0 引言

　　逆向工程是從一個存在的零件或原型入手，首先對其進行數(shù)字化處理，然后重建曲面并構(gòu)造CAD模型，最后制造產(chǎn)品。隨著逆向工程技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用，相配套的軟硬件系統(tǒng)也得到發(fā)展。以汽車連桿實物模型為例，采用Creaform公司的手持式激光掃描系統(tǒng)，以及用逆向工程軟件Geomagic Studio 10完成其數(shù)字化測量與CAD模型重建處理，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析。

　　1 實物模型數(shù)字化采集

　　實物模型的數(shù)字化采集是逆向工程技術(shù)的首要而關(guān)鍵的一步，數(shù)字模型結(jié)果的好壞直接影響到最終CAD模型曲面質(zhì)量的優(yōu)劣。目前，逆向工程使用的數(shù)字化工具可分為接觸方法和非接觸方法，接觸式測量通過側(cè)頭與模型表面接觸實現(xiàn)表面數(shù)據(jù)的獲取;非接觸式測量以計算機圖像處理為主要手段，如激光三角法、結(jié)構(gòu)光法、CT掃描等。

　　激光三角測距法是逆向工程中曲面數(shù)據(jù)采集運用最廣泛的方法，它具有數(shù)據(jù)采集速度快、能對松軟材料的表面進行數(shù)據(jù)采集、能很好測量復(fù)雜輪廓等特點。手持式激光掃描系統(tǒng)是對傳統(tǒng)的激光掃描儀的一個重大突破，掃描儀和掃描物體的相對位置都可以變換，這樣大大提高了掃描范圍和不同場合的掃描可行性。作者采用的Creaform公司的手持式激光系統(tǒng)REVscan由硬件和軟件兩部分組成：手持式REVscan激光掃描儀和VXscan數(shù)據(jù)處理軟件。如圖1所示為激光掃描儀工作示意圖。

　　圖1 REVsean激光掃描儀工作示意圖

　　為得到最準確、完整的點云圖，根據(jù)零件尺寸大小、材質(zhì)、顏色、曲面復(fù)雜程度等的不同可采取不同的掃描策略。該掃描儀的掃描流程可簡單概括為：著色一貼標(biāo)記點一掃描一輸出點云。

　　作者采用的實物模型是汽車連桿，如圖2所示。由于連桿自身尺寸較小，而且表面特征區(qū)域較多，所以可以貼標(biāo)記點的部分有限，無法通過在零件自身貼標(biāo)記點的方式獲得點云數(shù)據(jù)。在該實例中，可以通過增加一塊輔助板來進行測量。此輔助板是一塊平面板，在輔助板面上按照貼標(biāo)記點的規(guī)則均勻貼滿標(biāo)記點，而連桿本身可以不貼標(biāo)記點，通過輔助板上的定位點可以完成對于類似汽車連桿等小零件的測量。圖3是著色后的連桿放在貼滿標(biāo)記點的輔助板之上。

　　圖2汽車連桿零件實物圖

　　圖3著色后的連桿與貼滿標(biāo)記點的輔助板

　　通過激光掃描完成對零件上表面的測量后，可以通過翻轉(zhuǎn)連桿，重新掃描零件的下端面而得到新的點云文件。將兩個點云文件導(dǎo)入到Geomagic Studio軟件下依次進行刪除噪音點云和輔助板點云，通過共同特征點將兩個點云數(shù)據(jù)拼合，并刪除重復(fù)的部分，即可獲得一個完整的連桿點云數(shù)據(jù)文件。

　　2 曲面重建

　　曲面重建通過對點云的多邊形網(wǎng)格化處理并對網(wǎng)格使用Bezier或者NURBS曲面進行擬合來創(chuàng)建曲面，即將點云數(shù)據(jù)文件生成CAD模型文件。作者采用的是快速曲面重建的典型軟件Geomagic Studio，將曲面重建分為3個階段，即點階段、多邊形階段和曲面階段。

　　2.1 點階段

　　由于環(huán)境光或操作的影響，點云數(shù)據(jù)文件不可避免地帶有多余和錯誤的噪點，可在點階段對這些噪點進行刪除處理。Geomagic有兩種刪除點云方式：手動刪除和自動刪除。手動刪除是使用選擇工具選擇所不需要的點進行刪除;自動刪除是執(zhí)行“非連接項”對不需要的孤立點云的直徑進行定義，再將定義范圍之內(nèi)的點刪除。

