工業(yè)產(chǎn)品的逆向工程技術(shù)及應(yīng)用

李　慶,邢志勇

(1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程系， 安徽　蕪湖　241000; 2.廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部， 福建　廈門　361100)

?

工業(yè)產(chǎn)品的逆向工程技術(shù)及應(yīng)用

李慶1,邢志勇2

(1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程系， 安徽蕪湖241000; 2.廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部， 福建廈門361100)

[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)品為例從點云獲取、點云處理、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；點云處理；3D打印

逆向工程技術(shù)(Reverse Engineering，RE)是通過對一個物體或系統(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)計相反的思路，從現(xiàn)有實物模型著手，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)展成為一個通過三維掃描實物的實際尺寸和現(xiàn)有物理組件的結(jié)構(gòu)，迅速建立三維CAD模型的過程.逆向工程可以實現(xiàn)在原有產(chǎn)品的技術(shù)文件丟失時進行重建，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)建出三維的計算機數(shù)字模型，推出產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)的逆過程.目前，主流逆向工程是由三維掃描儀對現(xiàn)有的樣品或模型進行準(zhǔn)確、高速的掃描，得到三維點云數(shù)據(jù)，通過逆向工程軟件進行數(shù)模重建，然后對重建表面進行評估和分析，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.這是獲得原始點云數(shù)據(jù)的最直接、最理想的方法.原始點云數(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)測量機是上個世紀(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、計算機視覺法、激光干涉法、激光衍射法、超聲法、色譜法、CT和MRI等.

1.2點云文件編輯處理

點云數(shù)據(jù)通過非接觸測量方法獲得的結(jié)果是非常龐大的，往往會有很多雜點和噪聲點.這些點會對后續(xù)的模型重建過程有不利影響.因此，需要在曲線重構(gòu)之前對一些必要的數(shù)據(jù)進行處理和編輯，從而獲得滿意的點云數(shù)據(jù)，為曲面的重建做好準(zhǔn)備.點云預(yù)處理包括點云過濾、點云對齊、減少噪音、補洞、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，是針對逆向工程產(chǎn)品CAD模型重構(gòu).由散亂的產(chǎn)品表面點數(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個類別的從點云曲面進行擬合的算法：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、良好的表面質(zhì)量等特點，已成為主流的曲面擬合方法.

創(chuàng)建產(chǎn)品的CAD模型，從而進一步進行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)計中，該產(chǎn)品的原始CAD模型進行逆向，它不是使用一個簡單方法來完成，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.

結(jié)合上述分析,本文使用基于余弦相似度提取的動態(tài)行為關(guān)鍵幀角度特征變化序列構(gòu)建動態(tài)行為表示方法,定義如下:

圖1　工件外觀

2.1三維掃描設(shè)備

Win3DD系列三維掃描儀，采用對產(chǎn)品表面非接觸式三維光學(xué)掃描.產(chǎn)品可以對復(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.由于要雙面掃描，需要在較為平坦的表面貼上標(biāo)記點.經(jīng)過掃描后獲得點云，如圖2所示.圖中可以隱約看到5個標(biāo)記點的位置.

圖2　原始點云文件

2.2點云文件編輯處理

Geomagic Studio軟件是Geomagic公司的一款核心軟件，它在點云處理方面有明顯優(yōu)勢.Geomagic Studio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的軟件處理點云功能強大，能夠滿足逆向掃描點云處理的要求.

一般點云要經(jīng)過“著色點”功能后獲得比較明顯的點云.經(jīng)過對齊、合并和拼接點云數(shù)據(jù)功能，獲得比較完整的點云文件.通過使用“斷開體外連接”“體外孤點”“減少噪音”等操作后，可獲得較為滿意的點云文件，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，對封裝后曲面的缺陷進行維修和編輯.最后，通過輸出STL格式文件，如圖3所示.

圖3　經(jīng)過處理后的曲面文件

2.3UG NX軟件進行曲面建模

進行工業(yè)產(chǎn)品逆向建模時，首先要進行工件擺放設(shè)置，然后考慮產(chǎn)品外觀各部分的成形方法.UG NX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.最后考慮取點的截面位置以及創(chuàng)建截面的數(shù)量多少.

參照產(chǎn)品實物模型，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，需要創(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云，繪制旋轉(zhuǎn)截面曲線進行造型，獲得圖4中右側(cè)所示的造型.

圖4　導(dǎo)入UG中的模型擺放位置及頭部造型

使用UG NX快速造面功能獲得圖5所示的手柄部分曲面.

圖5　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，利用水平面進行曲面鏡像.使用水平面截切STL模型，獲得尾部的點云，創(chuàng)建如圖6所示的曲面.對兩個曲面進行互相修剪得到端部結(jié)構(gòu).

圖6　手柄尾部造型

手柄曲面對面部分，與尾部曲面造型同理進行創(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).

