工业产品的逆向工程技术及应用

李　庆,邢志勇

(1.安徽机电职业技术学院数控工程系， 安徽　芜湖　241000; 2.厦门海洋职业技术学院基础部， 福建　厦门　361100)



工业产品的逆向工程技术及应用

李庆1,邢志勇2

(1.安徽机电职业技术学院数控工程系， 安徽芜湖241000; 2.厦门海洋职业技术学院基础部， 福建厦门361100)

[摘要]文章阐述了解决逆向工程应用于工业产品逆向建模过程中的一些关键技术.首先介绍对逆向工程的理解和目前主流逆向技术应用流程，其次以具体工业产品为例从点云获取、点云处理、逆向建模、误差分析、3D打印制造，最终获得产品样件的过程.

[关键词]逆向工程；点云处理；3D打印

逆向工程技术(Reverse Engineering，RE)是通过对一个物体或系统的物理结构分析，获得产品技术原理和工作原理的过程.逆向工程技术在产品开发过程中是指与传统产品正向设计相反的思路，从现有实物模型着手，利用各种测量设备获得测量的数据，创建出相应实物产品数字模型的技术手段.目前，逆向工程技术已经发展成为一个通过三维扫描实物的实际尺寸和现有物理组件的结构，迅速建立三维CAD模型的过程.逆向工程可以实现在原有产品的技术文件丢失时进行重建，可提高新产品的开发效率，还可用于产品分析和学术研究等.

1逆向工程概况

逆向工程的原则是“从有到无”，根据产品已经存在的模型，通过各种测量和三维几何建模方法，从原始模型到创建出三维的计算机数字模型，推出产品设计数据的逆过程.目前，主流逆向工程是由三维扫描仪对现有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到三维点云数据，通过逆向工程软件进行数模重建，然后对重建表面进行评估和分析，转换生成IGES或STL数据，为快速原型或数控加工做好准备.

1.1常用数字化测量方法

逆向工程技术中，三维扫描是最基本步骤.这是获得原始点云数据的最直接、最理想的方法.原始点云数据的背后是逆向处理的基本依据.因此，三维扫描的点云数据直接影响逆向建模成功与否.扫描设备根据测量方法可分为两类：

(1)接触测量：根据不同的测量头，可分为触发式和连续式.三坐标测量机是上个世纪60年代开发的高效精密测量仪器，是一种精度高、柔性强的数字化测量设备.

(2)非接触式测量：根据不同的原理，可分为三角形法、结构光方法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法、超声法、色谱法、CT和MRI等.

1.2点云文件编辑处理

点云数据通过非接触测量方法获得的结果是非常庞大的，往往会有很多杂点和噪声点.这些点会对后续的模型重建过程有不利影响.因此，需要在曲线重构之前对一些必要的数据进行处理和编辑，从而获得满意的点云数据，为曲面的重建做好准备.点云预处理包括点云过滤、点云对齐、减少噪音、补洞、封装和其他工作.

1.3三维曲面逆向建模

逆向工程技术中的核心主题，是针对逆向工程产品CAD模型重构.由散乱的产品表面点数据拟合，创建出产品曲面或实体，最后通过曲面编辑和曲面缝合操作，构建完整的产品模型.自由曲面的重建是最重要的技术手段.

目前共有3个类别的从点云曲面进行拟合的算法：四边域的参数曲面拟合、三边域的曲面拟合、基于多面域的表面拟合.曲面拟合四边形参数的NURBS曲面具有通用性好、算法稳定、曲面编辑能力强、良好的表面质量等特点，已成为主流的曲面拟合方法.

创建产品的CAD模型，从而进一步进行CAM加工制造或CAE分析，并复制该产品的外观.在一般情况下，CAD模型是由许多不同的几何形状相结合，且每个都具有几何形状的特性.因此，如果逆向工程技术应用在产品设计中，该产品的原始CAD模型进行逆向，它不是使用一个简单方法来完成，而必须考虑产品外观的几何特征，选择适当的曲面创建方法，才可能得到良好的几何形状，以满足产品的外观要求.因此，要掌握产品模型的逆向过程中数据采集方法、曲面特性、曲面的表面特征，在产品曲面的重建过程中可以节省大量的时间，提高效率.

2工业产品的三维扫描

工业产品工件是车辆中常用的安全锤，为正式量化生产，需要先获得三维数字化模型.工件外观如图1所示.

结合上述分析,本文使用基于余弦相似度提取的动态行为关键帧角度特征变化序列构建动态行为表示方法,定义如下:

图1　工件外观

2.1三维扫描设备

Win3DD系列三维扫描仪，采用对产品表面非接触式三维光学扫描.产品可以对复杂的自由曲面、柔软易变形或磨损的产品模型表面进行数据采集.该扫描仪超越传统激光扫描仪的低精度、低效率和行程限制等缺陷.

在扫描之前，工件表面需要喷显像剂和贴标记点.由于要双面扫描，需要在较为平坦的表面贴上标记点.经过扫描后获得点云，如图2所示.图中可以隐约看到5个标记点的位置.

图2　原始点云文件

2.2点云文件编辑处理

Geomagic Studio软件是Geomagic公司的一款核心软件，它在点云处理方面有明显优势.Geomagic Studio软件可以作为CAD、CAE和CAM工具，输出行业标准格式，包括STL、IGES、STEP和CAD等文件格式.Geomagic的软件处理点云功能强大，能够满足逆向扫描点云处理的要求.