　　一般情況下，由于初始點云數(shù)量很大，可達到上百萬以上，會使得計算速度較慢，所以要對初始點云數(shù)據(jù)采樣處理。該軟件提供了四種采樣算法：曲率采樣、統(tǒng)一采樣、等距采樣和隨機采樣。由于在模型特征明顯和曲率變化較大的部分需要較多的點表達，所以在一般情況下選擇曲率采樣。處理完成的點云數(shù)據(jù)如圖4所示。

　　圖4汽車連桿零件點云

　　2.2 多邊形階段

　　對點階段處理完成的點云進行封裝處理，構(gòu)造三角形網(wǎng)格，即進入多邊形階段。在多邊形階段，若模型有三角形未填充到的部分則執(zhí)行“填充孔”命令，系統(tǒng)自動對表面執(zhí)行基于曲率填充，該命令對曲率變化比較有規(guī)律的表面有較好的填充效果。

　　對模型表面多余的或者不需要的部分執(zhí)行“消除特征”命令，該命令同樣是基于曲率對表面進行消除處理，所以對曲率變化較規(guī)則的表面有較好的消除效果;對于曲率變化不規(guī)則的部分，可先將需要消除的部分刪除，再對刪除后生成的孔進行填充。如圖5所示為消除連桿側(cè)邊凹陷處的特征前后對比圖。

　　圖5消除連桿側(cè)邊凹陷處特征的前后對比圖

　　原始點云形成的模型表面往往不夠光滑，不理想的表面會影響到最終CAD模型表面的光順程度。可通過執(zhí)行“消除”和“清除釘狀物”命令對整個表面進行光順處理，可得到光滑的表面;如圖6所示為光順處理后較理想的模型表面。

　　圖6汽車連桿的多邊形模型

　　2.3 曲面階段

　　在曲面階段可對模型進行分塊，再分別對各分塊進行定義、擬合和延伸，最后通過各分塊之間的相剪切得到CAD模型。最新的Geomagic Studio 10中集成的Fashion模塊可通過對原始設(shè)計意圖的識別，實現(xiàn)對各分塊區(qū)域的類別探測，從而提高最終生成的CAD模型的質(zhì)量。

　　在Fashion模塊下首先執(zhí)行“探測輪廓線”命令對模型進行曲率檢測，通過對模型表面曲率變化較大的區(qū)域進行中心線抽取得到的輪廓線可將模型分為多個區(qū)域;再執(zhí)行“延伸輪廓線”命令，根據(jù)輪廓線生成延伸線，延伸線的作用是在各分塊曲面之間形成過渡曲面，使各分塊之間得到良好的過渡，提高模型整體的平順和光滑程度。結(jié)果如圖7所示。

　　圖7模型的輪廓線和延伸線

　　創(chuàng)建完各分塊區(qū)域和過渡曲面后，執(zhí)行“創(chuàng)建修剪曲面”對分塊和過渡曲面進行編輯。該命令分為5步：第1步“分類”是將各分塊進行自動分類，可根據(jù)其幾何性質(zhì)將其定義為平面、圓柱面、球面、圓錐面等基本幾何模型，或除此之外的自由曲面，結(jié)果如圖8所示;第2步“擬合初級曲面”即對上一步定義的各分塊進行擬合;第3步“擬合連接”即擬合過渡曲面部分;第4步“分析”可對模型的偏差大小、初級曲面以及過渡曲面擬合效果進行分析，對于不滿意的部分可返回進行修改;第5步“修剪/縫合”是對擬合的初級曲面和過渡曲面進行修剪，并對修剪結(jié)果進行縫合，生成CAD模型。最終的CAD模型如圖9所示。

　　圖8連桿的曲面片分類

　　圖9連桿的CAD模型

　　經(jīng)過對CAD模型結(jié)果分析可知，利用Fashion模塊的曲面片類型識別和擬合功能，其擬合精度和表面質(zhì)量都可以得到較大的提高。

　　3總結(jié)

　　以汽車連桿零件為例，結(jié)合最新的手持式三維掃描系統(tǒng)和Geomagic逆向工程軟件闡述了從實物模型到CAD模型的整個過程。手持式激光掃描系統(tǒng)具有便攜性，自定位等優(yōu)點;Geomagic Studio具有自動識別表面特征的功能，能夠解讀模型各分塊區(qū)域的原始設(shè)計意圖，從而可以大幅度提高重建模型曲面的質(zhì)量。隨著逆向工程中數(shù)字化掃描設(shè)備和CAD重建軟件的功能和效率的不斷提高，逆向工程技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。