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［摘要］

文章闡述了解決逆向工程應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品逆向建模過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)．首先介紹對(duì)逆向工程的理解和目前主流逆向技術(shù)應(yīng)用流程，其次以具體工業(yè)產(chǎn)品為例從點(diǎn)云獲取、點(diǎn)云處理、逆向建模、誤差分析、3D打印制造，最終獲得產(chǎn)品樣件的過程．

［關(guān)鍵詞］

逆向工程;點(diǎn)云處理;3D打印

逆向工程技術(shù)(ReverseEngineering，RE)是通過對(duì)一個(gè)物體或系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)分析，獲得產(chǎn)品技術(shù)原理和工作原理的過程．逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)過程中是指與傳統(tǒng)產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)相反的思路，從現(xiàn)有實(shí)物模型著手，利用各種測量設(shè)備獲得測量的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建出相應(yīng)實(shí)物產(chǎn)品數(shù)字模型的技術(shù)手段．目前，逆向工程技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)通過三維掃描實(shí)物的實(shí)際尺寸和現(xiàn)有物理組件的結(jié)構(gòu)，迅速建立三維CAD模型的過程．逆向工程可以實(shí)現(xiàn)在原有產(chǎn)品的技術(shù)文件丟失時(shí)進(jìn)行重建，可提高新產(chǎn)品的開發(fā)效率，還可用于產(chǎn)品分析和學(xué)術(shù)研究等．

1逆向工程概況

逆向工程的原則是“從有到無”，根據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)存在的模型，通過各種測量和三維幾何建模方法，從原始模型到創(chuàng)建出三維的計(jì)算機(jī)數(shù)字模型，推出產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的逆過程．目前，主流逆向工程是由三維掃描儀對(duì)現(xiàn)有的樣品或模型進(jìn)行準(zhǔn)確、高速的掃描，得到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過逆向工程軟件進(jìn)行數(shù)模重建，然后對(duì)重建表面進(jìn)行評(píng)估和分析，轉(zhuǎn)換生成IGES或STL數(shù)據(jù)，為快速原型或數(shù)控加工做好準(zhǔn)備．

1．1常用數(shù)字化測量方法逆向工程技術(shù)中，三維掃描是最基本步驟．這是獲得原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的最直接、最理想的方法．原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的背后是逆向處理的基本依據(jù)．因此，三維掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接影響逆向建模成功與否．掃描設(shè)備根據(jù)測量方法可分為兩類:(1)接觸測量:根據(jù)不同的測量頭，可分為觸發(fā)式和連續(xù)式．三坐標(biāo)測量機(jī)是上個(gè)世紀(jì)60年代開發(fā)的高效精密測量儀器，是一種精度高、柔性強(qiáng)的數(shù)字化測量設(shè)備．(2)非接觸式測量:根據(jù)不同的原理，可分為三角形法、結(jié)構(gòu)光方法、計(jì)算機(jī)視覺法、激光干涉法、激光衍射法、超聲法、色譜法、CT和MRI等．

1．2點(diǎn)云文件編輯處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過非接觸測量方法獲得的結(jié)果是非常龐大的，往往會(huì)有很多雜點(diǎn)和噪聲點(diǎn)．這些點(diǎn)會(huì)對(duì)后續(xù)的模型重建過程有不利影響．因此，需要在曲線重構(gòu)之前對(duì)一些必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和編輯，從而獲得滿意的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為曲面的重建做好準(zhǔn)備．點(diǎn)云預(yù)處理包括點(diǎn)云過濾、點(diǎn)云對(duì)齊、減少噪音、補(bǔ)洞、封裝和其他工作．

