汝春波，鄭景景

（江西科技學(xué)院 人工智能學(xué)院，江西 南昌 330098）

逆向工程也被稱為反求工程，主要是對(duì)現(xiàn)有的零件和產(chǎn)品進(jìn)行三維掃描，測(cè)量所需的點(diǎn)群數(shù)據(jù)，將點(diǎn)群數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維軟件進(jìn)行處理，得到三維模型，然后根據(jù)設(shè)計(jì)需求，將新的設(shè)計(jì)需求納入復(fù)原過程，對(duì)模型進(jìn)行改良和優(yōu)化[1]，最終獲得基于原有零部件且滿足設(shè)計(jì)要求的零部件。隨著新能源汽車井噴式的發(fā)展，新能源汽車更新迭代也不斷加速，由此汽車零部件的設(shè)計(jì)周期也不斷縮短，逆向設(shè)計(jì)這一技術(shù)可以大大縮短零部件的設(shè)計(jì)周期，提高零部件的設(shè)計(jì)速度。對(duì)于逆向設(shè)計(jì)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外也加大了相關(guān)研究。在國(guó)內(nèi)的眾多研究學(xué)者中，陳曉斐以藍(lán)光霧化消毒槍為原始模型進(jìn)行了基于Geomagic Design X的復(fù)雜曲面產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)，通過對(duì)逆向設(shè)計(jì)的過程進(jìn)行分析，得出通過Geomagic Design X軟件可以快速對(duì)復(fù)雜曲面零件進(jìn)行再設(shè)計(jì)[2]。付斌利等人利用Geomagic Design X軟件對(duì)回力馬車進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)方法研究，發(fā)現(xiàn)逆向設(shè)計(jì)可以提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)的速度[3]。王春香等人利用逆向工程技術(shù)對(duì)汽車懸架下彎臂進(jìn)行了快速設(shè)計(jì)研究，從中得到逆向設(shè)計(jì)技術(shù)可以對(duì)汽車復(fù)雜曲面零部件進(jìn)行高質(zhì)量的快速設(shè)計(jì)，加快汽車復(fù)雜曲面零部件的研發(fā)速率[4]?？焖倌嫦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)在國(guó)外的應(yīng)用研究也非常多，美國(guó)在對(duì)其先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的零部件設(shè)計(jì)中也大量采用了快速響應(yīng)設(shè)計(jì)技術(shù)。由此看來，快速逆向設(shè)計(jì)在工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過程中被廣泛應(yīng)用。新能源汽車作為一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品，其零部件較多，且有很多復(fù)雜曲面的零部件，在這些零部件的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用逆向設(shè)計(jì)技術(shù)，可以大大提高汽車零部件的設(shè)計(jì)速率，完善設(shè)計(jì)過程。

1 逆向設(shè)計(jì)的流程

在逆向設(shè)計(jì)過程中，主要的流程是獲取零部件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后建立模型。具體流程闡述如下。

1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集是通過采集設(shè)備將待測(cè)零件的幾何形狀轉(zhuǎn)換為空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這一過程主要是通過三維測(cè)量技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，而數(shù)據(jù)的精度與采集設(shè)備的精度以及操作過程有直接關(guān)系。在逆向設(shè)計(jì)研究中，對(duì)于采集數(shù)據(jù)精度的研究也是重要的研究部分。

2）數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理階段是通過特定軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，在零件表面數(shù)據(jù)的采集過程中，由于采集設(shè)備、采集環(huán)境以及產(chǎn)品自身的影響，所獲的零部件點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)一些雜點(diǎn)和噪聲數(shù)據(jù)。如果不對(duì)這些問題數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，則會(huì)導(dǎo)致后期建模精度出現(xiàn)較大的誤差。因此要在設(shè)計(jì)過程中對(duì)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去雜點(diǎn)、去噪聲、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、修補(bǔ)破洞等操作。同時(shí)也要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝重構(gòu)，以便獲得精確的三維曲面，然后在此模型上進(jìn)行零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3）逆向建模。目前，根據(jù)模型精度要求的不同分為兩種模型重構(gòu)方式，針對(duì)表面精度要求較低的一些產(chǎn)品零件，一般采用三角面片的方式直接進(jìn)行模型重構(gòu)；而針對(duì)產(chǎn)品或零件表面較復(fù)雜且精度要求比較高的零件和產(chǎn)品，則采用曲面擬合的方式來對(duì)模型進(jìn)行重構(gòu)，這一過程是以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過對(duì)點(diǎn)、線、面這些模型元素，來對(duì)零部件或產(chǎn)品的原始三維模型進(jìn)行還原[2]。

2 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的三維數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的三維數(shù)據(jù)采集

