周雯雯　殷振　茆廷學(xué)　高青　范道全

【摘 要】3D逆向工程是一項(xiàng)新興的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域有著良好的前景和廣泛的應(yīng)用。以小轎車車門拉手的復(fù)雜曲面為原型，通過(guò)Win3DD-M掃描儀進(jìn)行非接觸式測(cè)量方法獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，基于Geomagic軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)與處理，導(dǎo)入Geomagic Design X軟件進(jìn)行三維逆向建模，最終基于Geomagic Qualify軟件進(jìn)行精度分析，保證了精度要求且極大地縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，降低了成本，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)加工。

【關(guān)鍵詞】逆向工程；數(shù)字化測(cè)量；數(shù)據(jù)預(yù)處理；逆向建模；質(zhì)量精度分析

0 引言

目前，消費(fèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，產(chǎn)品更新步伐不斷加快，部分商品已呈現(xiàn)多樣化，尺寸難以掌握的曲面化趨勢(shì)。與時(shí)俱進(jìn)和縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期是企業(yè)能否發(fā)展的關(guān)鍵。為順應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展要求，各種先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想和制造方式應(yīng)運(yùn)而生。隨著現(xiàn)代測(cè)量設(shè)備、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展及人類對(duì)設(shè)計(jì)理念的逐步深入，為縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，實(shí)現(xiàn)并行工程的新設(shè)計(jì)理念，逆向工程技術(shù)作為快速設(shè)計(jì)與制造的核心，逐漸被社會(huì)認(rèn)可，而今已成為工業(yè)領(lǐng)域研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。

逆向工程是一個(gè)根據(jù)已經(jīng)存在的樣品模型，反向推出產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并加工出產(chǎn)品的過(guò)程。利用現(xiàn)有的硬件和軟件設(shè)施，對(duì)逆向工程在復(fù)雜曲面零件加工中的應(yīng)用進(jìn)行探討和研究。

對(duì)小轎車車門拉手進(jìn)行快速設(shè)計(jì)制造，不僅可以減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的周期，還可以提高產(chǎn)品在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的精度要求。同時(shí)在汽車被普遍代步的時(shí)代，汽車更新?lián)Q代也日益頻繁，小轎車車門拉手的設(shè)計(jì)和制造成為整車產(chǎn)品開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)之一，將逆向工程技術(shù)引入到設(shè)計(jì)制造的過(guò)程中，可快速、準(zhǔn)確地得到小轎車車門拉手的三維模型，為實(shí)現(xiàn)小轎車車門拉手快速設(shè)計(jì)制造奠基。

以小轎車車門拉手的逆向設(shè)計(jì)為原型，其逆向工程流程圖如圖1所示。

1 小轎車車門拉手的數(shù)字化測(cè)量

隨著工業(yè)智能化的發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品的測(cè)量、設(shè)計(jì)與制造提出了高精度和高效率的要求。由于復(fù)雜的曲面模型難以構(gòu)建，因此需要通過(guò)逆向工程技術(shù)對(duì)零件的復(fù)雜曲面進(jìn)行精密測(cè)量掃描，將零件的模型轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行零件的三維模型重建及后續(xù)的產(chǎn)品加工。

測(cè)量方式也由熟練的手工測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂?jì)算機(jī)為主的精密儀器測(cè)量。在現(xiàn)階段的測(cè)量技術(shù)中，根據(jù)測(cè)量探頭是否與物品表面接觸，將獲取零件表面基本信息的測(cè)量方法分為接觸式和非接觸式兩種。在選取測(cè)量方法的過(guò)程中，應(yīng)綜合測(cè)量精度、測(cè)量速度、工件的材質(zhì)、零件的表面特征等因素進(jìn)行考慮。在結(jié)合現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備的情況下，本文采用非接觸式測(cè)量法對(duì)小轎車車門拉手進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.1 制定掃描策略

