0 引言

　　逆向工程是從一個(gè)存在的零件或原型入手，首先對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化處理，然后重建曲面并構(gòu)造CAD模型，最后制造產(chǎn)品。隨著逆向工程技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，相配套的軟硬件系統(tǒng)也得到發(fā)展。以汽車連桿實(shí)物模型為例，采用Creaform公司的手持式激光掃描系統(tǒng)，以及用逆向工程軟件Geomagic Studio 10完成其數(shù)字化測(cè)量與CAD模型重建處理，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

　　1 實(shí)物模型數(shù)字化采集

　　實(shí)物模型的數(shù)字化采集是逆向工程技術(shù)的首要而關(guān)鍵的一步，數(shù)字模型結(jié)果的好壞直接影響到最終CAD模型曲面質(zhì)量的優(yōu)劣。目前，逆向工程使用的數(shù)字化工具可分為接觸方法和非接觸方法，接觸式測(cè)量通過(guò)側(cè)頭與模型表面接觸實(shí)現(xiàn)表面數(shù)據(jù)的獲取;非接觸式測(cè)量以計(jì)算機(jī)圖像處理為主要手段，如激光三角法、結(jié)構(gòu)光法、CT掃描等。

　　激光三角測(cè)距法是逆向工程中曲面數(shù)據(jù)采集運(yùn)用最廣泛的方法，它具有數(shù)據(jù)采集速度快、能對(duì)松軟材料的表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、能很好測(cè)量復(fù)雜輪廓等特點(diǎn)。手持式激光掃描系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)的激光掃描儀的一個(gè)重大突破，掃描儀和掃描物體的相對(duì)位置都可以變換，這樣大大提高了掃描范圍和不同場(chǎng)合的掃描可行性。作者采用的Creaform公司的手持式激光系統(tǒng)REVscan由硬件和軟件兩部分組成：手持式REVscan激光掃描儀和VXscan數(shù)據(jù)處理軟件。如圖1所示為激光掃描儀工作示意圖。

　　圖1 REVsean激光掃描儀工作示意圖

　　為得到最準(zhǔn)確、完整的點(diǎn)云圖，根據(jù)零件尺寸大小、材質(zhì)、顏色、曲面復(fù)雜程度等的不同可采取不同的掃描策略。該掃描儀的掃描流程可簡(jiǎn)單概括為：著色一貼標(biāo)記點(diǎn)一掃描一輸出點(diǎn)云。

　　作者采用的實(shí)物模型是汽車連桿，如圖2所示。由于連桿自身尺寸較小，而且表面特征區(qū)域較多，所以可以貼標(biāo)記點(diǎn)的部分有限，無(wú)法通過(guò)在零件自身貼標(biāo)記點(diǎn)的方式獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在該實(shí)例中，可以通過(guò)增加一塊輔助板來(lái)進(jìn)行測(cè)量。此輔助板是一塊平面板，在輔助板面上按照貼標(biāo)記點(diǎn)的規(guī)則均勻貼滿標(biāo)記點(diǎn)，而連桿本身可以不貼標(biāo)記點(diǎn)，通過(guò)輔助板上的定位點(diǎn)可以完成對(duì)于類似汽車連桿等小零件的測(cè)量。圖3是著色后的連桿放在貼滿標(biāo)記點(diǎn)的輔助板之上。

　　圖2汽車連桿零件實(shí)物圖

　　圖3著色后的連桿與貼滿標(biāo)記點(diǎn)的輔助板

　　通過(guò)激光掃描完成對(duì)零件上表面的測(cè)量后，可以通過(guò)翻轉(zhuǎn)連桿，重新掃描零件的下端面而得到新的點(diǎn)云文件。將兩個(gè)點(diǎn)云文件導(dǎo)入到Geomagic Studio軟件下依次進(jìn)行刪除噪音點(diǎn)云和輔助板點(diǎn)云，通過(guò)共同特征點(diǎn)將兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合，并刪除重復(fù)的部分，即可獲得一個(gè)完整的連桿點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件。

　　2 曲面重建

　　曲面重建通過(guò)對(duì)點(diǎn)云的多邊形網(wǎng)格化處理并對(duì)網(wǎng)格使用Bezier或者NURBS曲面進(jìn)行擬合來(lái)創(chuàng)建曲面，即將點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件生成CAD模型文件。作者采用的是快速曲面重建的典型軟件Geomagic Studio，將曲面重建分為3個(gè)階段，即點(diǎn)階段、多邊形階段和曲面階段。

　　2.1 點(diǎn)階段

　　由于環(huán)境光或操作的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件不可避免地帶有多余和錯(cuò)誤的噪點(diǎn)，可在點(diǎn)階段對(duì)這些噪點(diǎn)進(jìn)行刪除處理。Geomagic有兩種刪除點(diǎn)云方式：手動(dòng)刪除和自動(dòng)刪除。手動(dòng)刪除是使用選擇工具選擇所不需要的點(diǎn)進(jìn)行刪除;自動(dòng)刪除是執(zhí)行“非連接項(xiàng)”對(duì)不需要的孤立點(diǎn)云的直徑進(jìn)行定義，再將定義范圍之內(nèi)的點(diǎn)刪除。