1．3三維曲面逆向建模逆向工程技術(shù)中的核心主題，是針對(duì)逆向工程產(chǎn)品CAD模型重構(gòu)．由散亂的產(chǎn)品表面點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合，創(chuàng)建出產(chǎn)品曲面或?qū)嶓w，最后通過曲面編輯和曲面縫合操作，構(gòu)建完整的產(chǎn)品模型．自由曲面的重建是最重要的技術(shù)手段．目前共有3個(gè)類別的從點(diǎn)云曲面進(jìn)行擬合的算法:四邊域的參數(shù)曲面擬合、三邊域的曲面擬合、基于多面域的表面擬合．曲面擬合四邊形參數(shù)的NURBS曲面具有通用性好、算法穩(wěn)定、曲面編輯能力強(qiáng)、良好的表面質(zhì)量等特點(diǎn)，已成為主流的曲面擬合方法．創(chuàng)建產(chǎn)品的CAD模型，從而進(jìn)一步進(jìn)行CAM加工制造或CAE分析，并復(fù)制該產(chǎn)品的外觀．在一般情況下，CAD模型是由許多不同的幾何形狀相結(jié)合，且每個(gè)都具有幾何形狀的特性．因此，如果逆向工程技術(shù)應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，該產(chǎn)品的原始CAD模型進(jìn)行逆向，它不是使用一個(gè)簡單方法來完成，而必須考慮產(chǎn)品外觀的幾何特征，選擇適當(dāng)?shù)那鎰?chuàng)建方法，才可能得到良好的幾何形狀，以滿足產(chǎn)品的外觀要求．因此，要掌握產(chǎn)品模型的逆向過程中數(shù)據(jù)采集方法、曲面特性、曲面的表面特征，在產(chǎn)品曲面的重建過程中可以節(jié)省大量的時(shí)間，提高效率．

2工業(yè)產(chǎn)品的三維掃描

工業(yè)產(chǎn)品工件是車輛中常用的安全錘，為正式量化生產(chǎn)，需要先獲得三維數(shù)字化模型．工件外觀如圖1所示．圖1工件外觀

2．1三維掃描設(shè)備Win3DD系列三維掃描儀，采用對(duì)產(chǎn)品表面非接觸式三維光學(xué)掃描．產(chǎn)品可以對(duì)復(fù)雜的自由曲面、柔軟易變形或磨損的產(chǎn)品模型表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集．該掃描儀超越傳統(tǒng)激光掃描儀的低精度、低效率和行程限制等缺陷．在掃描之前，工件表面需要噴顯像劑和貼標(biāo)記點(diǎn)．由于要雙面掃描，需要在較為平坦的表面貼上標(biāo)記點(diǎn)．經(jīng)過掃描后獲得點(diǎn)云，如圖2所示．圖中可以隱約看到5個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位置。

2．2點(diǎn)云文件編輯處理GeomagicStudio軟件是Geomagic公司的一款核心軟件，它在點(diǎn)云處理方面有明顯優(yōu)勢．GeomagicStudio軟件可以作為CAD、CAE和CAM工具，輸出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式，包括STL、IGES、STEP和CAD等文件格式．Geomagic的軟件處理點(diǎn)云功能強(qiáng)大，能夠滿足逆向掃描點(diǎn)云處理的要求．一般點(diǎn)云要經(jīng)過“著色點(diǎn)”功能后獲得比較明顯的點(diǎn)云．經(jīng)過對(duì)齊、合并和拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)功能，獲得比較完整的點(diǎn)云文件．通過使用“斷開體外連接”“體外孤點(diǎn)”“減少噪音”等操作后，可獲得較為滿意的點(diǎn)云文件，使用“封裝”功能，獲得小三角形狀曲面．通過“網(wǎng)格醫(yī)生”“刪除釘狀物”“填充孔”等功能，對(duì)封裝后曲面的缺陷進(jìn)行維修和編輯．最后，通過輸出STL格式文件，如圖3所示．

2．3UGNX軟件進(jìn)行曲面建模進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品逆向建模時(shí)，首先要進(jìn)行工件擺放設(shè)置，然后考慮產(chǎn)品外觀各部分的成形方法．UGNX常用的曲面造型包括拉伸、旋轉(zhuǎn)、通過曲線組、通過曲線網(wǎng)絡(luò)、直紋等方法．最后考慮取點(diǎn)的截面位置以及創(chuàng)建截面的數(shù)量多少．參照產(chǎn)品實(shí)物模型，在安全錘的頭部考慮使用旋轉(zhuǎn)功能造型．要獲得頭部旋轉(zhuǎn)的截面，需要?jiǎng)?chuàng)建圖4左側(cè)所示的基準(zhǔn)平面．通過截面曲線功能獲得截面點(diǎn)云，繪制旋轉(zhuǎn)截面曲線進(jìn)行造型，獲得圖4中右側(cè)所示的造型．使用UGNX快速造面功能獲得圖5所示的手柄部分曲面．通過曲面的修剪與延伸功能，將手柄部分的曲面延伸，利用水平面進(jìn)行曲面鏡像．使用水平面截切STL模型，獲得尾部的點(diǎn)云，創(chuàng)建如圖6所示的曲面．對(duì)兩個(gè)曲面進(jìn)行互相修剪得到端部結(jié)構(gòu)．手柄曲面對(duì)面部分，與尾部曲面造型同理進(jìn)行創(chuàng)建，獲得圖7左圖所示的圖形．然后通過曲面加厚功能，獲得圖7右圖所示結(jié)構(gòu)．通過曲面縫合、布爾運(yùn)算求和等操作，獲得產(chǎn)品主體造型．經(jīng)過細(xì)節(jié)部分處理和倒圓角后獲得最終的產(chǎn)品數(shù)模，如圖8所示．

