張利華

摘? 要：逆向工程技術作為目前發(fā)展較快的專業(yè)應用領域，在模具設計與制造、汽車鈑金等領域得到了更多的研究與應用。逆向工程作為吸收先進技術的一種手段，使產品研制周期縮短40%以上。本文以家用汽車洗水槍為例，為了更好地滿足用戶的需求，利用逆向工程技術對洗車水槍的外觀進行重構，從點云的獲取過程、點云的處理過程，以及逆向建模過程及打印過程進行詳細的探究。

關鍵詞：汽車水槍? 逆向工程技術? 點云? 曲面建模

中圖分類號：TP391.7 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）04（c）-0066-03

Reverse Modeling of Automobile Water Gun Based on Design X Software

ZHANG Lihua1，2

（1. Advanced Vocational Technical College of Shanghai University of Engineering Science， Shanghai， 200437 China; 2. Shanghai Technician School， Shanghai， 200437? China）

Abstract： Reverse engineering technology as the rapid development of the professional field， in the mold design and manufacturing， automotive sheet metal and other fields has been more research and application.Reverse engineering， as a means of absorbing advanced technology， shortens the development cycle of products by more than 40%. In this paper， household washing gun as an example， in order to better meet the needs of users， using reverse engineering technology to reconstruct the appearance of washing water， including processing process， point cloud acquisition point cloud， and the reverse modeling process and printing process are explored.

Key Words： Automobile water gun; Reverse engineering technology; Point cloud; Surface modeling

逆向工程，又稱反求工程或逆向建模與再設計，是將已有實物通過掃描的方式獲取點云轉化為數(shù)模，并在這個基礎上進行工程分析和創(chuàng)新設計的一種現(xiàn)代高精度測量方法和先進技術，能夠大大提高產品的制造技術及設計技術水平，縮短設計周期，有效獲取產品競爭力，是獲取先進技術，進而創(chuàng)新和開發(fā)各種新產品的重要手段。了解及掌握逆向工程技術的應用，對國家的先進技術的發(fā)展、生產制造水平的提高和適應市場發(fā)展能力的提升，具有較高的意義。

汽車洗水槍是生活中一件非常實用的部件，其外觀曲面特征較多，加工制造較為困難，因此通過逆向工程的方法進行三維數(shù)據(jù)的采集和模型的重構，并將最終重新構造的模型通過快速成型的方式進行制作，進行比較研究。

1? 點云獲取階段

1.1 掃描前期準備（粘貼標志點）

因要求為掃描整體點云，所以需要粘貼標志點，以進行拼接掃描。

標志點粘貼注意事項：標志點粘貼在實物表面的平坦區(qū)，且距離工件邊界較遠一些[1];標志點避免在一條直線上粘貼，且不要對稱粘貼;每次拼接兩個區(qū)域標志點至少為3個，但因掃描角度等原因，一般建議5～7個為宜;標志點應使掃描鏡頭在多個角度可以同時看到;如圖1所示，標志點的粘貼較為合理，當然還有其他粘貼方式。

1.2 掃描過程

如圖2獲取汽車洗水槍點云數(shù)據(jù)是逆向工程的首個步驟[2]，本例通過非接觸式掃描儀來獲取點云數(shù)據(jù)，其優(yōu)點是相比一般接觸式測量（三坐標測量）效率高，適應性強。點云的掃描質量直接決定著產品的建模質量。所有參數(shù)調整好即可點擊“掃描操作”，逐步獲取局部點云至完全拼合成完整的點云數(shù)據(jù)。

2? 點云處理階段

2.1 點云階段

點云的處理是逆向建模前非常重要的一個步驟，非接觸式掃描往往會產生很多的雜點、破洞，變形的曲面等外觀缺陷。故需要利用Geomagic Wrap軟件對點云進行處理，以獲得完整的光順的點云[3]。

（1）著色點。為了更加清晰、方便地觀察點云的形狀，將點云進行著色[4]。

（2）非連接項。選擇斷開組件連接，指同一物體上具有一定數(shù)量的點形成點群，并且彼此間分離。

（3）減少噪音。因為逆向設備與掃描方法的緣故，掃描數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差和隨機誤差，其中有一些掃描點的誤差比較大，超出允許范圍的就是噪音點 。

（4）封裝。如圖3所示，對點云進行三角面片化，對實物點云進行表面采樣。通過設置點間距來進行采樣。目標三角形的數(shù)量可以進行人為設定，目標三角形數(shù)量設置的越大，封裝之后的多邊形網(wǎng)格則越緊密。

