基于逆向工程技术的产品设计

摘 要：以移动电话底座为例，详细介绍了基于逆向工程技术的产品研发工艺流程，达到了产品的预期外观和功能效果，实现了移动电话底座的工业产品设计工作。

关键词：逆向工程技术;数据采集;点云处理;模型重构

中图分类号：TB472文献标识码：A开放科学（资源服务）标识码

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.02.006Open Science Identity（OSID）

基金项目：河南省科技攻关项目（182102210038）

作者簡介：李伟（1984-），男，河南商丘人，本科，讲师，研究方向：智能制造，E-mail：404378623@qq.com。

随着计算机技术、信息化、新工艺的飞速发展，逆向工程技术在工业产品研发领域占据了非常重要的地位。逆向工程技术也称为抄数工程或者反求工程技术，是在只有产品概念图或者效果图的条件下，按照比例制作产品的模型，借助于计算机数据采集系统和三维扫描设备，通过计算机数据处理软件和模型重构软件，最终获得产品CAD模型的一种工程技术方法。逆向工程技术的工艺流程主要分为数据采集、点云处理和模型重构三个阶段，它的成功应用，克服了CAD复杂模型直接建模难的问题，有效缩短了产品的研发周期;并且在成型工艺要求的条件下设计相应的功能结构，分割产品，降低了产品的生产成本。

1 移动电话底座的数据采集

数据采集就是借助于三维扫描仪和计算机数据采集软件，获取移动电话底座点云数据的工作过程，本文采用的是某公司的单目结构光三维扫描仪及其配套的扫描系统。

1.1 单目结构光三维扫描仪

本文采用的单目结构光三维扫描仪是一种单相机、单投影的结构光三维扫描设备，采用时域编码结构光技术，根据相位法和三角法解析条纹曲率变化，精确计算出每个像素在物体表面上对应的空间坐标点信息，实现了便携性、快速度和高精度的特点。

1.2 移动电话底座模型的处理

使用非接触式光学三维扫描仪采集数据，模型表面对光线的敏感度、环境的明暗程度以及扫描过程的振动情况，都会影响到点云数据的精度，而且要想获取模型表面完整的点云，需要经过多方位的多次数据扫描，故需要对模型进行扫描前处理，主要包括表面处理、粘贴标识点。

（1）模型的表面处理。模型对光线的敏感度主要分为三种情况：反光、透光和吸光，这三类模型必须对其表面进行喷洒白色显像剂处理，显像剂不能太厚，要薄薄的、均匀的喷洒一层，以求保证点云采集的数量和精度，移动电话底座模型的喷粉效果如图1。

（2）粘贴标识点。对于一些结构复杂或者外形较大的模型，需要多次扫描，要根据扫描的视角和模型表面的特征，粘贴一些标识点，标识点的主要作用是保证前后两次扫描点云自动拼接的质量，是多视角注册拼合的特征点。标识点一般是外黑内白的专用标记点，按照白色的直径大小有规格之分。移动电话底座模型的粘帖标识点状况如图2。

1.3 数据采集扫描方案的制订

为保证扫描工作有序、高效、高质量的完成，根据产品的结构特点，要制订必要的扫描规划，包括模型的放置角度、扫描的大致次数、是否采用转盘、粘帖标识点的位置和数量。移动电话底座模型的扫描放置位置如图2。

经过以上三个工作步骤的实施，移动电话底座的点云文件如图3。

2 点云处理

在扫描的过程中，不可避免地产生了一些不必要的点、精度不高的点和较多数量重复的点，需要去除或者精简;同时也会产生一些扫描不完整和标识点遮挡的缺失部分，需要针对性的弥补。Geomagic Wrap 软件拥有点云和多边形编辑功能的综合工具箱，通过相应指令的操作可以以较容易、低成本、快速而精确的方式编辑多边形和曲面模型。

对移动电话底座的点云文件分别进行减少噪声点、删除钉状物、补洞、边界修补等操作处理，最后封装得到的小三角形面片结构的文件如图4。

3 模型重构

将封装后“.stl”格式的移动电话底座文件导入到Geomagic DesignX软件中，对数据模型进行了划分领域和对齐操作，见图5。

根据数据模型的结构特点，将建模思路分成底座前面凸台、底座后面支撑和底座中间电话放置三个部分，中、前部分的建模方法按照实体、曲面、曲面修剪实体的思路进行实施，见图6;后部支撑部分曲面比较复杂，按照曲面拼接、缝合成实体的思路完成建模，见图7。最后应用特征编辑模块的曲面缝合、实体倒圆角等相关命令，对局部的细节结构特征进行处理，得到最终的产品CAD模型，见图8。

4 精度分析

使用Geomagic DesignX中的 “Accuracy analysis” 模块，打开体偏差按钮，精度分析色差图显示见图9，产品造型的主要功能结构部分精度都处于即±0.1 mm之内，基本实现了模型重构的目标。

参考文献：

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