一、前言

　　近年來，逆向工程技術(shù)在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，越來越多產(chǎn)品的異型曲面采用逆向工程技術(shù)快速完成數(shù)字建模，加快新產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高外觀的新穎性、復(fù)雜性及制造精度，降低產(chǎn)品研制開發(fā)的周期和成本。逆向工程技術(shù)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)模式，成為現(xiàn)代企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的重要設(shè)計手段。

　　本文以工業(yè)電阻線圈為例，通過利用逆向工程技術(shù)，與Geomagic Studio 11.0軟件的后處理和三維模型重建功能來完成電阻線圈的數(shù)字化三維建模，以滿足精密工業(yè)測量和產(chǎn)品研發(fā)的需要，并縮短了建模時間，提高了建模效率。

　　二、逆向工程技術(shù)介紹

　　逆向工程技術(shù) (Reverse Engineering，RE) 是指用一定的測量手段對實物或模型進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實物的 CAD 模型的過程。采用逆向工程的設(shè)計方法主要是為了借鑒現(xiàn)有產(chǎn)品的設(shè)計思想，進(jìn)行再次開發(fā)及設(shè)計。在此過程中，可以通過軟件工具研究現(xiàn)有產(chǎn)品的設(shè)計思想，提高產(chǎn)品設(shè)計的速度與質(zhì)量，進(jìn)而縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，增強企業(yè)競爭力。

　　逆向工程技術(shù)通常的基本流程(圖1) 是：首先使用精密測量儀器對實體樣件原型進(jìn)行三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集，得到表面幾何點云數(shù)據(jù);然后通過逆向設(shè)計軟件將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、簡化、補缺和平滑等預(yù)處理;緊接著要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分割分塊處理(被測量的實體模型通常是由多個曲面構(gòu)成)，再進(jìn)行曲面擬合;最后在曲面模型的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步建立基于BR(Boundary Representation)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品CAD模型。

　　三、Geomagic Studio 11.0 軟件簡介

　　Geomagic Studio 11.0軟件是美國Raindrop(雨滴)公司最近出品的新型逆向工程應(yīng)用軟件。相對于以往的Geo- magic系列軟件來說，Geomagic Studio 11.0版本對多方面進(jìn)行了改進(jìn)，包括菜單與界面的優(yōu)化、多邊形階段功能的改進(jìn)與算法的優(yōu)化，以及Fashion模塊的功能與算法的提升，并配備了新的模型參數(shù)化轉(zhuǎn)換器。新增加的網(wǎng)格醫(yī)生命令適合于實體模型數(shù)據(jù)復(fù)雜和十分糟糕的情況;新增的切線填充類型，使得操作有更強的控制度和靈活性，并可將極其復(fù)雜的孔洞迅速填充;新增網(wǎng)格半經(jīng)分析功能，可自動分析并預(yù)覽連接區(qū)域的倒圓角大小。尤其在擬合主曲面之間的連接倒圓角區(qū)域時，可以預(yù)先設(shè)置輪廓線延伸與否，確定以尖角或者圓角的方式擬合等。

　　本文就是運用該軟件對掃描所得的電阻線圈點云進(jìn)行多邊形模型和網(wǎng)格的創(chuàng)建，實現(xiàn)NURBS曲面的自動轉(zhuǎn)換和邊角擬合，縮短了建模時間，提高了建模效率。

　　四、模型分析

　　為提高逆向工程技術(shù)重建產(chǎn)品數(shù)模的二次設(shè)計能力，需理解實物原型的設(shè)計意圖及造型方法，并基于測量數(shù)據(jù)進(jìn)行原始設(shè)計參數(shù)還原，以便對其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，然后重建與原始設(shè)計意圖一致的產(chǎn)品數(shù)字化模型進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)。因此，在進(jìn)行曲面的測量和造型之前，需對曲面進(jìn)行分析，劃分曲面的類型并對曲面進(jìn)行適當(dāng)分塊，為后續(xù)的曲面測量和造型做準(zhǔn)備。電阻線圈主要由一系列規(guī)則的筒環(huán)圈、導(dǎo)線槽、柱狀中軸以及若干鉚釘?shù)葮?gòu)成，如圖2所示。

　　五、采集點云數(shù)據(jù)

　　高效、準(zhǔn)確地實現(xiàn)樣件表面的數(shù)字化，是實現(xiàn)逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)和首要環(huán)節(jié)。目前應(yīng)用較為廣闊的樣件三維數(shù)據(jù)采集方法是非接觸式激光三維掃描法，該法測量精度高，測量速度快，能測量輪廓復(fù)雜的產(chǎn)品。如果獲得的點云數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，可以省去不必要的后續(xù)修補工作，提高工作效率，并保證三維重構(gòu)的精確度。