對(duì)某型號(hào)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)零件進(jìn)行清潔并均勻噴涂顯像劑，然后粘貼標(biāo)志點(diǎn)，以待后續(xù)進(jìn)行掃描測(cè)量。轉(zhuǎn)向節(jié)零件處理如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)零件處理

1）三維掃描儀的標(biāo)定。本次數(shù)據(jù)采集選用Shining3D-Scanner雙目型三維掃描儀。在進(jìn)行掃描時(shí)，環(huán)境中的光線變化會(huì)對(duì)掃描結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此要避免環(huán)境中出現(xiàn)強(qiáng)光或逆光。其次對(duì)三維掃描儀進(jìn)行標(biāo)定，嚴(yán)格按照標(biāo)定流程完成掃描儀的標(biāo)定，可以確保掃描的精度。如圖2所示。

圖2 三維掃描儀的標(biāo)定

2）采集轉(zhuǎn)向節(jié)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。先對(duì)待采集的某型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)零件進(jìn)行表面清洗，然后噴涂顯像劑，粘貼標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，完成三維掃描儀標(biāo)定和掃描環(huán)境處理之后，對(duì)某型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行三維掃描。在開始掃描時(shí)，應(yīng)使第1幅掃描畫面盡量包括更多的標(biāo)志點(diǎn)，這樣在后面的掃描拼接時(shí)每次掃描畫面有更多的公共標(biāo)志點(diǎn)，有利于確保拼接的準(zhǔn)確度。在每次掃描一個(gè)平面時(shí)都會(huì)有進(jìn)度條，這是為了防止出現(xiàn)遮擋掃描畫面，或是影響三維掃描儀周圍光環(huán)境的情況。同時(shí)在每一幀畫面掃描結(jié)束之后應(yīng)仔細(xì)檢查掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)于掃描過程中出現(xiàn)的一些雜點(diǎn)和多余的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。由于該型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)不規(guī)則，在進(jìn)行掃描時(shí)，會(huì)受到一些測(cè)量死角的限制，因此在掃描時(shí)要根據(jù)具體情況，緩慢移動(dòng)掃描儀或待測(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)，以便能達(dá)到較好的掃描拼接效果。在完成整個(gè)零部件掃描拼接之后，要仔細(xì)觀察拼接掃描所得的模型，對(duì)比待測(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)零件，查看是否存在缺失，如較為完整，則可以將全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.asc后綴文件，以待下一步處理。轉(zhuǎn)向節(jié)掃描拼接過程如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向節(jié)掃描拼接過程

2.2 轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

1）導(dǎo)入掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將后綴為.asc文件點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Wrap軟件，因在Geomagic Wrap軟件中打開的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是黑色，不利于處理觀察，這時(shí)要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行著色處理，以便接下來的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的觀察處理，如圖4所示。

圖4 著色后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2）去除體外孤點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)向節(jié)本身不規(guī)則，環(huán)境中很難做到光線恒定，在掃描過程中曝光度就會(huì)產(chǎn)生差別，同時(shí)受掃描時(shí)的識(shí)別誤差影響，會(huì)使得零件三維圖產(chǎn)生一些雜點(diǎn)或是孤點(diǎn)。被選中的體外孤點(diǎn)如圖5所示。在處理時(shí)就要利用Geomagic Wrap軟件中的套索功能對(duì)這些不需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。

3）減少噪聲。在進(jìn)行某型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的掃描時(shí)，由于三維掃描儀的采集過程會(huì)有一定的誤差，導(dǎo)致掃描得出的轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)有噪聲點(diǎn)，這些噪聲點(diǎn)如若不進(jìn)行處理，會(huì)對(duì)最終的數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響，因此可以采用Geomagic Wrap軟件中的減少噪聲的功能，將點(diǎn)云模型中偏移的噪聲點(diǎn)進(jìn)行處理，以達(dá)到降低誤差的作用。本次掃描的某型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)體積較小，因此零件細(xì)節(jié)較多，在處理時(shí)選擇減少噪聲功能的棱柱性（積極），迭代值設(shè)置為2，偏差限制設(shè)置為0.1mm，這樣設(shè)置可以使得細(xì)節(jié)更清晰，零部件的邊緣也會(huì)更細(xì)致平整。減少噪聲前后對(duì)比示意如圖6所示。

圖6 減少噪聲前后對(duì)比示意圖

4）封裝數(shù)據(jù)。在對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型進(jìn)行必要處理后，通過Geomagic Wrap軟件的封裝功能將處理后的轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型（圖7）轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)向節(jié)模型。