2.2 多邊形處理階段

多邊形階段主要操作命令如下。

（1）填充孔。修補因為點云缺失而造成漏洞，可根據(jù)曲率趨勢補好漏洞。

（2）去除特征。先選擇有特征的位置，應用該命令可以去除特征，并將該區(qū)域與其他部位形成光滑的連續(xù)狀態(tài)[5]。該命令用于刪除模型中不規(guī)則的三角形區(qū)域，并且插入一個更有秩序且與周邊三角形連接更好的多邊形網(wǎng)格。但必須先用手動選擇方式去除特征的區(qū)域，然后執(zhí)行“多邊形”“去除特征”，如圖4所示。

3? 逆向建模階段

3.1 建模主要方法與流程

研究選擇的建模軟件為Geomagic Design X。

3.1.1 步驟一——坐標系建立

（1）導入處理完成的shuiqiang.STL數(shù)據(jù)。

點擊菜單欄中的“插入”“導入”，選擇shuiqiang.STL文件，選擇僅導入按鈕。

（2）分析模型特征并手動修改領域。

點擊（領域組）按鈕，會彈出自動分割領域的對話框，將菜單欄內的敏感度設置為5，點擊預覽按鈕，模型自動會將不同曲率的區(qū)域以不同的顏色劃分[6]。

（3）建立一個參照平面用于創(chuàng)建坐標系。

點擊（參照平面）按鈕，方法選擇“提取”，更改地選擇模式為“矩形選擇模式”在洗車水槍噴頭的底端平面區(qū)域選擇領域創(chuàng)建參照平面。

（4）建立對稱平面用于創(chuàng)建坐標系。

點擊（面片草圖）按鈕，選擇參照平面2，進入面片草圖模式，點擊短粗箭頭鼠標手動拉動前后位置，截取此處外輪廓圓。點擊（手動對齊）按鈕，選擇點云模型。

3.1.2 步驟二——模型主體手柄創(chuàng)建

點擊（面片擬合）按鈕，選擇手柄上段區(qū)域的領域，參數(shù)設置分辨率選擇“控制點數(shù)”，平滑拉至最大，勾選延長選擇，手動調整大小。

建模結果如圖5所示，整個建模流程主要根據(jù)局部面片的擬合，對整個汽車水槍進行曲面的拆分。

3.2 建模的結果比對

如圖6所示，構建完成的模型與原有的水槍STL模型進行比對發(fā)現(xiàn)。模型的整體都呈現(xiàn)綠色，表明兩者的曲面貼合較好，精度較高[8]。根據(jù)精度設置，綠色部分的精度低于0.1mm，黃色部分的精度在0.1～0.3mm之間，紅色部分的精度大于0.3mm，屬于超差比較大的 部分。

4? 結語

Geomagic Design X軟件是一款非常強大的逆向工程軟件，可以利用曲面的擬合、修建、縫合等功能快速、有效地進行產品的逆向再構建。與一般的三維建模軟件如UG等在逆向建模上的比較，Design X速度更快、精度更高，建模方法簡單實用。Geomagic Design X是專業(yè)領域最全面的逆向工程軟件，結合基于歷史樹的CAD數(shù)模和三維掃描數(shù)據(jù)處理，可創(chuàng)建出可編輯、基于特征的CAD數(shù)模并與現(xiàn)有的CAD軟件兼容。本例通過該軟件進行逆向建模，要求精度保證在0.2mm，根據(jù)結果，完全符合建模要求。

參考文獻

[1] 高利敏，李俊杰，李文清，等.無人機傾斜攝影結合激光掃描儀三維逆向建模[J].測繪通報，2021（2）：161-163.

[2] 楊垠暉.真實感樹木的逆向智能交互建模技術[D].杭州：浙江大學，2017.

[3] 樊昱.基于離散元法的馬鈴薯挖掘機理研究及仿生鏟設計[D].沈陽：沈陽農業(yè)大學，2020.

[4] 高溪溪.基于三維激光掃描技術的近現(xiàn)代建筑數(shù)字化建模研究[D].青島：青島理工大學，2020.

[5] 余浩.點云數(shù)據(jù)與BIM技術在既有建筑改造中的應用研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2020.

[6] 劉芳芳.淺談基于Geomagic的逆向建模及3D打印[J].南方農機，2021，52（3）：112-113.

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[8] 靳峰峰，屈科科.基于Geomagic DesignX基本體逆向建模[J].農機使用與維修，2020（10）：52-53.