　　在此，我們采用INFINITE 2.0七軸關(guān)節(jié)臂測量機(jī)(圖3)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該設(shè)備是ROMER推出的最新關(guān)節(jié)臂式測量系統(tǒng)，是迄今為止最便于使用、并且精度最高的測量系統(tǒng)。它配備 ScanWorks 非接觸式激光掃描測頭，其測量精度可達(dá)到±0.015mm，能夠完美地解決大型復(fù)雜零件的檢測要求，實現(xiàn)對產(chǎn)品表面點云數(shù)據(jù)的自由測量，并生成逆向工程所需的高質(zhì)量點云數(shù)據(jù)。

　　對測量臂和激光掃描頭進(jìn)行安裝并連接筆記本電腦，打開電腦運行Geomagic Studio 11.0軟件，待測量機(jī)校準(zhǔn)后，將被測實物放置到穩(wěn)定的平臺上并固定，保證其在測量過程中不受振動干擾，然后開始沿物體表面進(jìn)行掃描。激光掃描儀能自動記錄所獲取的曲面點云數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)點動態(tài)顯示在電腦屏幕上(圖4)，對未掃描到或點密度太小的部位可重復(fù)掃描。掃描時，測量點距越小，獲得的點云數(shù)據(jù)就越逼近于所測實物表面，但相應(yīng)的掃描時間更長，處理速度更慢。

　　六、數(shù)據(jù)預(yù)處理

　　測量數(shù)據(jù)預(yù)處理是逆向工程技術(shù)CAD建模的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的結(jié)果將直接影響后期重建模型的質(zhì)量。數(shù)據(jù)的預(yù)處理一般包括：數(shù)據(jù)采樣和過濾、噪聲點的消除、散亂點的排序、點云的分割、點云的精簡、數(shù)據(jù)點云的加密及特征線提取等。根據(jù)實物樣件原型自身特點和設(shè)計者的不同要求以及結(jié)合Geomagic Studio 11.0 軟件的一些新功能，筆者認(rèn)為點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理有不同的形式和內(nèi)容，大體可以分為點云的處理和多邊形化處理兩個階段。其中點云優(yōu)化處理階段包括數(shù)據(jù)的多視拼合、數(shù)據(jù)的去噪處理、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采樣和精簡，以及數(shù)據(jù)的封裝等;多邊形化處理包括數(shù)據(jù)補缺和孔洞修補、數(shù)據(jù)平滑、松弛多邊形、多邊形簡化和細(xì)化處理等。

　　1.點云的優(yōu)化處理

　　由于被測電阻線圈的形狀有些復(fù)雜，為滿足逆向設(shè)計的需要，其測量范圍應(yīng)該是線圈的全部輪廓，即整體外框和內(nèi)部凹槽。另外，由于計算機(jī)性能和存儲能力的限制，需要從不同位置、不同視角進(jìn)行多次測量。然后再將采集的不同坐標(biāo)系下的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行空間變換并融合到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，形成完整的電阻線圈點云(圖5)。該過程就是線圈數(shù)據(jù)的多視拼合。

　　在數(shù)據(jù)采集過程中，受電阻線圈表面質(zhì)量、工作環(huán)境變化和其他人為因素的影響，難免會采集到一些噪點和壞點，同時測量過程中由于操作誤差等原因還可能產(chǎn)生跳點，這些點將嚴(yán)重影響線圈重構(gòu)模型的質(zhì)量。為此，要使用Geomagic軟件進(jìn)行手動和自動去除，以減少冗余點對點云數(shù)據(jù)建模精度的影響。

　　對于本次關(guān)節(jié)臂測量機(jī)采集的線圈點云數(shù)據(jù)，經(jīng)以上步驟處理后的點云仍含有51 731 121 個三維點，這不僅對計算機(jī)性能要求較高，而且也存在大量的冗余數(shù)據(jù)，最終會減緩后續(xù)處理時圖形拓?fù)溥\算的速度。因而有必要在保證一定精度的條件下，利用 Geomagic Studio 11.0 軟件提供的精簡 命令對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、剪裁和平滑處理。經(jīng)過上述一系列點云數(shù)據(jù)預(yù)處理后，點擊“封裝(Wrap)”命令將其封裝成多邊形模型，以便于下一步的數(shù)據(jù)多邊形化處理。

　　2.數(shù)據(jù)的多邊形化處理

　　經(jīng)封裝好的線圈多邊形數(shù)據(jù)，盡管進(jìn)行了點云的優(yōu)化處理，但仍會存在多余、錯誤或表達(dá)不準(zhǔn)確的點，那么由這些點構(gòu)成的三角形勢必會影響線圈實體模型精度。為此，要使用軟件的“網(wǎng)格醫(yī)生”命令，它集成了刪除釘狀物，清除、去除特征和填充孔等多個命令，能自動檢測并糾正錯誤的多邊形網(wǎng)格，快速查找并修復(fù)問題，最終得到表面質(zhì)量更加優(yōu)化的多邊形模型。圖6 和圖7 分別為處理前后的線圈模型。

