姚順宇，鐘相強(qiáng) ,2，馮 江

（1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016）

產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般分為正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)。正向設(shè)計(jì)是“從無(wú)到有”的過(guò)程，一般對(duì)產(chǎn)品的形態(tài)預(yù)見(jiàn)性不夠，需通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試其性能，成本較高［1］。逆向設(shè)計(jì)是對(duì)已有實(shí)物產(chǎn)品的功能或外觀造型進(jìn)行反向建模、再設(shè)計(jì)、創(chuàng)新和優(yōu)化的過(guò)程，它能有效縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低企業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品的成本，對(duì)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，是一種先進(jìn)的、具有創(chuàng)新性的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。

逆向設(shè)計(jì)是一種基于實(shí)體模型的設(shè)計(jì)，在本文中，我們分析了產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的一般流程、產(chǎn)品的掃描方法及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取方法，將獲取的產(chǎn)品點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Control中進(jìn)行優(yōu)化處理，并導(dǎo)入U(xiǎn)G中進(jìn)行基于曲線的曲面重構(gòu)和基于曲面的實(shí)體建模，分析所建模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的擬合精度，為機(jī)械產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的借鑒，為產(chǎn)品的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種全新的思路。

1 產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的一般流程

產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)所遵循的一般流程如圖1所示。具體的操作步驟如下：通過(guò)三維激光掃描獲取產(chǎn)品點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在Geomagic Control中對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，稀釋點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在保證精度的前提下盡可能減少數(shù)據(jù)量；將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)G中進(jìn)行曲線、曲面和實(shí)體的重建；將重建的模型導(dǎo)入Geomagic Control中分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)的擬合精度，在UG中重新修改不符合要求的部分，直到精度滿(mǎn)足要求為止。

圖1 產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)流程

2 產(chǎn)品掃描的方法和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

2.1 Handyscan700掃描儀簡(jiǎn)介

常用的實(shí)物模型掃描儀分為光學(xué)式和激光式。三維激光掃描儀通常由一臺(tái)高精度激光測(cè)距儀和一組可引導(dǎo)激光勻速掃描的反射棱鏡組成［2-3］。

Handyscan700掃描儀的工作狀態(tài)如圖2所示，交叉的激光線起到掃描測(cè)距的作用，測(cè)量速度為480000次/秒，一共有15條激光線，最高精度可達(dá)0.030 mm。

掃描前，需給模型貼定位點(diǎn)，貼點(diǎn)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：掃描件表面應(yīng)清潔干燥，無(wú)雜物；一次掃描過(guò)程要掃到4個(gè)定位點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間距離約為10~15 cm。當(dāng)零件缺陷較大、銹跡過(guò)多時(shí)，需要使用砂紙對(duì)零件表面進(jìn)行打磨，并對(duì)零件噴涂顯像劑；當(dāng)零件棱角及特征較為復(fù)雜時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加定位點(diǎn)數(shù)，以避免掃描點(diǎn)云出現(xiàn)破損、爛面等情況。

在掃描前，需要對(duì)掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)，以提高掃描精度［4］，還需要對(duì)VXelements軟件中所設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整?？扉T(mén)對(duì)應(yīng)激光功率的大小，深顏色對(duì)光的吸收比較強(qiáng)，功率要適當(dāng)調(diào)大；分辨率（掃描精度）一般設(shè)置為0.4~0.8；優(yōu)化掃描網(wǎng)格能有效提升網(wǎng)格質(zhì)量而不增加數(shù)據(jù)量，優(yōu)化程度通常設(shè)為10以上。在掃描時(shí)，將紅色激光線垂直照射在掃描件表面，待VXelements軟件的工作界面上出現(xiàn)點(diǎn)云后再緩慢移動(dòng)掃描儀掃描其他部位，這一過(guò)程就好像刷油漆一樣。完成一個(gè)表面后再過(guò)渡到另一個(gè)表面，直到完成整個(gè)零件的掃描。在掃描過(guò)程中，應(yīng)保持掃描儀與被掃表面大約有30 cm的距離。

圖2 掃描儀工作狀態(tài)

2.2 機(jī)械產(chǎn)品的掃描方法

2.2.1 小型機(jī)械零件的掃描方法

對(duì)于小型零件，由于細(xì)節(jié)部分較多，應(yīng)適當(dāng)放慢掃描速度，以便把細(xì)節(jié)掃描完整。當(dāng)掃描尺寸在15 cm以?xún)?nèi)的零件時(shí)，零件上無(wú)法貼定位點(diǎn)，可借助貼上定位點(diǎn)的輔助板或直接在被掃件周?chē)N上輔助點(diǎn)來(lái)完成掃描。