利用北京三維天下公司所研發(fā)生產(chǎn)的Win3DD系列型號(hào)的非接觸式Win3DD-M單目三維掃描儀進(jìn)行測(cè)量，設(shè)備單幅掃描范圍為300×210×200mm，掃描距離600mm，掃描點(diǎn)距為0.2-1.1mm，相機(jī)分辨率為130萬(wàn)像素，最終輸出文件格式為asc，stl，igs，obj。啟動(dòng)掃描系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)，掃描系統(tǒng)預(yù)熱大約需要5-10分鐘。打開專用計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)掃描軟件，點(diǎn)擊“掃描標(biāo)定切換”按鈕，進(jìn)入軟件的標(biāo)定界面如圖2所示。調(diào)整掃描儀的高度和俯仰角度，使投影在標(biāo)定板上的黑色十字線與標(biāo)定板上的四個(gè)大的白色標(biāo)定點(diǎn)盡可能重合，使“相機(jī)預(yù)覽”中黑色十字線和白色十字線重疊，完成標(biāo)定過(guò)程。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

1.2.1 前期準(zhǔn)備

測(cè)量之前，需對(duì)樣品的表面、轉(zhuǎn)盤等部件進(jìn)行清潔，以免影響測(cè)量精度。由于小轎車車門拉手是反光件，具有較強(qiáng)的反光特性，相機(jī)無(wú)法高效地記錄點(diǎn)云信息，從而影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此需要噴顯像劑，顯像劑應(yīng)噴的均勻且薄。

1.2.2 粘貼標(biāo)志點(diǎn)

由于小轎車車門拉手的曲面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且存在多處特征，需要進(jìn)行多次掃描，因此設(shè)計(jì)出具體的掃描方案：首先在回轉(zhuǎn)盤上貼些標(biāo)志點(diǎn)，起定位作用，在轉(zhuǎn)盤上貼標(biāo)志點(diǎn)時(shí)要注意不能太過(guò)密集，同時(shí)不能在同一直線上出現(xiàn)過(guò)多的點(diǎn)，其次考慮其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用平躺在轉(zhuǎn)盤上，翻身手動(dòng)拼接的方法分兩次掃描。

掃描時(shí)將實(shí)物放置在轉(zhuǎn)盤上后，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，保證未超出邊界。調(diào)整掃描頭，將小轎車車門拉手顯現(xiàn)在屏幕中央，第一次掃描時(shí)優(yōu)先考慮特征線多和面積大的曲面，確保第一次能夠掃到盡可能多的點(diǎn)。從第二次掃描開始，之后的每次掃描，至少要存在之前掃出來(lái)的3個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，否則無(wú)法掃描成功。

當(dāng)位置確定好之后，點(diǎn)擊“掃描標(biāo)定切換”按鈕，回到掃描界面，新建一個(gè)工程，完成小轎車車門拉手的數(shù)據(jù)采集如圖3所示。小轎車車門拉手整個(gè)表面掃描完成后，需要判斷是否有區(qū)域沒(méi)有掃到，是否有分層的現(xiàn)象。若存在分層，則需要查明分層的原因，排除之后再重新開始掃描；若不存在，則將掃描數(shù)據(jù)保存為“.asc”格式。

2 小轎車車門拉手點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

通過(guò)Geomagic Wrap軟件對(duì)小轎車車門拉手掃描出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Wrap軟件中，點(diǎn)擊“著色點(diǎn)”按鈕，將黑色的點(diǎn)云上色如圖4所示，以便后續(xù)處理。打開“體外孤點(diǎn)”和“減少噪音”，根據(jù)實(shí)際情況修改數(shù)據(jù)后應(yīng)用并確定，將有效地去除采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的雜點(diǎn)。

點(diǎn)擊“手動(dòng)注冊(cè)”，選擇需要手動(dòng)對(duì)齊的對(duì)象，將其位置放置一致，并在兩者對(duì)應(yīng)的位置取三個(gè)以上的點(diǎn)如圖5（a）所示，點(diǎn)擊“注冊(cè)”，實(shí)現(xiàn)拼接。最終點(diǎn)擊“全局注冊(cè)”，將分散的點(diǎn)云拼合如圖5（b）所示，減少拼接時(shí)的誤差。