　　從上一步處理過的線圈模型中我們可以看出，模型測量面仍有大小不等的孔洞，這是由于被測模型本身的幾何拓?fù)湓蚧蛞蚬鈱W(xué)遮擋效應(yīng)、破損等原因所造成的。這會使測量得到的線圈部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，因而需對數(shù)據(jù)進(jìn)行補缺和修補。伴隨著 Geomagic Studio 11.0 的全套一流補孔技術(shù)，不僅能 對小而簡單的孔洞進(jìn)行迅速填充，還能應(yīng)對十分復(fù)雜的孔洞。新的切線補孔功能增添了更多的控制力和靈活性，節(jié)省了重新掃描對象的時間和費用。圖8和圖9為線圈修補前后的模型對比。

　　為了使模型多邊形分布更加合理，得到更優(yōu)化的線圈模型，我們還必須使用軟件的松弛多邊形和增強表面嚙合命令進(jìn)一步在曲率變化較大的區(qū)域?qū)Χ噙呅尉W(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，而在曲率變化均勻的區(qū)域?qū)Χ噙呅尉W(wǎng)格進(jìn)行采樣稀釋處理，以保證被測量線圈的模型精準(zhǔn)度。

　　七、曲面重構(gòu)和 CAD 模型輸出

　　曲面重構(gòu)是逆向工程技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。曲面重構(gòu)的方法除了有放樣、掃掠和旋轉(zhuǎn)之外，也可通過對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割構(gòu)建曲面片，然后對曲面片進(jìn)行剪切拼接。本文則是通過 Geo- magic Studio 11.0 軟件，將多邊形化處理的數(shù)據(jù)經(jīng)過曲面編輯的區(qū)域分割和特征線提取來自動擬合成所需的NURBS曲面。該軟件有兩種曲面重構(gòu)方法：Shape模塊和Fation模塊，前者適用于曲面簡單和規(guī)則幾何實體模型，可自動生成修剪曲面的曲面片網(wǎng)格;后者可根據(jù)原創(chuàng)設(shè)計思路對各曲面進(jìn)行定義，創(chuàng)建未修剪模型，這也是模擬正向建模的思維，再通過幾何元素之間的裁剪、拼接得到所需的復(fù)雜外形。

　　由于電阻線圈實體模型具有多個復(fù)雜曲面組合和細(xì)節(jié)特征豐富等特點，故選用 Fation 模塊。最新的 Fation 模塊不僅可以識別實體模型的原始設(shè)計意圖，而且可在不失效率下重構(gòu)出復(fù)雜的高質(zhì)量表面。

　　將上述多邊形化的線圈數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入 Fation 模塊進(jìn)行曲面構(gòu)建，通過探測輪廓線和編輯輪廓線命令，執(zhí)行“延伸輪廓線”→“自適應(yīng)”命令。自適應(yīng)延伸是根據(jù)生成的輪廓線以及曲面表面的曲率變化進(jìn)行延伸，因此可得到較好的曲面連接效果。在創(chuàng)建修剪曲面處理中手動調(diào)節(jié) 、方向的控制點數(shù)量與位置，保證擬合的曲面更加符合原形。曲面編輯完成后，線圈模型的表面便形成了大小均勻的四邊形柵格網(wǎng)。此時，使用軟件“網(wǎng)格半徑自動分析”功能創(chuàng)建模型曲面連接區(qū)域真實的尖角和倒角邊，最終在擬合初級曲面和曲面連接區(qū)域來完成整個曲面的最佳擬合模型(圖10)。

　　最后，對創(chuàng)建好的線圈曲面模型進(jìn)行參數(shù)化，利用軟件參數(shù)轉(zhuǎn)換器將線圈模型直接輸出到本地的 SolidWorks 軟件中。工業(yè)生產(chǎn)部門可根據(jù)參數(shù)化的特征實體、曲面或草圖，利用數(shù)控機(jī)床或快速成型機(jī)對電阻線圈進(jìn)行加工生產(chǎn)。

　　八、結(jié)束語

　　本文基于INFINITE 2.0七軸關(guān)節(jié)臂測量機(jī)和Geomagic Studio 11.0 軟件的逆向設(shè)計平臺對工業(yè)電阻線圈進(jìn)行數(shù)字仿真設(shè)計，經(jīng)過一系列的逆向處理流程，得到了符合實際應(yīng)用的參數(shù)化模型。該平臺體現(xiàn)了快速測量實體復(fù)雜曲面的能力和較強的點云數(shù)據(jù)優(yōu)化與處理功效，尤其是Geomagic Studio11.0 獨特功能的應(yīng)用，不僅確保了實體原型數(shù)字曲面的建模精度和質(zhì)量，而且還提高了產(chǎn)品設(shè)計和制造效率，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。