2.2.2 大型機(jī)械產(chǎn)品的掃描方法

對(duì)于大型產(chǎn)品，掃描大平面和規(guī)則處可適當(dāng)提高掃描速度，而在拐角和過(guò)渡處則需要降低掃描速度。例如，在掃描客車(chē)整車(chē)時(shí)，由于車(chē)架尺寸很大，掃描誤差會(huì)不斷積累，因此可先從車(chē)頂中部掃描車(chē)頂，再?gòu)能?chē)頂中部過(guò)渡到四個(gè)側(cè)面，這樣可以有效平衡誤差。由于掃描整車(chē)獲取的數(shù)據(jù)量較大，掃完一個(gè)整面后要將數(shù)據(jù)保存下來(lái)。下次掃描之前要保留上一次掃描的標(biāo)記點(diǎn)，以確保剩下的面位于同一坐標(biāo)系中。整車(chē)掃描時(shí)應(yīng)盡量垂直被掃面（圖3）。將各個(gè)面的掃描數(shù)據(jù)同時(shí)導(dǎo)入Geomagic Control時(shí)就會(huì)自動(dòng)合成整件點(diǎn)云。

圖3 客車(chē)的整車(chē)掃描

2.2.3 機(jī)械鈑金件的掃描方法

對(duì)于機(jī)械鈑金件，由于其自身易發(fā)生形變，原本是平面的地方掃描出的點(diǎn)云可能會(huì)變成曲面。對(duì)于此類(lèi)情況，可以先掃描兩端變形較小的地方，再單獨(dú)掃描變形大的地方，最后在Geomagic Control軟件中將三處拼接成整體。

2.3 點(diǎn)云處理

掃描件通常放在地面或桌面等平面上，掃描時(shí)會(huì)掃到那些不需要的面，因此要將這些不需要的面刪除。在實(shí)際操作中，先通過(guò)VXelements軟件刪除多余的點(diǎn)云，再反選掃描件后刪除，最后導(dǎo)入Geomagic Control對(duì)多余的點(diǎn)云進(jìn)行修剪。數(shù)據(jù)網(wǎng)格簡(jiǎn)化需要根據(jù)計(jì)算機(jī)處理能力和逆向造型的精度來(lái)確定，通?？刂圃?00萬(wàn)網(wǎng)格面左右。

3 基于UG的產(chǎn)品逆向造型

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和結(jié)構(gòu)分析

由于點(diǎn)云為STL格式文件，不能在UG軟件中直接打開(kāi)，需要建立model文件，再運(yùn)用文件導(dǎo)入命令，才能完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。導(dǎo)入U(xiǎn)G的點(diǎn)云模型，在逆向建模開(kāi)始前需擺正坐標(biāo)，這對(duì)后期建模至關(guān)重要。

根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，理清建模思路，確定大致步驟［5－6］。對(duì)于形狀較為規(guī)整且對(duì)稱(chēng)的模型，可以先做 1/4的曲面，通過(guò)曲面切出實(shí)體，再通過(guò)鏡像命令獲取剩余的實(shí)體部分，這樣可大大減少逆向設(shè)計(jì)的工作時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率［7］。

3.2 曲線組的構(gòu)建

現(xiàn)在以挖掘機(jī)前爪齒為例分析曲線組的構(gòu)建。根據(jù)其形狀特點(diǎn)，截取點(diǎn)云時(shí)采用垂直大曲面的方向截取，依靠前面建立的基準(zhǔn)平面擺正模型，點(diǎn)擊截面曲線命令，點(diǎn)擊輸出采樣點(diǎn)，就可以生成截取點(diǎn)云的輪廓點(diǎn)，截取后的效果如圖4所示。

圖4 挖掘機(jī)前瓜齒的點(diǎn)云截取效果

使用圖層命令把截取的采樣點(diǎn)用不同的顏色區(qū)分開(kāi)來(lái)，把不同平面上的點(diǎn)分別放置到不同的圖層中，以便區(qū)分和調(diào)取［8］。