先后點(diǎn)擊“聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象”、“封裝”，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槿敲嫫?。點(diǎn)擊“刪除釘狀物”，將表面一些比較明顯的凹凸處進(jìn)行初步平滑。由于掃描時(shí)一些地方被遮擋住，無(wú)法被掃描到，導(dǎo)致變成面片后出現(xiàn)表面漏洞，因此需要根據(jù)漏洞周圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)建立拓?fù)潢P(guān)系，彌補(bǔ)數(shù)據(jù)缺陷，得到原始表面信息。然后通過(guò)“填充單個(gè)孔”，選中所需要填充的孔的邊線，完成填孔。先后點(diǎn)擊“去噪音點(diǎn)”和“自由曲面形狀”，根據(jù)實(shí)際情況修改參數(shù)，更改迭代數(shù)為5，偏差限制為0.008mm，從而進(jìn)一步平滑表面，最后點(diǎn)擊“快速平滑處理”，完成最終表面的平滑并將數(shù)據(jù)保存為“.stl”格式。

3 小轎車車門拉手測(cè)量數(shù)據(jù)的幾何造型與質(zhì)量檢測(cè)

3.1 小轎車車門拉手點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何造型

利用三維建模軟件Geomagic Design X進(jìn)行造型。將之前保存好的門拉手點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件。點(diǎn)擊領(lǐng)域組，將門拉手點(diǎn)云分成多個(gè)領(lǐng)域。經(jīng)分析該車門拉手有“自由曲面部分”和“結(jié)構(gòu)部分”，因此需要分別進(jìn)行建模。

由于該門拉手曲面部分是自由曲面，找出具有代表性的曲線輪廓。通過(guò)在合適的地方建立平面，并通過(guò)面片草圖功能將其外輪廓線畫出，利用面片掃描功能將草圖轉(zhuǎn)化為面片。門拉手的背部曲面曲率存在一定的變化，需通過(guò)放樣功能作圖，將草圖轉(zhuǎn)換為面片，延長(zhǎng)其邊界，使面片覆蓋整個(gè)曲面部分。該車門拉手的結(jié)構(gòu)部分通過(guò)面片草圖、拉伸、剪切等基本操作進(jìn)行造型，最后將“自由曲面部分”和“結(jié)構(gòu)部分”進(jìn)行求和、倒圓角等操作，完成小轎車車門拉手的最終幾何造型如圖6所示。

圖6 小轎車車門拉手幾何造型

3.2 小轎車車門拉手三維模型的質(zhì)量檢測(cè)分析

使用Geomagic Qualify對(duì)小轎車車門拉手進(jìn)行精度的對(duì)比，可以實(shí)現(xiàn)迅速檢測(cè)產(chǎn)品的逆向重建模型和產(chǎn)品的物理模型之間的精度差異，并以直觀明顯的圖形形式顯示兩者之間的差異，首先將建立好的模型和先前處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中，緊接著先對(duì)比模型的外形特征，確保所有特征都具備，其次進(jìn)行三維和二維的對(duì)比分析，最后生成分析如圖7所示。

經(jīng)檢驗(yàn)，本次逆向建模的小轎車車門拉手的所有特征全部具備，且在允許偏差范圍±0.05mm以內(nèi)。

4 總結(jié)

以小轎車車門拉手為原型，通過(guò)非接觸式測(cè)量方法采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)Geomagic軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并通過(guò)Geomagic Design X軟件進(jìn)行三維造型，最終基于Geomagic Qualify軟件進(jìn)行精度分析。得出如下結(jié)論：

1）為保證產(chǎn)品的精度要求，設(shè)計(jì)了合理的小轎車車門拉手的掃描方案。

2）為使建模時(shí)模型的表面光滑，使用Geomagic Wrap軟件將冗雜的點(diǎn)云進(jìn)行精簡(jiǎn)，保存為.stl格式，為數(shù)據(jù)采集和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理奠定了逆向工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

3）產(chǎn)品的表面精度直接關(guān)系到模型的建立，使用Geomagic Design X逆向軟件根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維模型，模型的重建是逆向工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4）最終使用Geomagic Qualify軟件將建立的模型與物理模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比，確保了后續(xù)加工的順利進(jìn)行。

通過(guò)研究證明了上述各軟件之間的良好兼容性，有機(jī)地結(jié)合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜自由曲面零件的重建和精度檢測(cè)，不僅能夠提高實(shí)際生產(chǎn)的工作效率，也縮短了開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]