面向產品創新設計的逆向工程技術實驗教學

成思源， 張中寶， 楊雪榮， 張湘偉， 王小康

(廣東工業大學 機電工程學院， 廣州 510006)

0 引 言

隨著高等教育的不斷發展，創新能力的培養在實踐教學中也愈加重要[1-3]。對于機械類專業的學生，在本科期間不僅需要熟練掌握本專業知識和技能，還應具備一定的創新設計的能力[4]。在數字化技術推動社會快速發展的趨勢下，通過吸收先進的技術來增強自身的競爭能力，對于企業可持續發展具有至關重要的作用，而逆向工程(Reverse Engineering,RE)技術是實現在已有產品實物基礎上進行快速創新設計的重要途徑。

因此，通過開設面向產品創新設計的RE技術實驗，在已有實物基礎上進行創新設計，對于提高本科生的實踐能力，并有意識地加強創新設計的培養，具有重要的作用[5-6]。在實驗教學環節中，學生通過使用RE技術來實現實物產品的建模，在此基礎上開展創新設計，不僅能提高學生消化吸收現有產品設計意圖的能力，更能鍛煉和提高創新意識和能力，為今后參與企業實踐或科研工作打下良好的基礎。

1 面向產品創新設計的RE技術實驗

RE是指從產品實體轉化為CAD模型，并在CAD模型的基礎上進行一系列解剖和分析，同時也是一種技術再現的過程[4]，是實現產品創新設計的重要手段。將RE和快速成型(Rapid Prototyping,RP)技術相結合，能夠大大減小產品開發周期和成本，為產品的創新設計和開發提供了更高效的方法。在機械類專業開設面向產品創新設計的RE技術實驗教學，能讓學生掌握RE的理論知識，并熟練使用逆向軟件對產品進行創新設計，有效地提高學生的工程實踐、分析解決和創新設計能力[7-8]。規劃的實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗流程示意圖

由圖1可知,主要實驗流程有:① 通過三維測量設備來獲取實體表面的點云數據；② 將點云數據導入到專門的數據處理軟件中進行預處理；③ 對數據進行曲面擬合進而構建實體模型；④ 在實體模型基礎上進行創新設計和正向建模；⑤ 獲得新產品的CAD模型。

2 關節臂測量機的點云數據采集

關節臂式測量是三坐標測量機的一種特殊機型機，如圖2所示，可配選多種測頭，具有掃描檢測、三坐標測量、彎管測量等多種功能。如用于點云數據的采集和常規尺寸檢測，可配選觸發式測頭；如用于RE的實體表面密集點云數據的采集，可配選激光掃描測頭。本實驗教學所用測量設備是Hexagon公司的Romer Ineinite 2.0系列關節臂和Perceptron公司的ScanWorks V4i激光掃描頭[9]。

圖2 關節臂測量機

點云數據采集實驗流程如下：

(1) 實體表面處理。實驗室使用關節臂測量機來采集模型表面的點云數據。數據采集前需要對所有要數據采集的實物表面清理干凈，對于掃描的模型是反射效果較為強烈的材質，CCD將無法正確的捕捉到反射回來的激光，需要通過噴施著色劑來增強模型表面的漫反射，使CCD正常工作。

(2) 數據采集的原則。把實物放置在可掃描范圍之內。在掃描過程中不能移動物體，關節臂的激光掃描測頭與物體表面保持在150 mm左右，測頭對著物體表面的法線方向沿著特征線移動；從曲率變化較小的面開始，一個面掃描完后，接著轉到相鄰面掃描；在采集到整個物體表面的大部分數據點后，一般需要暫停，從各個方位轉到數據，檢查紕漏，如需追加掃描，繼續掃描以達到完整的數據[10]。

本實驗以熊本熊手機殼(見圖3)為例，該手機殼內外側表面形狀復雜，需要多次掃描來采集整個物體的點云數據；對手機殼進行噴施著色劑來增強模型表面的漫反射，如圖4所示。分別對手機殼的內側、外側進行掃描。圖5為熊本熊手機殼內側、外側的點云數據。

圖4 著色后的熊本熊手機殼

3 基于Geomagic Studio的逆向建模

Geomagic Studio是一款逆向建模軟件，可將采集到的點云數據進行一系列處理得到多邊形數據，并將處理好的多邊形數據來創建出逼近原點云數據模型和光順的曲面模型。其處理階段分別為點階段、多邊形階段和曲面階段。

3.1 點階段處理

在RE中，點階段處理是模型掃描后的第1步。在數據采集時，通常會由于環境因素或者工作人員經驗等原因，會使點云數據包含大量噪聲，因此需要去除多余的點，減少噪聲。點階段主要是對采集到的點云數據進行一系列預處理，包括去除非連接項、去除體外孤點、采樣等處理[10-11]，從而得到一組完整而高質量的點云數據。點階段操作流程如圖6所示。