先顯示一個(gè)圖層，依據(jù)該層的采樣點(diǎn)建立基準(zhǔn)面，在草圖環(huán)境下利用圓弧、直線等命令擬合采樣點(diǎn)，線段與線段之間用圓角或相切約束連接，以確保連接曲線的光順，重復(fù)以上過(guò)程就可以完成所有曲線的構(gòu)建。曲線的光順性可通過(guò)曲率梳［9－10］檢查（圖 5）。

圖5 曲線的曲率梳

3.3 曲面的生成及光順性分析

用曲線、曲面構(gòu)建曲面的方法有很多種，曲面可以通過(guò)直紋、曲線組、曲線網(wǎng)格或N邊曲面構(gòu)建［11］。通常情況下，一個(gè)完整的曲面由多個(gè)經(jīng)延伸、裁剪和過(guò)渡形成的曲面拼接而成，且面與面之間滿(mǎn)足G1（曲面或曲線處處連續(xù)，所有連接的線段、曲面片之間都是相切關(guān)系）相切條件。每一種曲面都有特定的特征和生成方法，故不能通過(guò)同一種方法生成所有曲面。例如，曲率變化小的曲面可通過(guò)曲線組生成，曲率變化大的過(guò)渡部分需要通過(guò)橋接曲線、邊界線等曲線組成的曲線網(wǎng)格生成［12－13］。生成的曲面要光順、無(wú)折痕并滿(mǎn)足精度要求，一般的曲面質(zhì)量分析方法有半徑分析法、反射分析法和斜率分析法［14］。曲面的斑馬線分析如圖6所示。從圖6可以看出，大面處的斑馬線分布比較均勻，曲面光滑，能滿(mǎn)足光順性要求。

圖6 曲面的斑馬線分析

3.4 產(chǎn)品實(shí)體的創(chuàng)建

實(shí)體創(chuàng)建可以先通過(guò)修剪體命令修剪出曲面實(shí)體，再處理細(xì)節(jié)。挖掘機(jī)前爪齒的點(diǎn)云和實(shí)體模型如圖7所示。實(shí)體創(chuàng)建也可以通過(guò)直接建模獲得。在建模過(guò)程中，要先創(chuàng)建主體，再創(chuàng)建主體的小特征。發(fā)動(dòng)機(jī)端蓋的點(diǎn)云和實(shí)體模型如圖8所示。

圖7 挖掘機(jī)的前爪齒模型

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)的端蓋模型

4 模型精度分析

對(duì)于已完成的產(chǎn)品的模型，需要進(jìn)一步與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得到其各部分的誤差，以便做后續(xù)的修改。將模型和點(diǎn)云導(dǎo)入Geomagic Control中，模型設(shè)為T(mén)est，點(diǎn)云設(shè)為Reference。下面將模型和點(diǎn)云對(duì)齊，對(duì)齊方式有：N點(diǎn)對(duì)齊、最佳擬合對(duì)齊、基于特征對(duì)齊和RPS對(duì)齊等。鈑金件宜采用RPS對(duì)齊，某個(gè)或某幾個(gè)面精度要求特別高的零件宜采用基于特征對(duì)齊。通常情況下，根據(jù)不同產(chǎn)品及要求，可以選擇不同的對(duì)齊方式［15］。挖掘機(jī)前爪齒的點(diǎn)云和模型的對(duì)齊如圖9所示。

圖9 模型與點(diǎn)云的對(duì)齊

模型和點(diǎn)云對(duì)齊以后就可以進(jìn)行3D比較了。在比較過(guò)程中，可以設(shè)置上下偏差，并在重要表面上創(chuàng)建注釋。汽車(chē)的鈑金件精度檢測(cè)要求如圖10所示，從圖10中創(chuàng)建的注釋可以看出，最小偏差為0.04 mm，最大偏差為－0.21 mm，符合機(jī)械產(chǎn)品的精度要求。如圖中出現(xiàn)深色區(qū)域，則表示偏差超出允許范圍，需返回UG中做進(jìn)一步修改。

圖10 汽車(chē)鈑金件精度檢測(cè)

5 結(jié)論

在本文中，我們分析了機(jī)械產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)過(guò)程，提出一種行之有效的產(chǎn)品點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取和處理方法，通過(guò)UG和Geomagic Control兩種軟件的配合使用分析了機(jī)械產(chǎn)品的逆向造型設(shè)計(jì)過(guò)程，并通過(guò)所建模型與原始點(diǎn)云的3D對(duì)比分析了設(shè)計(jì)精度，為機(jī)械產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)提供了借鑒方法。