一般点云要经过“着色点”功能后获得比较明显的点云.经过对齐、合并和拼接点云数据功能，获得比较完整的点云文件.通过使用“断开体外连接”“体外孤点”“减少噪音”等操作后，可获得较为满意的点云文件，使用“封装”功能，获得小三角形状曲面.通过“网格医生”“删除钉状物”“填充孔”等功能，对封装后曲面的缺陷进行维修和编辑.最后，通过输出STL格式文件，如图3所示.

图3　经过处理后的曲面文件

2.3UG NX软件进行曲面建模

进行工业产品逆向建模时，首先要进行工件摆放设置，然后考虑产品外观各部分的成形方法.UG NX常用的曲面造型包括拉伸、旋转、通过曲线组、通过曲线网络、直纹等方法.最后考虑取点的截面位置以及创建截面的数量多少.

参照产品实物模型，在安全锤的头部考虑使用旋转功能造型.要获得头部旋转的截面，需要创建图4左侧所示的基准平面.通过截面曲线功能获得截面点云，绘制旋转截面曲线进行造型，获得图4中右侧所示的造型.

图4　导入UG中的模型摆放位置及头部造型

使用UG NX快速造面功能获得图5所示的手柄部分曲面.

图5　手柄部分曲面

通过曲面的修剪与延伸功能，将手柄部分的曲面延伸，利用水平面进行曲面镜像.使用水平面截切STL模型，获得尾部的点云，创建如图6所示的曲面.对两个曲面进行互相修剪得到端部结构.

图6　手柄尾部造型

手柄曲面对面部分，与尾部曲面造型同理进行创建，获得图7左图所示的图形.然后通过曲面加厚功能，获得图7右图所示结构.

图7　另一侧手柄结构

通过曲面缝合、布尔运算求和等操作，获得产品主体造型.经过细节部分处理和倒圆角后获得最终的产品数模，如图8所示.

图8　产品数模

3产品的检验与对比

曲面的评价方法主要是基于表面光顺性来评价，也可以通过改变所述表面的曲率进行评价，但没有严格的评价标准作为曲率的预定值.在大多数情况下，是以人眼对表面质量进行评价.因此，光顺性评价是非定量的考核指标.

Geomagic Qualify软件是逆向工程中常用的检查软件.使用Geomagic Qualify软件能迅速检测产品设计中的CAD模型和制造的产品实物之间的差异.将图6中STL模型作为参考，将图1中模型作为测试件，可获得检测结果.对产品的头部对比检测结果如图9所示.平均偏差控制在0.2 mm以内.

图9　产品头部Qualify检测结果

4产品快速成型制造

熔融沉积型(Fused Deposition Modeling,FDM)，又被称为“丝状材料选择性熔覆”.熔融沉积成型也遵循一定的原理.这些原理主要包括：(1)加热喷头受控于数控系统，并严格按照产品零件的截面轮廓信息，运动于X-Y平面之上；(2)热属性丝状材料将在供丝机构的运送下抵达热熔喷头，在经过加热和熔化之后处于熔融状态；接着被挤出喷嘴，并被涂抹于工作台表面，经冷却和固化之后，形成了一层薄片轮廓(厚约0.1 mm)；(3)一层截面的成型工作完毕之后，工作台的高度将会下降，并继续下一层熔覆，如此循环反复，逐层堆积，最后便形成3D产品零件.

作为快速成型的第一个环节，在分层之前应做好以下准备：对三维模型进行检查，看是否存在空洞、裂缝、实体相交等，明确成型方向.

在Aurora软件中，对支撑的添加多为自动方式而非手动方式；对模型的分层处理过程既有多个模型的同时分层，也有单一模型的独立分层.在单一模型的分层过程中，应首先选定需要分层的模型.

根据产品逆向设计需要进行3D打印，对产品进行0.35 mm厚度的分层.分层参数设置如图10所示.

图10　产品的分层参数设置

分层后获得图11所示的结果.其中框架部分为产品，内侧黑色部分为支撑，下部白色部分为基底.

对产品进行剥离辅助支撑，需要粘接的进行粘接，需要打磨的进行打磨；水洗零件，自然风干.打印出的产品如图12所示.

图11　3D打印机软件中产品分层图

图12　快速成型产品

5结语

所谓逆向工程，是通过数字化测量方式，获得产品三维数据——点云，通过对点云的处理创建产品的三维数模，从而获得产品的手板，进而可对产品进行修改或重设计.逆向工程的实施不仅是为了获得手板，而且是为后期模具设计制造、数控加工等提供准确而快捷的数据.逆向工程日益与3D打印、快速模具等快速制造技术紧密结合.在工业产品逆向过程中，要注意对原型结构的分析，搞清原型设计师的建模思路.这对于逆向建模来说是最为重要的.

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[6]李庆, 吴亚兰. 异形零件的逆向建模方法及应用[J]. 山东理工大学学报,2015, 29 (5):41-44.

(责任编辑吴强)

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

[中图分类号]TB21

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2016)02-0102-04

[作者简介]李庆(1981—)，男，回族，山东曹县人，讲师，主要从事计算机辅助设计与制造、数控技术方面的研究.

[基金项目]安徽省高等学校省级自然科学研究项目(KJ2013B048).

[收稿日期]2014-11-19