趙讓乾，馬宗正

(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

基于逆向工程的曲面設(shè)計(jì)為曲面造型設(shè)計(jì)提供了一種便捷方法，以現(xiàn)有的某型吹風(fēng)機(jī)后蓋為參照，通過逆向工程快速完成吹風(fēng)機(jī)后蓋的改造設(shè)計(jì)，為新產(chǎn)品投放市場(chǎng)贏得了時(shí)間.

1 吹風(fēng)機(jī)后蓋外形曲面的分析

某吹風(fēng)機(jī)后蓋實(shí)物如圖1所示.該吹風(fēng)機(jī)后蓋造型別致、美觀，但頭部鏤空設(shè)計(jì)造型復(fù)雜、通風(fēng)效果欠佳.以其為參照，保留其造型別致美觀的特點(diǎn)，改變其頭部造型，增強(qiáng)它的通風(fēng)效果，使之更簡(jiǎn)單實(shí)用.改造設(shè)計(jì)以后的造型如圖2所示.

圖1 吹風(fēng)機(jī)后蓋實(shí)物Fig.1 Hair dryer back cover material

圖2 改造設(shè)計(jì)后的造型Fig.2 The modelling of design modification

2 吹風(fēng)機(jī)后蓋的逆向工程設(shè)計(jì)

逆向工程又稱為反求工程，它是根據(jù)已存在的產(chǎn)品模型逆向推出產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的過程，包括材料反求、造型設(shè)計(jì)反求和工藝反求等.造型設(shè)計(jì)反求是逆向工程一個(gè)重要的方面，它針對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品，利用3D測(cè)量掃描儀器準(zhǔn)確、快速地測(cè)量工件的輪廓形狀，獲得其輪廓上大量點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即點(diǎn)云，再利用點(diǎn)云處理軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如降噪或精準(zhǔn)配置等，最后通過三維造型軟件進(jìn)行二次曲面重構(gòu)就可獲得新的模型.

3D掃描儀可分為接觸式和非接觸式三維掃描儀.其中，非接觸式三維掃描儀又分為光柵三維掃描儀和激光掃描儀.吹風(fēng)機(jī)后蓋的逆向反求工程采用了某三維光學(xué)面掃描儀，如圖3所示.該掃描儀屬于光柵三維掃描儀，單幅掃描一次可獲得1 300 000～6 600 000的點(diǎn)云，點(diǎn)云的點(diǎn)間距為0.02～1 mm，測(cè)量精度為0.008～0.05 mm，單幅(最大3 m幅面)測(cè)量速度為3～6 s[1].

2.1 吹風(fēng)機(jī)后蓋實(shí)物的前處理

吹風(fēng)機(jī)后蓋實(shí)物為深紅色，由于顏色太深，三維掃描時(shí)其輪廓的個(gè)別區(qū)域掃描不到，點(diǎn)云有破洞.為此，需要對(duì)其表面進(jìn)行顯影處理，通常是利用顯影劑將其噴成乳白色，以利于光柵捕捉.

2.2 吹風(fēng)機(jī)后蓋的掃描測(cè)量

在掃描測(cè)量吹風(fēng)機(jī)后蓋時(shí)，首先需將其固定在平板上，然后在測(cè)量物體或固定物體的平板上貼上標(biāo)志點(diǎn)，如圖4所示.標(biāo)志點(diǎn)粘貼時(shí)，對(duì)于小型物體，可貼在固定物體的平板上，大型物體可直接貼在物體上，標(biāo)志點(diǎn)直接貼在實(shí)物上，掃描出有破洞的點(diǎn)云，需在后續(xù)的處理中修補(bǔ).另外，被掃描物體與鏡頭的距離保持在1 m左右，使白光盡量垂直工件表面并保證“﹢”線清晰.

圖3 光學(xué)面掃描儀Fig.3 Optical surface scanner

圖4 涂有顯影劑的殼體及標(biāo)志點(diǎn)Fig.4 Coated with developer shell and landmark

然后進(jìn)入Holon-3DS掃描儀軟件界面，打開菜單【控制】/【測(cè)量頭】/【啟動(dòng)測(cè)量頭】.系統(tǒng)在預(yù)熱2～3 min后開啟，在下一步啟動(dòng)攝像功能以前要保證測(cè)量頭最少能捕捉3個(gè)以上的綠色標(biāo)志點(diǎn)，然后開啟實(shí)時(shí)攝像功能進(jìn)行掃描.

