基于逆向工程的復雜殼體零件數據采集與數據處理

孫瑩 邱陽 李有利

基金項目：本文系內蒙古自治區高等學校科學研究項目（基金項目：基于逆向工程的某重型卡車驅動橋主減速器殼體優化設計研究，項目編號：NJZY21103）。

作者簡介：孫瑩（1984—），女，碩士，副教授，研究方向為機械設計制造及機械CAD/CAM。摘 ?要：本項目旨在對某重型卡車后驅動橋主減速器殼體進行輕量化改進設計，在缺乏原始數據的情況下，首先需要進行數據采集與數據處理。本文在簡述了數據采集的原理及對比各種采集方式特點的基礎上，基于逆向工程流程，運用逆向掃描設備得到了該殼體的點云數據，繼而利用Geomagic Wrap軟件進行了數據處理。運用該方式進行數據采集和處理可顯著提高工作效率，縮短產品開發周期，也為其他類似殼體零件的數據采集與數據處理提供了借鑒。

關鍵詞：逆向工程;復雜殼體;數據采集;數據處理

中圖分類號： ??????文獻標識碼：A

Data Acquisition and Data Processing of Complex Housing?Parts Based on Reverse Engineering

SUN Ying1 ??QIU Yang2??LI Youli2

（1.School of Mechanical Engineering， Baotou Vocational & Technical College， Baotou， Inner Mongolia Autonomous Region， 014030 China;?2.Baotou Beiben Heavy Truck Axle & Transmission Co.， Ltd.， Baotou， Inner Mongolia Autonomous Region， 014030 China）

Abstract： ?This project aims to improve the lightweight design of the main reducer housing of the rear drive axle of a heavy truck. In the absence of raw data， data acquisition and data processing are first required. On the basis of briefly describing the principle of data acquisition and comparing the characteristics of various acquisition methods， based on the reverse engineering process， the point cloud data of the housing is obtained by using the reverse scanning equipment， and then the data is processed by using Geomagic Wrap software. Using this method to collect and process data can significantly improve work efficiency， shorten product development cycle， and also provide a reference for data collection and data processing of other similar housing parts.

Key Words： Reverse engineering; Complex housing; Data acquisition; Data processing

1研究背景

由于該產品沒有原始數據，要進行輕量化設計，首先需要獲取產品點云數據，進而進行模型重構和再設計^[3]。不同的測量方式有著不同的效果，點云精度也存在差異，后期處理難度和逆向后數據的精度也會受到不同程度的影響，因此數據采集環節至關重要。

2數據采集原理

點云數據的獲取方法主要有接觸式和非接觸式兩類。接觸式根據測頭類型的不同分為觸發式和連續掃描式;非接觸式根據工作原理不同可分為光學式（包括激光三角測距法、結構光學法、激光干涉測量法、圖像分析法）和非光學式（包括CT測量法、MRI測量法、逐層切削掃描法、超聲波測量法）。常用的數據采集方法特點對比見表1。

3掃描方法的選擇

該殼體零件為鑄造件，多數特征由鑄造成型，部分特征再次加工后成型。殼體表面多為不規則幾何形狀，其外表面有與小齒輪殼的連接面和一系列加強散熱筋以及沉頭孔等特征，內表面方向有兩個與輪間差速器軸承連接的軸承安裝座孔和與橋殼連接的連接面及連接孔，具體特征布置如圖1所示，由于該零件細節較多、曲面形狀較復雜，故選擇非接觸式形創handscan700手持式激光掃描儀。

圖1 ?某重型卡車后驅動橋主減速器殼體

該掃描儀的精度為0.030mm，分辨率為0.050，具有極高的可重復性和可追蹤性，無須固定安裝，可以在掃描期間按需要移動物體，無須配備外部跟蹤或定位設備，校準方便，測量速率可達480?000次/s，且能自動網格輸出，采集完成之后即可將掃描文件導入至RE/CAD軟件，無須執行復雜的對齊等點云預處理過程。

4數據采集

4.1 制定掃描策略

該殼體零件為深灰色鑄鐵件，外形尺寸約為（540×354×286）mm，細節特征較多，掃描時要保留產品原有細節特征，盡量避免數據丟失或損壞，因此采取整體掃描方案。由于表面經過噴漆處理，掃描時會出現反光，故需對零件表面進行噴粉處理。由于零件內外表面均不規則、不對稱，需要經過多角度、多范圍的多次掃描，故需要在零件表面粘貼標志點，從而實現多次掃描數據的坐標系統一。

4.2 準備掃描設備

（1）完成三維掃描儀各個部件的組裝，保證掃描主機、電源線、數據傳輸線、移動工作站各個部件連接牢固，通信正常。

（2）進行設備標定，本設備標定方法簡單，如圖2所示，打開標定板，上下、前后、左右移動掃描，調節掃描距離和掃描儀角度使藍色圓和綠色圓重合，且周圍的指示線在綠色范圍內，系統即會提示“掃描儀校準已優化”。

