一、前言

　　近年來，逆向工程技術在機械設計領域中得到了廣泛的應用，越來越多產品的異型曲面采用逆向工程技術快速完成數字建模，加快新產品的更新換代，提高外觀的新穎性、復雜性及制造精度，降低產品研制開發的周期和成本。逆向工程技術的出現改變了傳統產品設計開發模式，成為現代企業開發新產品的重要設計手段。

　　本文以工業電阻線圈為例，通過利用逆向工程技術，與Geomagic Studio 11.0軟件的后處理和三維模型重建功能來完成電阻線圈的數字化三維建模，以滿足精密工業測量和產品研發的需要，并縮短了建模時間，提高了建模效率。

　　二、逆向工程技術介紹

　　逆向工程技術 (Reverse Engineering，RE) 是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據測量數據通過三維幾何建模方法重構實物的 CAD 模型的過程。采用逆向工程的設計方法主要是為了借鑒現有產品的設計思想，進行再次開發及設計。在此過程中，可以通過軟件工具研究現有產品的設計思想，提高產品設計的速度與質量，進而縮短產品研發周期，增強企業競爭力。

　　逆向工程技術通常的基本流程(圖1) 是：首先使用精密測量儀器對實體樣件原型進行三維坐標數據的采集，得到表面幾何點云數據;然后通過逆向設計軟件將采集到的數據進行去噪、簡化、補缺和平滑等預處理;緊接著要對測量數據進行分割分塊處理(被測量的實體模型通常是由多個曲面構成)，再進行曲面擬合;最后在曲面模型的基礎上可進一步建立基于BR(Boundary Representation)結構的產品CAD模型。

　　三、Geomagic Studio 11.0 軟件簡介

　　Geomagic Studio 11.0軟件是美國Raindrop(雨滴)公司最近出品的新型逆向工程應用軟件。相對于以往的Geo- magic系列軟件來說，Geomagic Studio 11.0版本對多方面進行了改進，包括菜單與界面的優化、多邊形階段功能的改進與算法的優化，以及Fashion模塊的功能與算法的提升，并配備了新的模型參數化轉換器。新增加的網格醫生命令適合于實體模型數據復雜和十分糟糕的情況;新增的切線填充類型，使得操作有更強的控制度和靈活性，并可將極其復雜的孔洞迅速填充;新增網格半經分析功能，可自動分析并預覽連接區域的倒圓角大小。尤其在擬合主曲面之間的連接倒圓角區域時，可以預先設置輪廓線延伸與否，確定以尖角或者圓角的方式擬合等。

　　本文就是運用該軟件對掃描所得的電阻線圈點云進行多邊形模型和網格的創建，實現NURBS曲面的自動轉換和邊角擬合，縮短了建模時間，提高了建模效率。

　　四、模型分析

　　為提高逆向工程技術重建產品數模的二次設計能力，需理解實物原型的設計意圖及造型方法，并基于測量數據進行原始設計參數還原，以便對其進行參數化設計，從中發現規律，然后重建與原始設計意圖一致的產品數字化模型進行新產品開發。因此，在進行曲面的測量和造型之前，需對曲面進行分析，劃分曲面的類型并對曲面進行適當分塊，為后續的曲面測量和造型做準備。電阻線圈主要由一系列規則的筒環圈、導線槽、柱狀中軸以及若干鉚釘等構成，如圖2所示。

　　五、采集點云數據

　　高效、準確地實現樣件表面的數字化，是實現逆向工程的關鍵技術和首要環節。目前應用較為廣闊的樣件三維數據采集方法是非接觸式激光三維掃描法，該法測量精度高，測量速度快，能測量輪廓復雜的產品。如果獲得的點云數據質量較好，可以省去不必要的后續修補工作，提高工作效率，并保證三維重構的精確度。

　　在此，我們采用INFINITE 2.0七軸關節臂測量機(圖3)進行數據采集，該設備是ROMER推出的最新關節臂式測量系統，是迄今為止最便于使用、并且精度最高的測量系統。它配備 ScanWorks 非接觸式激光掃描測頭，其測量精度可達到±0.015mm，能夠完美地解決大型復雜零件的檢測要求，實現對產品表面點云數據的自由測量，并生成逆向工程所需的高質量點云數據。

　　對測量臂和激光掃描頭進行安裝并連接筆記本電腦，打開電腦運行Geomagic Studio 11.0軟件，待測量機校準后，將被測實物放置到穩定的平臺上并固定，保證其在測量過程中不受振動干擾，然后開始沿物體表面進行掃描。激光掃描儀能自動記錄所獲取的曲面點云數據，并將采集到的數據點動態顯示在電腦屏幕上(圖4)，對未掃描到或點密度太小的部位可重復掃描。掃描時，測量點距越小，獲得的點云數據就越逼近于所測實物表面，但相應的掃描時間更長，處理速度更慢。

　　六、數據預處理

　　測量數據預處理是逆向工程技術CAD建模的關鍵環節，它的結果將直接影響后期重建模型的質量。數據的預處理一般包括：數據采樣和過濾、噪聲點的消除、散亂點的排序、點云的分割、點云的精簡、數據點云的加密及特征線提取等。根據實物樣件原型自身特點和設計者的不同要求以及結合Geomagic Studio 11.0 軟件的一些新功能，筆者認為點云數據的預處理有不同的形式和內容，大體可以分為點云的處理和多邊形化處理兩個階段。其中點云優化處理階段包括數據的多視拼合、數據的去噪處理、數據的統一采樣和精簡，以及數據的封裝等;多邊形化處理包括數據補缺和孔洞修補、數據平滑、松弛多邊形、多邊形簡化和細化處理等。

