逆向工程理念下产品设计开发的实践研究

陈 云

（安徽国防科技职业学院机械工程系 安徽 六安 237011）

逆向工程理念下产品设计开发的实践研究

陈 云

（安徽国防科技职业学院机械工程系 安徽 六安 237011）

根据逆向工程的工作流程，先利用激光扫描仪测量摩托车挡泥板的点云数据，然后用Geomagic Studio对点云分别进行点阶段、多边形阶段及曲面阶段处理，最后与UG平台相结合，重构摩托车挡泥板的CAD模型并导出数控加工代码。实践证明：RSVscan-Geomagic-UG的逆向工程设计既能保证产品设计品质，又能缩短产品开发周期，具有十分重要的工程实际意义。

逆向工程；Geomagic；点云；曲面；摩托车挡泥板

0.引言

随着工业技术的进步及制造业领域的快速发展，传统设计方法已经很难满足社会多样化的需求与快速响应，由此逆向工程顺势而生，它的诞生对产品设计开发手段的变革影响意义深远。

1.逆向工程定义及工作流程

逆向工程（Reverse Engineering，RE）也称反向工程或反求工程，是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，它不是简单意义的仿制，而是一个对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程，其最初思想来源于油泥模型到实物产品的设计过程，可直到20世纪90年代，才引起世界各国的高度重视。在产品造型日益多元化的今天，逆向工程技术也成为现代产品设计开发中不可或缺的一环，其在模具行业、航空航天、艺术品仿制、医学、服装及机械制造业有着广泛的应用，图1为逆向工程工作流程。

图1 逆向工程工作流程

产品的逆向设计开发是在没有设计图纸或图纸不完整的情况下，通过逆向工程技术，可以吸收和消化实物原型，对实物原型进行复制、修改及再设计优化，获得相同或改良的实物样件。

2.Geomagic Studio 软件简介

Geomagic Studio软件是美国雨滴公司开发的逆向工程软件，它可轻易地从实物扫描的数据（点云）构建出曲面（NURBS），通过后续处理获得原型样件的CAD模型。该软件主要功能包括：（1）实现点云数据→多边形的转换；（2）减少多边形的数目；（3）实现多边形→NURBS曲面的转换；（4）曲面误差分析；（5）输出与CAE/CAD/CAM 相匹配的STL、IGES、DXF 等文件格式。

3.工程应用实例

目前使用Geomagic Studio软件进行逆向工程的后处理没有统一标准可循，本文对摩托车挡泥板的逆向设计开发过程进行了深入的探索研究，并结合自身实践经验给出了处理方法，供大家探讨指正。

3.1 点云数据采集

为了实现摩托车挡泥板表面的数据采集，用非接触式3D CaMega三维光学扫描仪扫描获得，大致操作过程是：转台标定→待测物体平稳放置在转台上→设置扫描仪系统参数→拍摄，需要注意：待测实物表面应保持清洁干净，且不能反光，必要时可在其表面涂上化学物质（石膏、环氧树脂等），此外，点云采集数目越多，则Geomagic Studio软件里对于多边形的处理难度将会加大，因此，点云采集数目能少则少。

3.2 点阶段处理

Step1：将采集得到的点云数据加载到Geomagic Studio软件中，点击工具对齐进行手动注册，按住Ctrl键选中Model1、Model2，选n点注册→固定点（合并的点1）、浮动的点（合并的点2）选中后再点注册器，同理，进行第三片点云注册，三片点云合并为一个整体；Step2：进行全局注册，得到更加精确的模型；Step3：联接点对象、删除体外孤点、减少噪音（扫描过程中，会产生噪声元素，这些噪声数据出现在一些粗糟、不平整的表面，且扫描设备的轻微震动也会产生噪声数据）、统一采样，最后点“合并”，得到一个清晰的整体模型。

3.3 多边形阶段处理

Step1：清除球目标，填充孔，系统对所选孔洞进行修补；Step2：使用网格医生，检查模型中的缺陷并自动加以修复多边形网格内的缺陷；Step3：使用去除特征、松弛多边形命令，减少三角面的数量及单独多边形间的角度，使模型表面更加光顺，三角网格更加规整、平滑；Step3：点击“删除钉状物”，展平多边形网格上的单点尖峰；Step4：使用编辑边界命令，把不规则或锯齿状的自然边界变得平滑，控制点尽量缩小，张力可改为0.05；Step5：增强表面啮合，在高曲率区域增加点而不破坏形状；Step6：薄片裁剪，任选两点连线创建，“删除所选择的”的勾去，点确定；Step7：再次使用网格医生。

