基于逆向工程技术的消防分水器设计与研究

陈周五

(安徽工业经济职业技术学院机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230051)

0 引言

逆向工程技术是一种产品设计技术反求的过程，是以现有产品为模型，利用测量设备获取产品的点云数据，进而重构该产品CAD模型的一种设计方法[1]。现有某企业消防分水器，产品原始技术资料丢失，需对该产品进行重构CAD模型，改进其结构以满足更高的水压要求。

1 原始点云数据采集

获得原始产品表面点云数据是进行产品逆向工程设计的前提。点云数据可以通过采集设备获得，为了满足不同的采集需求，采集设备分为接触式与非接触式。在此次研究过程中，采用非接触式的三维激光扫描采集设备，此设备具有操作灵活、测量精度高的优点，可以精确获取原始产品表面各离散点的三维坐标、大小和法向量等物理参数。

本文利用实训室现有的北京三维天下科技有限公司开发的Win3DD三维扫描仪来获取消防分水器的原始点云数据。消防分水器的点云数据采集过程如下。

1)标定。借助标定设备，按照给定的方式获取扫描头最佳的采集范围，从而得到高精度的点云数据空间三维坐标[2-4]。标定精度越高，扫描获取的点云数据精度越高，该款扫描仪标定平均误差0.1 mm以下即可采集数据，该产品标记点粘贴及表面处理的最终效果如图1所示。

图1 标记点粘贴及表面处理

2)扫描策略。为了采集高质量的点云数据，在采集数据之前主要从标记点的粘贴、产品表面处理、扫描策略等方面进行分析。

该款消防分水器整体结构较大，需要进行多次多视角的测量，在合适位置粘贴若干标记点，通过标记点位置将多视角测量数据自动拼接进而转换到统一的坐标系下，以获得完整的表面点云数据。亚光白色产品的表面数据采集效果最为理想。该款消防分水器材质为铸铝材料，表面颗粒感较强，在进行产品表面数据采集时，容易因表面反光、材质等问题导致测量数据中存在噪声，使采集数据质量变差。因此，在进行点云数据采集前，需要在产品表面喷涂一层薄薄的白色显像剂。扫描策略有：手动拼接、标记点拼接以及转盘扫描拼接。由于该产品整体为左右、上下对称的结构，上下表面的过渡面较大，在扫描过程中配合转盘扫描，便于实现上下表面的点云数据拼接，以获得该产品完整表面点云数据。

2 原始点云数据处理

原始点云数据处理是进行产品逆向工程设计的基础，由于扫描仪设备导致的精度误差、周围环境导致的采集误差、采集人员的操作误差和策略误差等，采集到的原始点云数据中存在大量的冗余点、噪声点、孤点等无用点云数据，这些无用点云数据对产品的逆向建模带来很大影响，直接影响产品设计的最终质量。因此，需要对无用点云数据进行处理，修补原始点云数据缺陷，以满足逆向建模质量需求。

利用Wrap软件进行原始点云数据处理的基本流程为：

1)点对象处理。主要处理原始点云数据中大量的冗余点、噪声点、孤点等无用点云，并将有用点云数据移至0.05 mm的偏差范围内，以弥补扫描设备的误差，使点云数据排列更加平滑。通过“非连接项”“体外孤点”“减少噪音”等操作命令，完成该产品原始点对象的处理，最终的处理效果如图2所示。

图2 点对象处理最终效果

2)多边形对象处理。处理完成后的点对象经过“封装”处理后转变为三角面片数据，进而可直接转换为NURBS曲面。由于点云数据的误差，生成的三角面片数据仍然存在钉状物、高度折射边、自相交、小组件、非流形边等缺陷，需要通过“删除钉状物”“填充孔”“网格医生”“减少噪音”等操作命令，对三角面片进行修补。三角面片的表面平滑度还可以通过“去除特征”命令进行处理，进一步减小三角面片表面误差，提高产品逆向建模的表面质量。该消防分水器经多边形对象处理后的最终效果如图3所示。

图3 多边形对象处理最终效果

3 点云数据逆向建模

点云数据逆向建模是消防分水器设计的关键步骤，根据上述获得的点云数据可以实现产品表面曲线与曲面的重构，最终得到产品重构后的CAD模型。该CAD模型既要能够反映产品整体设计思路，又要满足产品精度和表面光顺度等要求。