圖7 封裝后的轉(zhuǎn)向節(jié)模型

2.3 轉(zhuǎn)向節(jié)多邊形數(shù)據(jù)處理

1）修補(bǔ)細(xì)微錯(cuò)誤網(wǎng)格。在得到轉(zhuǎn)向節(jié)模型后，對(duì)于細(xì)微的錯(cuò)誤網(wǎng)格也要進(jìn)行處理，選擇Geomagic Wrap軟件中修補(bǔ)工具欄的網(wǎng)格醫(yī)生，在選擇完成后就會(huì)出現(xiàn)如圖8所示的對(duì)話框，然后進(jìn)行Geomagic Wrap軟件分析并選中錯(cuò)誤網(wǎng)格，將全部的錯(cuò)誤網(wǎng)格類型進(jìn)行勾選并應(yīng)用，Geomagic Wrap軟件就會(huì)對(duì)錯(cuò)誤網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)。

圖8 網(wǎng)格醫(yī)生對(duì)話框

2）去除特征。由于零件自身和掃描過程的限制，在轉(zhuǎn)向節(jié)模型平面上，會(huì)有一些凸起或是凹陷的現(xiàn)象，可選擇處理軟件中的去除特征命令進(jìn)行去除。去除特征前后對(duì)比如圖9所示。

圖9 去除特征前后對(duì)比圖

3）松弛網(wǎng)格。應(yīng)用軟件平滑工具欄內(nèi)的松弛命令這一選項(xiàng)，選擇使用默認(rèn)參數(shù)并應(yīng)用，就可對(duì)模型自動(dòng)進(jìn)行松弛網(wǎng)格，應(yīng)用之后，模型表面會(huì)呈現(xiàn)更為光滑效果。圖10為松弛后的圖形。

圖10 松弛后的圖形

4）填充孔。由于掃描時(shí)粘貼了標(biāo)志點(diǎn)，在完成掃描之后，原標(biāo)志點(diǎn)的位置會(huì)出現(xiàn)孔洞，同時(shí)由于零部件不規(guī)則的原因，使得一些光線遮擋的位置也會(huì)產(chǎn)生一些孔洞。對(duì)于一些相對(duì)比較規(guī)則且孔洞較小的，可以使用軟件中的填充單個(gè)孔命令進(jìn)行填補(bǔ)。圖11為填充單個(gè)孔的處理過程。

圖11 填充單個(gè)孔的處理過程

而對(duì)于處于邊緣位置或孔洞較大的一些孔，則需要使用搭橋命令，不斷地將孔洞進(jìn)行縮小以及邊緣孔曲率降低的方法，來進(jìn)行孔洞填充。填充效果如圖12所示。

圖12 填充效果圖

5）導(dǎo)出文件。在進(jìn)行以上處理之后，將轉(zhuǎn)向節(jié)模型文件從Geomagic Wrap軟件中導(dǎo)出，存為.stl后綴文件，以備后續(xù)處理。圖13為多邊形階段處理完成后的保存圖片。

圖13 多邊形階段處理完成后的保存圖片

3 轉(zhuǎn)向節(jié)的逆向建模

3.1 轉(zhuǎn)向節(jié)各部位分析

將處理之后的.stl模型文件導(dǎo)入到Geomagic Design X軟件中，通過該型轉(zhuǎn)向節(jié)的形狀特征，將其分為3個(gè)部分，如圖14所示，然后根據(jù)其特征采用不同的處理方式進(jìn)行處理：①對(duì)于外形相對(duì)較規(guī)則的軸頸上以及支臂上的連接孔，采用直接拉伸與切割的方式進(jìn)行處理；②對(duì)于支臂和軸頸的連接處，其連接斷面圖形相對(duì)規(guī)則，連接比較簡(jiǎn)單，則是采用曲面處理的方式來進(jìn)行構(gòu)建；③而對(duì)于像支臂這樣的形狀不規(guī)則，而且連接沒有具體規(guī)律的部分，處理過程要復(fù)雜一些，可先進(jìn)行領(lǐng)域劃分，再利用面片擬合的方式來實(shí)施構(gòu)建。

圖14 轉(zhuǎn)向節(jié)各部位圖

3.2 轉(zhuǎn)向節(jié)模型重構(gòu)

通過三維掃描的方式來獲得不規(guī)則曲面的零部件產(chǎn)品逆向CAD模型，并對(duì)CAD模型進(jìn)行建模，從而獲得精確的不規(guī)則曲面的零部件產(chǎn)品模型，是目前逆向工程的關(guān)鍵步驟。

3.2.1 連接孔和軸頸的重構(gòu)