3.4 曲面阶段处理

Step1：进入精确曲面工具栏下的探测轮廓线（编辑轮廓，删除岛，把没有选到的轮廓选中）对话框，点击“计算、抽取”；Step2：进入编辑轮廓线对话框，点击“细分、接受”；Step3：构造曲面片，选中“自动估计”，曲面分成多个曲面片，近似90°的四边曲面放置在这个多边形曲面上；Step4：修理曲面片，对相交路径的曲面片进行修改；Step5：使用 “移动面板”命令，重新分布曲面片，把曲面片排布整齐均匀；Step6：使用“构建栅格”命令修复相交区域，生成蓝色的网络状网格，把曲面片分得更细 （每个曲面片里会产生更小的曲面片）；Step7：拟合曲面（将曲面片拟合为理想的NURBS曲面）；Step8：偏差分析（检查拟合是否达到预期效果），偏差在-0.0392~+0.0392mm范围，误差较小，拟合效果好。注：以上每个处理阶段的操作顺序不唯一，以处理好为目的。

3.5 NURBS曲面构建过程

由前所述，基于Geomagic摩托车挡泥板的逆向NURBS曲面构建过程可用图2表示，创建的NURBS曲面如图3所示。

图2 摩托车挡泥板的NURBS曲面构建过程

图3 挡泥板NURBS曲面

图4

4.后续处理

NURBS曲面构建完成后，可将数据以STL、IGES、DXF等文件格式输入到CAE/CAD/CAM，进行后续处理。例如：将其与UG软件相结合，把IGES格式文件导入UG里，对片体进行加厚、缝合，并对其进行细节上的修改，使其成为预期的实体模型，然后调整好坐标系（由于是两个不同性质的软件，零件的工件坐标系在两个软件里是不同的），如图4所示。接着在调整好的挡泥板周围拉伸矩形毛坯并做出与挡泥板相同的凹模型腔，如图5所示；进入编程界面用型腔铣粗加工凹模型腔，并设置参数生成刀轨。最后，进如UG的加工模块，待数控仿真无误后，生成各道工序的加工代码，如图6所示，把程序代码导入数控机床进行加工。

图5

图6 NC代码

5.设计总结

（1）采集数据是曲面重构的基础，使用三维光学扫描仪采集数据时，应掌握拍摄技巧，不然会影响实物测量的精度，给后续处理带来麻烦。

（2）点处理阶段比较重要的是进行统一采样（目的：保留物体原来形貌的同时减少点云数目，便于删除重叠点云及稀释点云），点云数量精简的不到位将会直接影响后期多边形阶段的三角形数目，导致后期处理上的困难程度，一般会设置绝对间距为0.4mm，曲率优先设置在中间。

（3）划分曲面片时，尽量使每块曲面片的曲率变化均匀，这样拟合曲面时就能更好的捕捉点云的外形，降低拟合误差。

（4）曲面重构的一个重要目标是曲面光顺，但一味地提高曲面的光顺度会降低曲面精度，因此，要把握好光顺与精度之间的平衡。

（5）点、多边形及曲面处理阶段，务必确保被处理的对象保持原有特征，若原有特征失去，则处理结果没意义。

（6）由于逆向设计的每个环节都存在不同程度的误差，其大小直接影响重构模型的精度，因此，为了获得高质量的模型，应从测量设备选择、测量环境、点云数据处理方式等方面着手尽可能减小误差。

6.结语

利用三维激光扫描仪、Geomagic Studio及UG软件完成了摩托车挡泥板的逆向工程设计开发过程，实践表明，该技术可显著提高产品设计效率，缩短产品开发周期及交货时间，降低成本，开发出更多经济、实用、美观的产品，为增强企业市场竞争力打下坚实的基础。

［1］陈雪芳，孙春华.逆向工程与快速成型技术应用[M].北京：机械工业出版社2013:1-5.

［2］王鑫.基于Geomagic软件的汽车保险杠逆向工程设计[J].新技术新工艺2008(11):53-55.

［3］孔垂雨，张亚军等.便携式关节臂测量机和Geomagic Studio在曲面逆向工程中的应用[J].现代制造工程，2013(9):35-38.

［4］栗全庆，王宏等.实物反求工程的关键技术分析[J].机械设计，1999，6(6):4-7.

［5］李江雄，柯映林等.基于实物的复杂曲面产品反求工程中的CAD建模技术[J].中国机械工程，1999，10(4):390-393.

TH128

A

2095-7327（2017）-10-0149-02

2015年安徽高校省级质量工程资助项目“机械设计与制造特色专业”（项目编号为2015tszy074）。

陈云，男，硕士研究生，安徽国防科技职业学院机械工程系讲师，助理工程师，主要从事机械工程教学及研究工作。