面向产品创新设计的逆向工程技术实验教学

成思源， 张中宝， 杨雪荣， 张湘伟， 王小康

(广东工业大学 机电工程学院， 广州 510006)

0 引 言

随着高等教育的不断发展，创新能力的培养在实践教学中也愈加重要[1-3]。对于机械类专业的学生，在本科期间不仅需要熟练掌握本专业知识和技能，还应具备一定的创新设计的能力[4]。在数字化技术推动社会快速发展的趋势下，通过吸收先进的技术来增强自身的竞争能力，对于企业可持续发展具有至关重要的作用，而逆向工程(Reverse Engineering,RE)技术是实现在已有产品实物基础上进行快速创新设计的重要途径。

因此，通过开设面向产品创新设计的RE技术实验，在已有实物基础上进行创新设计，对于提高本科生的实践能力，并有意识地加强创新设计的培养，具有重要的作用[5-6]。在实验教学环节中，学生通过使用RE技术来实现实物产品的建模，在此基础上开展创新设计，不仅能提高学生消化吸收现有产品设计意图的能力，更能锻炼和提高创新意识和能力，为今后参与企业实践或科研工作打下良好的基础。

1 面向产品创新设计的RE技术实验

RE是指从产品实体转化为CAD模型，并在CAD模型的基础上进行一系列解剖和分析，同时也是一种技术再现的过程[4]，是实现产品创新设计的重要手段。将RE和快速成型(Rapid Prototyping,RP)技术相结合，能够大大减小产品开发周期和成本，为产品的创新设计和开发提供了更高效的方法。在机械类专业开设面向产品创新设计的RE技术实验教学，能让学生掌握RE的理论知识，并熟练使用逆向软件对产品进行创新设计，有效地提高学生的工程实践、分析解决和创新设计能力[7-8]。规划的实验流程如图1所示。

图1 实验流程示意图

由图1可知,主要实验流程有:① 通过三维测量设备来获取实体表面的点云数据；② 将点云数据导入到专门的数据处理软件中进行预处理；③ 对数据进行曲面拟合进而构建实体模型；④ 在实体模型基础上进行创新设计和正向建模；⑤ 获得新产品的CAD模型。

2 关节臂测量机的点云数据采集

关节臂式测量是三坐标测量机的一种特殊机型机，如图2所示，可配选多种测头，具有扫描检测、三坐标测量、弯管测量等多种功能。如用于点云数据的采集和常规尺寸检测，可配选触发式测头；如用于RE的实体表面密集点云数据的采集，可配选激光扫描测头。本实验教学所用测量设备是Hexagon公司的Romer Ineinite 2.0系列关节臂和Perceptron公司的ScanWorks V4i激光扫描头[9]。

图2 关节臂测量机

点云数据采集实验流程如下：

(1) 实体表面处理。实验室使用关节臂测量机来采集模型表面的点云数据。数据采集前需要对所有要数据采集的实物表面清理干净，对于扫描的模型是反射效果较为强烈的材质，CCD将无法正确的捕捉到反射回来的激光，需要通过喷施着色剂来增强模型表面的漫反射，使CCD正常工作。

(2) 数据采集的原则。把实物放置在可扫描范围之内。在扫描过程中不能移动物体，关节臂的激光扫描测头与物体表面保持在150 mm左右，测头对着物体表面的法线方向沿着特征线移动；从曲率变化较小的面开始，一个面扫描完后，接着转到相邻面扫描；在采集到整个物体表面的大部分数据点后，一般需要暂停，从各个方位转到数据，检查纰漏，如需追加扫描，继续扫描以达到完整的数据[10]。

本实验以熊本熊手机壳(见图3)为例，该手机壳内外侧表面形状复杂，需要多次扫描来采集整个物体的点云数据；对手机壳进行喷施着色剂来增强模型表面的漫反射，如图4所示。分别对手机壳的内侧、外侧进行扫描。图5为熊本熊手机壳内侧、外侧的点云数据。

图4 着色后的熊本熊手机壳

3 基于Geomagic Studio的逆向建模

Geomagic Studio是一款逆向建模软件，可将采集到的点云数据进行一系列处理得到多边形数据，并将处理好的多边形数据来创建出逼近原点云数据模型和光顺的曲面模型。其处理阶段分别为点阶段、多边形阶段和曲面阶段。

3.1 点阶段处理

在RE中，点阶段处理是模型扫描后的第1步。在数据采集时，通常会由于环境因素或者工作人员经验等原因，会使点云数据包含大量噪声，因此需要去除多余的点，减少噪声。点阶段主要是对采集到的点云数据进行一系列预处理，包括去除非连接项、去除体外孤点、采样等处理[10-11]，从而得到一组完整而高质量的点云数据。点阶段操作流程如图6所示。