對(duì)于連接孔和軸頸的重構(gòu)，進(jìn)入軟件中草圖工具，選擇面片草圖工具選項(xiàng)，以前基準(zhǔn)平面中的一個(gè)面為基礎(chǔ)，并追加3個(gè)斷面，以此來進(jìn)行草圖創(chuàng)建，在創(chuàng)建之后，使用軟件中的實(shí)體工具，選擇拉伸，通過把圓環(huán)內(nèi)外進(jìn)行拉伸，拉伸距離保持不同，這就可以對(duì)軸頸進(jìn)行重建，對(duì)于該汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的連接孔和軸頸的重建，步驟相同。如圖15～圖17所示。

圖15 草圖構(gòu)建過程

圖16 軸頸草圖的構(gòu)建

圖17 軸頸重構(gòu)圖

3.2.2 主體部位的重構(gòu)

該汽車轉(zhuǎn)向節(jié)主體部位的重構(gòu)與軸頸部位的重構(gòu)方式相似，同樣是選擇一個(gè)前平面為基準(zhǔn)面，畫出該汽車轉(zhuǎn)向節(jié)主體部位面片，找到軟件中的創(chuàng)建曲面工具，選擇拉伸曲面，這樣就可以把該汽車轉(zhuǎn)向節(jié)主體部分的草圖進(jìn)行拉伸（圖18），然后再在該汽車轉(zhuǎn)向節(jié)主體部位上方設(shè)置一個(gè)平面片（圖19），并對(duì)該汽車轉(zhuǎn)向節(jié)主體部位側(cè)面實(shí)施領(lǐng)域的劃分，通過軟件中的面片擬合功能，對(duì)該汽車轉(zhuǎn)向節(jié)主體部位側(cè)面曲線進(jìn)行生成，并對(duì)該汽車轉(zhuǎn)向節(jié)主體部位與支臂有連接的部分面進(jìn)行填補(bǔ)。在這些操作完成之后，通過裁剪功能，對(duì)保留的部分進(jìn)行選取，并進(jìn)行曲面縫合。

圖18 拉伸主體面片草圖

圖19 主體上平面的創(chuàng)建

3.2.3 支臂部分的重構(gòu)

通過對(duì)該型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)支臂部分進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)該型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)支臂部分曲面具有形狀不規(guī)則、曲面復(fù)雜等特性，采用面片草圖法構(gòu)建曲面不適用，所以針對(duì)該型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)支臂部分的處理采用以下流程：首先用畫筆功能創(chuàng)建領(lǐng)域，然后通過3D草圖來對(duì)邊界進(jìn)行劃分，緊接著使用面片擬合功能進(jìn)行擬合，再進(jìn)行曲面剪切，最后是對(duì)需要保留的曲面進(jìn)行選擇并縫合成實(shí)體。對(duì)于該型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)其他的支臂部分則采用相同的方法進(jìn)行構(gòu)建。支臂構(gòu)建過程如圖20所示。在完成該型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)3個(gè)部分的處理之后，采用布爾運(yùn)算合并功能，來對(duì)其進(jìn)行連接。構(gòu)建完成后的轉(zhuǎn)向節(jié)模型如圖21所示。

圖20 支臂構(gòu)建過程

圖21 構(gòu)建完成后的轉(zhuǎn)向節(jié)模型

3.2.4 各部位細(xì)節(jié)的處理

模型建立后，模型與該型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)體還存在細(xì)微差別，可采用倒圓角的方式，使建立的模型與該型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)體更接近，以便減少誤差。在進(jìn)行倒圓角時(shí)，采用Accuracy Analyzer 的偏差工具，對(duì)圓角的半徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)節(jié)色譜為綠色時(shí)，表示倒圓角的半徑調(diào)節(jié)得較為合理。圖22為倒圓角前后對(duì)比圖。

圖22 倒圓角前后對(duì)比圖

3.2.5 導(dǎo)出模型

在模型建立并完成細(xì)節(jié)處理之后，就完成了該型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)體的逆向模型。導(dǎo)出模型的三視圖如圖23所示。

圖23 導(dǎo)出模型的三視圖

4 結(jié)論

本文以某型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)為樣本來開展汽車零部件逆向設(shè)計(jì)研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1）逆向設(shè)計(jì)是以現(xiàn)有產(chǎn)品實(shí)體為樣本，通過對(duì)三維模型的重構(gòu)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而加快產(chǎn)品的設(shè)計(jì)速度，在汽車零部件的更新設(shè)計(jì)上有重要作用。

2）在逆向建模過程中，三維掃描儀作為初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取途徑，其精度對(duì)于后期建立模型的精度有很大影響。

3）在逆向建模過程中，使用Geomagic系列軟件進(jìn)行處理，可以大大提高建模速率。