圖6 點階段操作流程圖

使用Geomagic Studio軟件對點云數據進行處理，首先將點云進行著色，刪除內、外側兩組數據中的無關數據(工作平臺等)，然后根據兩組數據重合部分的多個公共特征點來使其合并成一組數據；通過刪除非連接項、體外孤點，來刪除偏離主點云的點集和孤島；通過減少噪聲來使數據更加平滑；由于點云數據合并后數據量比較大，影響后續操作中計算機的計算速度，所以將數據進行曲率采樣，可減少點云數據且保持點云曲率明顯部分的形狀；最后將數據進行封裝，如圖7所示。

3.2 多邊形階段處理

在RE中，多邊形階段處理是在點云數據封裝后進行一系列的技術處理，從而得到一組完整的理想多邊形數據模型。點云數據封裝后轉換為多邊形網格，由于點云數據的缺失、噪聲、網格化算法缺陷等原因，轉換后的網格會出現網格退化、自交、孤立、重疊以及空洞等錯誤，為得到一組完整理想的多邊形數據模型[12]，其多邊階段操作流程如圖8所示。

圖8 多邊階段操作流程圖

多邊形階段處理流程并沒有嚴格的順序，對于不同實物的具體問題應當選擇相應的操作。熊本熊手機殼的多邊形模型經過多邊形階段處理后，模型效果如圖9所示。

3.3 曲面階段處理

曲面階段處理是從多邊形模型進行一系列的技術處理后得到一個理想的曲面模型。首先根據探索出模型的輪廓線，并對輪廓線進行編輯，通過輪廓線將模型整個表面劃分并構造曲面片；然后將曲面片經過格柵處理，最后將每個曲面片擬合成NURBS曲面，并進行曲面合并，得到曲面模型[13-15]。將封閉的曲面模型保存iges格式的實體模型。曲面階段操作流程如圖10所示。熊本熊手機殼的多邊形模型經過曲面階段處理后，模型效果如圖11所示。

圖10 曲面階段操作流程圖

4 逆向建模的產品創新設計

實體模型經過逆向建模后，將輸出的封閉曲面模型轉化為實體模型導入到正向軟件中進行產品的創新設計。產品的創新設計流程如圖12所示。

圖12 產品的創新設計流程圖

4.1 創新設計

產品創新設計首要任務就是明確創新方向，接著對實體模型進行解剖，最后完善結構設計。下面以學生實驗為例說明。

(1) 明確創新方向。隨著信息化時代的快速發展，智能手機的普及率已經大幅度的增加，由于智能手機的方便與快捷，人們對其也越來越依賴，甚至難以離開它。然而，在使用智能手機操作復雜任務時，往往離不開手機發熱的問題。針對手機發熱的問題，提出一種降溫手機殼設計。

(2) 概念設計。設計降溫手機殼，需要明確手機發熱源，主要發熱源有電池、CPU和GPU。CPU和GPU一般放置在攝像頭的一側(左或右)，面積小且發熱量大；電池放置在攝像頭的下側，面積較大。因此設計的冷卻液系統應放置在模型內側表面上，并通過在對應熊本熊手機殼模型上的耳朵部位設計氣泵，使冷卻液能在冷卻系統均勻流動。

(3) 結構設計。要使逆向建模后的熊本熊手機殼內側表面上附著冷卻系統，則需要對手機殼內側進行建模，使得冷卻系統能夠更好配合到手機殼內側表面上。冷卻系統可以設置為抽空的冷卻管道(對應CPU和GPU位置上)和冷卻水槽(對應電池位置上)，冷卻管道中注入冷卻液。并在熊本熊手機殼上的耳朵內側放置氣泵，通過反復的外力擠壓兩邊的氣泵，冷卻系統可以使冷卻液在冷卻管道中均勻的流動，讓局部發熱過大位置的高溫冷卻液與低溫冷卻液達到交換的效果，提高冷卻液冷卻的效率。

4.2 正向建模

將逆向處理后的實體模型導入到Pro/ENGINEER軟件中進行建模。降溫手機殼主要分為殼體和冷卻系統。冷卻系統由氣泵、冷卻管道、管道底盤組成，附著在殼體內側表面上，氣泵與熊本熊手機殼模型上的耳朵處進行配合設計。設計效果如圖13所示。該設計方案目前也已提交了專利申請。

(a) 殼體(b) 冷卻系統(c) 整體效果

圖13 設計方案效果圖

5 結 語

隨著目前對本科生創新意識和能力培養要求的提高，通過運用RE技術，在已有產品實物基礎上實現創新已成為機械類以及材料成形類專業學生應掌握的一項重要設計方法[16]。通過開設面向產品創新設計的RE技術實驗教學，不僅可以使學生了解RE解決方案的總體思路，熟練掌握RE技術，而且將有利于鍛煉和培養學生的創新意識，有效提高學生的創新設計能力。