（3）設置掃描分辨率、曝光時間、激光功率、光源形式等參數。選擇合理的參數，能夠保證數據的完整性，為后期處理減少工作量。

4.3 噴涂顯像劑

由于該殼體零件表面進行了噴漆處理且顏色較深，掃描時會反光，故需要在零件表面噴涂一層顯像劑。噴粉時，顯像劑噴嘴與零件之間保持大致30cm的距離，在滿足掃描要求的前提下盡可能薄且均勻，顯像劑噴涂過多，不僅會在零件表面形成留痕，更會使零件厚度增加，影響掃描精度。

4.4 粘貼標志點

為了實現多次掃描數據的坐標統一，需要在零件表面粘貼標志點。標志點粘貼時應注意以下幾點。（1）標志點不要粘貼在一條直線上，也不要對稱粘貼。（2）過渡區公共標志點數量至少為4個，考慮到拍攝角度、掃描圖像質量等原因5～7個最好。（3）標志點應使相機在盡可能多的角度可以同時看到。（4）粘貼標志點應選擇面積較大且曲率較小的曲面，盡量遠離邊緣。（5）標志點不能太密，也不能太稀^[4]。太密，會因為軟件計算填補無法還原真實狀態，導致數據不準確;太稀，會影響數據采集的連貫性，掃描會經常出現卡頓，標記點無法抓取。該殼體零件噴粉及標志點粘貼后如圖3所示。

4.5 零件掃描

掃描時手持激光掃描儀距離零件大約20cm為宜，應隨時觀察距離指示燈并進行調整，先掃描外表面，然后翻轉零件掃描內表面，由于粘貼了標識點，所以參照物與零件相關聯，掃描過程中是可以移動零件的^[5]。掃描的同時要注意觀察電腦中采集到的數據是否完整，如有缺失，可以重復和多角度地掃描以達到較好的掃描效果，如確實掃描不到，應首先保證采集到關鍵數據，方便逆向建模時進行特征擬合。

5數據處理

采集完成后的點云數據包含一些掃描物體之外的雜點，粘貼標志點的位置會形成孔洞，邊緣部分也會出現數據缺失，因此需要應用Geomagic Wrap軟件將掃描雜點去除，并且填充孔洞，從而形成封閉完整的零件數據。

由于形創handscan700手持式激光掃描儀具有自動網格輸出功能，故無須進行點云的預處理階段，而直接進入多邊形處理階段，降低了數據處理的難度，提高了數據處理的效率。

5.1 孔洞填充及破面修補

由于該殼體零件結構復雜、內部有遮擋、存在深孔且表面貼有標志點等，導致封裝后的三角面片產生了大量破面或孔^[6]，因此需用“填充孔”命令來進行修補。“填充單個孔”下共有6種填充方式，分別是曲率、平面、切線、內部孔、邊界孔以及搭橋。對于有曲率的孔洞，采用“曲率+內部孔”的方式修補;對曲率較小的孔洞，采用“平面+內部孔”的方式;對于邊緣數據的缺失，采用“曲率+邊界孔”的方式;對于缺失較大的孔洞，應先進行“搭橋”，在劃分區域之后，再選擇合適的方式補洞。

5.2 應用網格醫生

網格醫生的作用是自動檢測并修復多邊形網格的各種缺陷^[7]。在符合規則的狀態下，進行自動修復、刪除釘狀物、清除多余數據、去除多余特征、填補孔。單擊“應用”按鈕，有問題的部分以紅色顯示，然后點擊“確定”，軟件就會自動修復。

5.3 平滑曲面

平滑曲面主要用于對網格進行平滑操作，消除尖角，使表面更加光順，從而為逆向設計提供更為精確的數據。“平滑”主要有松弛、刪除釘狀物、較少噪音、快速光順、砂紙等命令，常用的有松弛、光順和砂紙。數據處理前后的殼體零件如圖4所示。

6結語數據采集與數據處理是逆向工程的基礎，也是本項目零件某重型卡車后驅動橋主減速器殼體優化設計的第一步。本案例采用了形創handscan700手持式激光掃描儀，首先進行了設備的標定與參數設置，并對掃描零件進行噴涂顯像劑和粘貼標志點，而后通過掃描零件采集數據，并應用Geomagic Wrap軟件對掃描數據進行了孔洞填補、網格醫生和平滑曲面等處理，最終得到了細節完整、表面平滑、質量較高的零件多邊形數據，為該零件后續的逆向建模和優化設計提供了良好的數據基礎，這也為其他類似殼體零件的數據采集與數據處理提供了借鑒。

參考文獻