获取车灯的数据。在数据采集过程中要全方位平稳扫描，扫描后得到多个数据文件，分别对得到的模型数据进行初步处理。

由于人为因素和环境因素导致噪点的出现，需对噪点部位进行初步除噪。然后对多个扫描数据文件进行两两拟合[7]，融合成1个3D模型，结果如图2所示。

拟合后为了保证模型数据的位置匹配精度，需对模型数据进行细微配准[8]，由于车灯的外围轮廓曲线、曲面比较光滑平缓，所以选择光顺形式合成，得到光滑的自由曲面。

细微配准合成后对模型棱角突出的地方，用光滑擦进行光顺处理，去除毛刺。对存在漏洞的模型曲面，运用边缘工具进行填补，从而获得1个相对完整的模型数据。补洞前后的模型如图3所示。

将数据处理的初步结果保存成OBJ格式文件，导入到Geomagic Studio软件中进行进一步的数据优化处理。在Geomagic软件中，对农用电动汽车车灯数据处理主要包括：清除外点和噪点、数据简化、网格医生处理、光顺曲面、生成曲面等[9-10]。

虽然在Artec Studio软件中已经进行了外点和噪点的清除处理，但是为了保证数据的准确性，在Geomagic Studio中仍需做进一步的处理。将模型数据转换成点云数据，运用软件自动检测外点， 系统会选择在拐角处离主点云很近但不属于主点云的点，然后删除对象；还可用选择工具进行手动移除。改变平滑度水平，打开显示偏差，设置预览点为3 000，代表被封装和预览点的数量。处理的结果如图4所示。

将点云数据模型重新封装成三角面模型，运用网格医生对模型数据进行分析检验，检测出钉状物318处，高度折射边9处，自相交5处，图5为分析检验结果，对其进行剔除修正，得到结果如图6所示。

上述处理后仍然可能存有大量数据，在运用软件进行拓扑关系运算时，占用计算机很大的内存，从而减缓计算机的运行速度。如果对模型的精度要求不高，可以在保证数据精度的前提下进行简化数据，在Geomagic Studio设置1个改变减少百分比就可以实现对数据的精简效果。数据精简后可能造成车灯表面不光顺问题，利用Geomagic软件中的去除特征、砂纸、松弛、边界编辑等命令对表面进行光顺处理。如图7所示，处理后模型的波纹明显减小。最后进行NURBS曲面创建，NURBS曲面更方便控制曲面的曲线度，从而设计出更加生动逼真的造型。参数化曲面后软件自动生成NURBS曲面，对轮库线进行局部微小调整，使其轮廓更加接近车灯的真实轮廓，同时也要保证整体轮廓的相对完美性。

目前，CAD/CAM软件系统能够读取的数据文件格式包括OBJ、IGS、STP等[11]。将处理后的车灯数据模型保存成OBJ格式，导入Creo 2.0软件中进行造型建模。在Creo软件中也可以对局部曲面或是整体曲面进行适当的修改，从而设计出更加完美的车灯。打开汽车车灯的三维模型，在特征标识前建立坐标系和3个基准面，在基准面、坐标系和车灯模型的基础上运用边界混合和造型命令进行壳体曲面的建模设计，从而得到理想的前脸造型，造型结果如图8所示。

6 结论

每个软件都有其在某方面的独特优势，各类软件优点的综合应用是建模设计的必然选择。本研究提出将ArtecStudio、Geomagic Studio和Creo 2.0相结合的建模方法应用于产品的开发设计中。一方面，Artec Studio和Geomagic Studio相结合处理模型数据，极大地提高了模型数据的处理精度和准确性，减小了与实际物体的尺寸误差，保证了模型的精确度，为正逆设计提供了前提基础；另一方面，将逆向设计软件和正向设计软件的优点巧妙结合，实现了双方的优势互补，提高了产品的设计效率，具有很高的实用价值。

参考文献：

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