圖7　另一側(cè)手柄結(jié)構(gòu)

通過曲面縫合、布爾運算求和等操作，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.

圖8　產(chǎn)品數(shù)模

3產(chǎn)品的檢驗與對比

曲面的評價方法主要是基于表面光順性來評價，也可以通過改變所述表面的曲率進行評價，但沒有嚴(yán)格的評價標(biāo)準(zhǔn)作為曲率的預(yù)定值.在大多數(shù)情況下，是以人眼對表面質(zhì)量進行評價.因此，光順性評價是非定量的考核指標(biāo).

Geomagic Qualify軟件是逆向工程中常用的檢查軟件.使用Geomagic Qualify軟件能迅速檢測產(chǎn)品設(shè)計中的CAD模型和制造的產(chǎn)品實物之間的差異.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.對產(chǎn)品的頭部對比檢測結(jié)果如圖9所示.平均偏差控制在0.2 mm以內(nèi).

圖9　產(chǎn)品頭部Qualify檢測結(jié)果

4產(chǎn)品快速成型制造

熔融沉積型(Fused Deposition Modeling,FDM)，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，運動于X-Y平面之上；(2)熱屬性絲狀材料將在供絲機構(gòu)的運送下抵達熱熔噴頭，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，并被涂抹于工作臺表面，經(jīng)冷卻和固化之后，形成了一層薄片輪廓(厚約0.1 mm)；(3)一層截面的成型工作完畢之后，工作臺的高度將會下降，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環(huán)節(jié)，在分層之前應(yīng)做好以下準(zhǔn)備：對三維模型進行檢查，看是否存在空洞、裂縫、實體相交等，明確成型方向.

在Aurora軟件中，對支撐的添加多為自動方式而非手動方式；對模型的分層處理過程既有多個模型的同時分層，也有單一模型的獨立分層.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)計需要進行3D打印，對產(chǎn)品進行0.35 mm厚度的分層.分層參數(shù)設(shè)置如圖10所示.

圖10　產(chǎn)品的分層參數(shù)設(shè)置

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.

對產(chǎn)品進行剝離輔助支撐，需要粘接的進行粘接，需要打磨的進行打磨；水洗零件，自然風(fēng)干.打印出的產(chǎn)品如圖12所示.

圖11　3D打印機軟件中產(chǎn)品分層圖

圖12　快速成型產(chǎn)品

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)——點云，通過對點云的處理創(chuàng)建產(chǎn)品的三維數(shù)模，從而獲得產(chǎn)品的手板，進而可對產(chǎn)品進行修改或重設(shè)計.逆向工程的實施不僅是為了獲得手板，而且是為后期模具設(shè)計制造、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，要注意對原型結(jié)構(gòu)的分析，搞清原型設(shè)計師的建模思路.這對于逆向建模來說是最為重要的.

[參考文獻]

[1]田竹友,簡斌. 逆向工程中數(shù)據(jù)的處理[J]. 北京機械工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2004,19(2):1-5.

[2]ELLEN D, LEIF K, RICHARD P, et al. A sketching interface for feature curve recovery of free-form surfaces[J]. Computer-Aided Design, 2011 (7): 26-29.

[3]朱巍. 細(xì)分曲面理論及其應(yīng)用問題的研究[D]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

[4]匡小蘭,歐新良,倪問尹. 散亂點云數(shù)據(jù)區(qū)域分割綜述[J]. 長沙大學(xué)學(xué)報，2010,24(5):68-72.

[5]李新. 逆向工程模型重構(gòu)及工程應(yīng)用若干問題的研究[D]. 南昌：南昌航空大學(xué)，2010.

[6]李慶, 吳亞蘭. 異形零件的逆向建模方法及應(yīng)用[J]. 山東理工大學(xué)學(xué)報,2015, 29 (5):41-44.

(責(zé)任編輯吳強)

Reverse engineering technology and application of industrial products

LI Qing1, XING Zhiyong2

(1. Numerical Control Engineering Department, Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhu Anhui 241000, China；2. Department of Basic, Xiamen Ocean Vocational College, Xiamen Fujian 361100, China)

Abstract：This paper introduces the solution of some key technologies in the process that the reverse engineering is applied to the reverse modeling of industrial products. First of all, the understanding of reverse engineering and the current mainstream reverse technology application process are introduced. Secondly, this paper introduces the specific industrial products, for example, point cloud was obtained from the point cloud processing, and reverse modeling, error analysis, and 3D printing manufacture, finally the process of product samples was obtained.

Key words：reverse engineering; point cloud processing; 3D printing

[中圖分類號]TB21

[文獻標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-8004(2016)02-0102-04

[作者簡介]李慶(1981—)，男，回族，山東曹縣人，講師，主要從事計算機輔助設(shè)計與制造、數(shù)控技術(shù)方面的研究.

[基金項目]安徽省高等學(xué)校省級自然科學(xué)研究項目(KJ2013B048).

[收稿日期]2014-11-19