3產(chǎn)品的檢驗(yàn)與對(duì)比

曲面的評(píng)價(jià)方法主要是基于表面光順性來評(píng)價(jià)，也可以通過改變所述表面的曲率進(jìn)行評(píng)價(jià)，但沒有嚴(yán)格的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作為曲率的預(yù)定值．在大多數(shù)情況下，是以人眼對(duì)表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)．因此，光順性評(píng)價(jià)是非定量的考核指標(biāo)．GeomagicQualify軟件是逆向工程中常用的檢查軟件．使用GeomagicQualify軟件能迅速檢測產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的CAD模型和制造的產(chǎn)品實(shí)物之間的差異．將圖6中STL模型作為參考，將圖1中模型作為測試件，可獲得檢測結(jié)果．對(duì)產(chǎn)品的頭部對(duì)比檢測結(jié)果如圖9所示．平均偏差控制在0．2mm以內(nèi)．

4產(chǎn)品快速成型制造

熔融沉積型(FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM)，又被稱為“絲狀材料選擇性熔覆”．熔融沉積成型也遵循一定的原理．這些原理主要包括:(1)加熱噴頭受控于數(shù)控系統(tǒng)，并嚴(yán)格按照產(chǎn)品零件的截面輪廓信息，運(yùn)動(dòng)于X－Y平面之上;(2)熱屬性絲狀材料將在供絲機(jī)構(gòu)的運(yùn)送下抵達(dá)熱熔噴頭，在經(jīng)過加熱和熔化之后處于熔融狀態(tài);接著被擠出噴嘴，并被涂抹于工作臺(tái)表面，經(jīng)冷卻和固化之后，形成了一層薄片輪廓(厚約0．1mm);(3)一層截面的成型工作完畢之后，工作臺(tái)的高度將會(huì)下降，并繼續(xù)下一層熔覆，如此循環(huán)反復(fù)，逐層堆積，最后便形成3D產(chǎn)品零件．作為快速成型的第一個(gè)環(huán)節(jié)，在分層之前應(yīng)做好以下準(zhǔn)備:對(duì)三維模型進(jìn)行檢查，看是否存在空洞、裂縫、實(shí)體相交等，明確成型方向．在Aurora軟件中，對(duì)支撐的添加多為自動(dòng)方式而非手動(dòng)方式;對(duì)模型的分層處理過程既有多個(gè)模型的同時(shí)分層，也有單一模型的獨(dú)立分層．在單一模型的分層過程中，應(yīng)首先選定需要分層的模型．根據(jù)產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)需要進(jìn)行3D打印，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行0．35mm厚度的分層．分層參數(shù)設(shè)置如圖10所示．分層后獲得圖11所示的結(jié)果．其中框架部分為產(chǎn)品，內(nèi)側(cè)黑色部分為支撐，下部白色部分為基底．對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行剝離輔助支撐，需要粘接的進(jìn)行粘接，需要打磨的進(jìn)行打磨;水洗零件，自然風(fēng)干．打印出的產(chǎn)品如圖12所示。

5結(jié)語

所謂逆向工程，是通過數(shù)字化測量方式，獲得產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)———點(diǎn)云，通過對(duì)點(diǎn)云的處理創(chuàng)建產(chǎn)品的三維數(shù)模，從而獲得產(chǎn)品的手板，進(jìn)而可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行修改或重設(shè)計(jì)．逆向工程的實(shí)施不僅是為了獲得手板，而且是為后期模具設(shè)計(jì)制造、數(shù)控加工等提供準(zhǔn)確而快捷的數(shù)據(jù)．逆向工程日益與3D打印、快速模具等快速制造技術(shù)緊密結(jié)合．在工業(yè)產(chǎn)品逆向過程中，要注意對(duì)原型結(jié)構(gòu)的分析，搞清原型設(shè)計(jì)師的建模思路．這對(duì)于逆向建模來說是最為重要的．

作者：李慶 邢志勇 單位：安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程系 廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部