　　1.點云的優化處理

　　由于被測電阻線圈的形狀有些復雜，為滿足逆向設計的需要，其測量范圍應該是線圈的全部輪廓，即整體外框和內部凹槽。另外，由于計算機性能和存儲能力的限制，需要從不同位置、不同視角進行多次測量。然后再將采集的不同坐標系下的點云數據進行空間變換并融合到統一的坐標系中，形成完整的電阻線圈點云(圖5)。該過程就是線圈數據的多視拼合。

　　在數據采集過程中，受電阻線圈表面質量、工作環境變化和其他人為因素的影響，難免會采集到一些噪點和壞點，同時測量過程中由于操作誤差等原因還可能產生跳點，這些點將嚴重影響線圈重構模型的質量。為此，要使用Geomagic軟件進行手動和自動去除，以減少冗余點對點云數據建模精度的影響。

　　對于本次關節臂測量機采集的線圈點云數據，經以上步驟處理后的點云仍含有51 731 121 個三維點，這不僅對計算機性能要求較高，而且也存在大量的冗余數據，最終會減緩后續處理時圖形拓撲運算的速度。因而有必要在保證一定精度的條件下，利用 Geomagic Studio 11.0 軟件提供的精簡 命令對點云數據進行采樣、剪裁和平滑處理。經過上述一系列點云數據預處理后，點擊“封裝(Wrap)”命令將其封裝成多邊形模型，以便于下一步的數據多邊形化處理。

　　2.數據的多邊形化處理

　　經封裝好的線圈多邊形數據，盡管進行了點云的優化處理，但仍會存在多余、錯誤或表達不準確的點，那么由這些點構成的三角形勢必會影響線圈實體模型精度。為此，要使用軟件的“網格醫生”命令，它集成了刪除釘狀物，清除、去除特征和填充孔等多個命令，能自動檢測并糾正錯誤的多邊形網格，快速查找并修復問題，最終得到表面質量更加優化的多邊形模型。圖6 和圖7 分別為處理前后的線圈模型。

　　從上一步處理過的線圈模型中我們可以看出，模型測量面仍有大小不等的孔洞，這是由于被測模型本身的幾何拓撲原因或因光學遮擋效應、破損等原因所造成的。這會使測量得到的線圈部分數據缺失，因而需對數據進行補缺和修補。伴隨著 Geomagic Studio 11.0 的全套一流補孔技術，不僅能 對小而簡單的孔洞進行迅速填充，還能應對十分復雜的孔洞。新的切線補孔功能增添了更多的控制力和靈活性，節省了重新掃描對象的時間和費用。圖8和圖9為線圈修補前后的模型對比。

　　為了使模型多邊形分布更加合理，得到更優化的線圈模型，我們還必須使用軟件的松弛多邊形和增強表面嚙合命令進一步在曲率變化較大的區域對多邊形網格進行細化，而在曲率變化均勻的區域對多邊形網格進行采樣稀釋處理，以保證被測量線圈的模型精準度。

　　七、曲面重構和 CAD 模型輸出

　　曲面重構是逆向工程技術的關鍵環節。曲面重構的方法除了有放樣、掃掠和旋轉之外，也可通過對點云數據進行分割構建曲面片，然后對曲面片進行剪切拼接。本文則是通過 Geo- magic Studio 11.0 軟件，將多邊形化處理的數據經過曲面編輯的區域分割和特征線提取來自動擬合成所需的NURBS曲面。該軟件有兩種曲面重構方法：Shape模塊和Fation模塊，前者適用于曲面簡單和規則幾何實體模型，可自動生成修剪曲面的曲面片網格;后者可根據原創設計思路對各曲面進行定義，創建未修剪模型，這也是模擬正向建模的思維，再通過幾何元素之間的裁剪、拼接得到所需的復雜外形。

　　由于電阻線圈實體模型具有多個復雜曲面組合和細節特征豐富等特點，故選用 Fation 模塊。最新的 Fation 模塊不僅可以識別實體模型的原始設計意圖，而且可在不失效率下重構出復雜的高質量表面。

　　將上述多邊形化的線圈數據轉入 Fation 模塊進行曲面構建，通過探測輪廓線和編輯輪廓線命令，執行“延伸輪廓線”→“自適應”命令。自適應延伸是根據生成的輪廓線以及曲面表面的曲率變化進行延伸，因此可得到較好的曲面連接效果。在創建修剪曲面處理中手動調節 、方向的控制點數量與位置，保證擬合的曲面更加符合原形。曲面編輯完成后，線圈模型的表面便形成了大小均勻的四邊形柵格網。此時，使用軟件“網格半徑自動分析”功能創建模型曲面連接區域真實的尖角和倒角邊，最終在擬合初級曲面和曲面連接區域來完成整個曲面的最佳擬合模型(圖10)。

　　最后，對創建好的線圈曲面模型進行參數化，利用軟件參數轉換器將線圈模型直接輸出到本地的 SolidWorks 軟件中。工業生產部門可根據參數化的特征實體、曲面或草圖，利用數控機床或快速成型機對電阻線圈進行加工生產。

　　八、結束語

　　本文基于INFINITE 2.0七軸關節臂測量機和Geomagic Studio 11.0 軟件的逆向設計平臺對工業電阻線圈進行數字仿真設計，經過一系列的逆向處理流程，得到了符合實際應用的參數化模型。該平臺體現了快速測量實體復雜曲面的能力和較強的點云數據優化與處理功效，尤其是Geomagic Studio11.0 獨特功能的應用，不僅確保了實體原型數字曲面的建模精度和質量，而且還提高了產品設計和制造效率，縮短了產品開發周期。