　　一般情況下，由于初始點(diǎn)云數(shù)量很大，可達(dá)到上百萬(wàn)以上，會(huì)使得計(jì)算速度較慢，所以要對(duì)初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)采樣處理。該軟件提供了四種采樣算法：曲率采樣、統(tǒng)一采樣、等距采樣和隨機(jī)采樣。由于在模型特征明顯和曲率變化較大的部分需要較多的點(diǎn)表達(dá)，所以在一般情況下選擇曲率采樣。處理完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。

　　圖4汽車連桿零件點(diǎn)云

　　2.2 多邊形階段

　　對(duì)點(diǎn)階段處理完成的點(diǎn)云進(jìn)行封裝處理，構(gòu)造三角形網(wǎng)格，即進(jìn)入多邊形階段。在多邊形階段，若模型有三角形未填充到的部分則執(zhí)行“填充孔”命令，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)表面執(zhí)行基于曲率填充，該命令對(duì)曲率變化比較有規(guī)律的表面有較好的填充效果。

　　對(duì)模型表面多余的或者不需要的部分執(zhí)行“消除特征”命令，該命令同樣是基于曲率對(duì)表面進(jìn)行消除處理，所以對(duì)曲率變化較規(guī)則的表面有較好的消除效果;對(duì)于曲率變化不規(guī)則的部分，可先將需要消除的部分刪除，再對(duì)刪除后生成的孔進(jìn)行填充。如圖5所示為消除連桿側(cè)邊凹陷處的特征前后對(duì)比圖。

　　圖5消除連桿側(cè)邊凹陷處特征的前后對(duì)比圖

　　原始點(diǎn)云形成的模型表面往往不夠光滑，不理想的表面會(huì)影響到最終CAD模型表面的光順程度。可通過(guò)執(zhí)行“消除”和“清除釘狀物”命令對(duì)整個(gè)表面進(jìn)行光順處理，可得到光滑的表面;如圖6所示為光順處理后較理想的模型表面。

　　圖6汽車連桿的多邊形模型

　　2.3 曲面階段

　　在曲面階段可對(duì)模型進(jìn)行分塊，再分別對(duì)各分塊進(jìn)行定義、擬合和延伸，最后通過(guò)各分塊之間的相剪切得到CAD模型。最新的Geomagic Studio 10中集成的Fashion模塊可通過(guò)對(duì)原始設(shè)計(jì)意圖的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)各分塊區(qū)域的類別探測(cè)，從而提高最終生成的CAD模型的質(zhì)量。

　　在Fashion模塊下首先執(zhí)行“探測(cè)輪廓線”命令對(duì)模型進(jìn)行曲率檢測(cè)，通過(guò)對(duì)模型表面曲率變化較大的區(qū)域進(jìn)行中心線抽取得到的輪廓線可將模型分為多個(gè)區(qū)域;再執(zhí)行“延伸輪廓線”命令，根據(jù)輪廓線生成延伸線，延伸線的作用是在各分塊曲面之間形成過(guò)渡曲面，使各分塊之間得到良好的過(guò)渡，提高模型整體的平順和光滑程度。結(jié)果如圖7所示。

　　圖7模型的輪廓線和延伸線

　　創(chuàng)建完各分塊區(qū)域和過(guò)渡曲面后，執(zhí)行“創(chuàng)建修剪曲面”對(duì)分塊和過(guò)渡曲面進(jìn)行編輯。該命令分為5步：第1步“分類”是將各分塊進(jìn)行自動(dòng)分類，可根據(jù)其幾何性質(zhì)將其定義為平面、圓柱面、球面、圓錐面等基本幾何模型，或除此之外的自由曲面，結(jié)果如圖8所示;第2步“擬合初級(jí)曲面”即對(duì)上一步定義的各分塊進(jìn)行擬合;第3步“擬合連接”即擬合過(guò)渡曲面部分;第4步“分析”可對(duì)模型的偏差大小、初級(jí)曲面以及過(guò)渡曲面擬合效果進(jìn)行分析，對(duì)于不滿意的部分可返回進(jìn)行修改;第5步“修剪/縫合”是對(duì)擬合的初級(jí)曲面和過(guò)渡曲面進(jìn)行修剪，并對(duì)修剪結(jié)果進(jìn)行縫合，生成CAD模型。最終的CAD模型如圖9所示。

　　圖8連桿的曲面片分類

　　圖9連桿的CAD模型

　　經(jīng)過(guò)對(duì)CAD模型結(jié)果分析可知，利用Fashion模塊的曲面片類型識(shí)別和擬合功能，其擬合精度和表面質(zhì)量都可以得到較大的提高。

　　3總結(jié)

　　以汽車連桿零件為例，結(jié)合最新的手持式三維掃描系統(tǒng)和Geomagic逆向工程軟件闡述了從實(shí)物模型到CAD模型的整個(gè)過(guò)程。手持式激光掃描系統(tǒng)具有便攜性，自定位等優(yōu)點(diǎn);Geomagic Studio具有自動(dòng)識(shí)別表面特征的功能，能夠解讀模型各分塊區(qū)域的原始設(shè)計(jì)意圖，從而可以大幅度提高重建模型曲面的質(zhì)量。隨著逆向工程中數(shù)字化掃描設(shè)備和CAD重建軟件的功能和效率的不斷提高，逆向工程技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。