图6 点阶段操作流程图

使用Geomagic Studio软件对点云数据进行处理，首先将点云进行着色，删除内、外侧两组数据中的无关数据(工作平台等)，然后根据两组数据重合部分的多个公共特征点来使其合并成一组数据；通过删除非连接项、体外孤点，来删除偏离主点云的点集和孤岛；通过减少噪声来使数据更加平滑；由于点云数据合并后数据量比较大，影响后续操作中计算机的计算速度，所以将数据进行曲率采样，可减少点云数据且保持点云曲率明显部分的形状；最后将数据进行封装，如图7所示。

3.2 多边形阶段处理

在RE中，多边形阶段处理是在点云数据封装后进行一系列的技术处理，从而得到一组完整的理想多边形数据模型。点云数据封装后转换为多边形网格，由于点云数据的缺失、噪声、网格化算法缺陷等原因，转换后的网格会出现网格退化、自交、孤立、重叠以及空洞等错误，为得到一组完整理想的多边形数据模型[12]，其多边阶段操作流程如图8所示。

图8 多边阶段操作流程图

多边形阶段处理流程并没有严格的顺序，对于不同实物的具体问题应当选择相应的操作。熊本熊手机壳的多边形模型经过多边形阶段处理后，模型效果如图9所示。

3.3 曲面阶段处理

曲面阶段处理是从多边形模型进行一系列的技术处理后得到一个理想的曲面模型。首先根据探索出模型的轮廓线，并对轮廓线进行编辑，通过轮廓线将模型整个表面划分并构造曲面片；然后将曲面片经过格栅处理，最后将每个曲面片拟合成NURBS曲面，并进行曲面合并，得到曲面模型[13-15]。将封闭的曲面模型保存iges格式的实体模型。曲面阶段操作流程如图10所示。熊本熊手机壳的多边形模型经过曲面阶段处理后，模型效果如图11所示。

图10 曲面阶段操作流程图

4 逆向建模的产品创新设计

实体模型经过逆向建模后，将输出的封闭曲面模型转化为实体模型导入到正向软件中进行产品的创新设计。产品的创新设计流程如图12所示。

图12 产品的创新设计流程图

4.1 创新设计

产品创新设计首要任务就是明确创新方向，接着对实体模型进行解剖，最后完善结构设计。下面以学生实验为例说明。

(1) 明确创新方向。随着信息化时代的快速发展，智能手机的普及率已经大幅度的增加，由于智能手机的方便与快捷，人们对其也越来越依赖，甚至难以离开它。然而，在使用智能手机操作复杂任务时，往往离不开手机发热的问题。针对手机发热的问题，提出一种降温手机壳设计。

(2) 概念设计。设计降温手机壳，需要明确手机发热源，主要发热源有电池、CPU和GPU。CPU和GPU一般放置在摄像头的一侧(左或右)，面积小且发热量大；电池放置在摄像头的下侧，面积较大。因此设计的冷却液系统应放置在模型内侧表面上，并通过在对应熊本熊手机壳模型上的耳朵部位设计气泵，使冷却液能在冷却系统均匀流动。

(3) 结构设计。要使逆向建模后的熊本熊手机壳内侧表面上附着冷却系统，则需要对手机壳内侧进行建模，使得冷却系统能够更好配合到手机壳内侧表面上。冷却系统可以设置为抽空的冷却管道(对应CPU和GPU位置上)和冷却水槽(对应电池位置上)，冷却管道中注入冷却液。并在熊本熊手机壳上的耳朵内侧放置气泵，通过反复的外力挤压两边的气泵，冷却系统可以使冷却液在冷却管道中均匀的流动，让局部发热过大位置的高温冷却液与低温冷却液达到交换的效果，提高冷却液冷却的效率。

4.2 正向建模

将逆向处理后的实体模型导入到Pro/ENGINEER软件中进行建模。降温手机壳主要分为壳体和冷却系统。冷却系统由气泵、冷却管道、管道底盘组成，附着在壳体内侧表面上，气泵与熊本熊手机壳模型上的耳朵处进行配合设计。设计效果如图13所示。该设计方案目前也已提交了专利申请。

(a) 壳体(b) 冷却系统(c) 整体效果

图13 设计方案效果图

5 结 语

随着目前对本科生创新意识和能力培养要求的提高，通过运用RE技术，在已有产品实物基础上实现创新已成为机械类以及材料成形类专业学生应掌握的一项重要设计方法[16]。通过开设面向产品创新设计的RE技术实验教学，不仅可以使学生了解RE解决方案的总体思路，熟练掌握RE技术，而且将有利于锻炼和培养学生的创新意识，有效提高学生的创新设计能力。