此次研究采用Geomagic Design X进行逆向建模设计，该软件可以直接利用采集到的点云数据进行CAD模型的3D逆向创建。逆向建模的基本流程为：

1)点云数据坐标系摆正。导入Design X软件中的点云数据与系统坐标系存在不统一的问题，一方面不方便后续的产品逆向重构，导致与其他CAD软件不能实现有效衔接；另一方面也不符合产品设计或制造的要求，无法实现产品的生产。该消防分水器整体结构呈左右、上下对称，在对齐点云数据坐标系时，将相应对称面位置选作基准面，利用“手动对齐”功能将该产品的点云数据摆正。

2)产品重构。Design X软件既可以按照产品设计思路重构CAD模型，也可利用“自动曲面创建”功能实现CAD模型重构。“自动曲面创建”功能对原始点云数据的质量要求比较高，但CAD模型的重构效率也较高，适合用于对产品精度要求不高的非机械类产品。该消防分水器是典型的机械类产品，尤其是对内表面质量要求较高，因此按照以下步骤进行模型重构：

第1步,逆向重构应还原产品原始设计思路，以免影响产品的最终再现效果;第2步,该消防分水器是对称类结构产品，在重构时应严格保证最终的对称效果;第3步,在逆向建模过程中，可利用“体偏差”功能，实时关注CAD模型与原始点云的误差情况，进而调整相关参数，以满足逆向设计要求。

该消防分水器重构CAD模型的最终效果如图4所示。

图4 重构CAD模型效果

4 CAD模型质量分析

CAD模型质量分析是进行产品逆向工程设计的保障。利用点云数据重构的CAD模型，由于建模方法存在尺寸误差和精度误差，会造成建模数据与产品的实际数据间存在些许误差。为了提高逆向建模质量，需要获取CAD模型与原始产品的各项误差数据，因此需要对重构CAD模型与产品原始点云数据进行检测，并对检测数据加以分析。

Geomagic Control软件是一款功能强大并且非常专业的三维检测工具软件，可实现快速检测重构CAD模型与产品原始点云数据、产品制造件之间的差异，进而降低整个设计流程中的潜在风险。利用Geomagic Control软件进行数据检测的基本流程为：

1)数据对齐。将重构CAD模型与原始点云数据导入Control软件，通过各种“对齐”操作方式将CAD模型与原始点云数据完全对齐，实现后续各种检测数据的采集和分析。

2)质量分析。将重构CAD模型设置为测试数据，原始点云数据设置为参考数据，通过3D比较、2D比较、评估壁厚、2D尺寸分析等方法获取重构CAD模型与原始点云数据的各项误差信息，进而对重构CAD模型进行评估和完善。

该消防分水器重构CAD模型关键部分为3个管道及其连接部分，选取该消防分水器表面的若干关键点进行分析，关键点位的偏差统计如表1所列。从表1可看出，重构CAD模型在3个管道及其连接部位处的误差控制在±0.1 mm范围内，基本符合精度要求。

表1 3D表面关键点位偏差统计 mm

选取该消防分水器2个对称平面做2D尺寸分析，通过测量得到外侧管道轴线角度、管道外径、管道内径、管道壁厚等数据，具体数据如表2所列。

表2 关键点位2D尺寸偏差统计

本文设定公差为0.2 mm，上偏差为0.1 mm，下偏差为-0.1 mm。从表2可以看出，外侧两管道轴线夹角、管道壁厚、管道外径的尺寸偏差满足精度要求，管道内壁直径超出设定公差范围，其原因为内孔表面的数据采集难度较大，导致尺寸误差增大。

5 结论

本文利用逆向工程技术，生成该消防分水器3D模型文件，通过3D模型文件形成产品2D文件，进而形成产品的原始文件资料。形成产品的技术要求：铸件表面不允许有裂纹、毛刺、飞边和穿透性冷隔；未注公差，铸造按10级、机加工按8级；未注明铸造圆角设为2 mm；公制螺纹按《螺纹》GB 192～197—63中规定的三级精度制造。对该CAD模型进行质量分析时，部分点位误差较大，但关键点位的精度符合质量要求，从而保证该产品整体符合质量要求。误差偏大原因可能是：由于该产品是结构对称类零件，因此在采集产品原始点云数据时着重采集对称面一侧的点云数据，没有采集对称面另一侧的点云数据，导致CAD模型重构时，另一侧部分点位误差较大；该产品的管道内孔较深，内孔表面数据采集困难；在采集原始点云数据中人为因素导致误差。通过对消防分水器原始点云数据采集、原始点云数据处理以及点云数据逆向建模等流程，实现该产品CAD模型重构，这对缺少原始技术资料的产品或者非规则曲面类产品的重构具有指导意义。