零件掃描時(shí)應(yīng)注意以下問題：①顯影劑的均勻性.黑色表面、透明面、反光面往往需要噴灑顯影劑，邊界或者曲率變化比較明顯的地方顯影劑通常會(huì)噴灑得不均勻，所以噴灑時(shí)要確保沒有太多的缺失.②標(biāo)志點(diǎn)的無(wú)規(guī)律性.貼標(biāo)志點(diǎn)時(shí)要避免貼成直線式，也要避免貼成有規(guī)律的點(diǎn)陣，標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)該貼得交錯(cuò)無(wú)序，這樣才有利于捕捉及保證精度，圖4為掃描剃須刀刀殼的標(biāo)定方法.③邊界的清晰性.待掃描零件的邊界要盡量與固定板底面有一定距離，這樣有利于保持邊界點(diǎn)云數(shù)據(jù)的清晰性，精度會(huì)比較高.④標(biāo)定板的無(wú)明顯偏離性.標(biāo)定板上貼了許多標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)是掃描時(shí)用來作為參考點(diǎn)的，掃描時(shí)標(biāo)定板與投影光一般需要垂直，因?yàn)榇怪睍r(shí)才能捕捉到比較多的綠點(diǎn)，但也可以有一定的偏角，偏角一般不允許超過30°，超過了就會(huì)捕捉不到綠點(diǎn)或者掃描數(shù)據(jù)有缺失.⑤掃描環(huán)境的穩(wěn)定性.影響穩(wěn)定性的因素很多，主要有強(qiáng)光照、熱對(duì)流劇烈等引起的振蕩，還有測(cè)量掃描過程中系統(tǒng)及測(cè)量對(duì)象的振動(dòng)，這些現(xiàn)象都應(yīng)該避免，否則會(huì)影響掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.⑥掃描時(shí)間的規(guī)律性.開機(jī)后有時(shí)并不能立刻掃描，因?yàn)閽呙鑳x需要預(yù)熱才能夠開始工作；掃描也不能一直進(jìn)行，因?yàn)閽呙钑r(shí)間達(dá)2 h以后，掃描儀的溫度升高，工作效率會(huì)有所下降，掃描質(zhì)量會(huì)受到影響.

為了提高吹風(fēng)機(jī)后蓋掃描輪廓的完整性，應(yīng)該在不同的角度掃描多幅點(diǎn)云，然后點(diǎn)擊工具條中的重疊面刪除按鈕，設(shè)定重疊面刪除參數(shù)，對(duì)掃描獲得的多幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊面刪除合并.之后,再單擊菜單項(xiàng)【文件】/【導(dǎo)出】/【保存全部】完成點(diǎn)云的掃描.完成的吹風(fēng)機(jī)后蓋點(diǎn)云如圖5所示.

2.3 吹風(fēng)機(jī)后蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與二次設(shè)計(jì)

對(duì)掃描得到的點(diǎn)云進(jìn)行處理極為重要，是逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)之一.如圖5所示的點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)達(dá)160 000以上且伴有大量重復(fù)多余的數(shù)據(jù)點(diǎn)，排列散亂無(wú)規(guī)律，給二次改造設(shè)計(jì)帶來了困難.點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的方法主要有數(shù)據(jù)點(diǎn)的排序與數(shù)據(jù)平滑處理、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化處理等[2].吹風(fēng)機(jī)后蓋的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是利用專業(yè)點(diǎn)云處理軟件Geomagic進(jìn)行的，將圖5所示點(diǎn)云導(dǎo)入Geomagic后，進(jìn)行點(diǎn)云的數(shù)據(jù)降噪和等距離簡(jiǎn)化等操作，就得到如圖6所示的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，此時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)已降為數(shù)千個(gè)了.完成點(diǎn)云處理后將其保存為.igs格式的文件，再導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件進(jìn)行曲面的改造設(shè)計(jì)和重構(gòu)[3].

圖5 多幅點(diǎn)云合并后獲得的吹風(fēng)機(jī)后蓋點(diǎn)云Fig.5 The blower back cover point cloud of multiple image point cloud after the merger

圖6 經(jīng)Geomagic簡(jiǎn)化處理后的點(diǎn)云Fig.6 The point cloud after Geomagic simplified

在UG中的曲面重構(gòu)有如下步驟：①由掃描點(diǎn)構(gòu)建樣條曲線.通過掃描獲得了曲面上大量的點(diǎn)數(shù)據(jù)，選取對(duì)曲面特征影響顯著部位的點(diǎn)云通過每個(gè)點(diǎn)構(gòu)建出特征曲線.②樣條曲線光順.對(duì)樣條曲線進(jìn)行光順處理,曲線光順時(shí)有兩個(gè)設(shè)置參數(shù)，即 “邊界約束”和“光順因子”.邊界約束控制曲線和其他邊界曲線之間是連接關(guān)系，如相切、垂直等；光順因子控制曲線光順程度，其值在1～100，值越大曲線越光順，但光順后的曲線和原曲線的誤差就越大.本次設(shè)計(jì)光順因子選50，光順后的曲線如圖7所示.③由曲線構(gòu)建曲面，曲面細(xì)節(jié)特征處理.在UG軟件中，曲面構(gòu)建方法很多[4]，可選網(wǎng)格曲線構(gòu)造曲面的方法，構(gòu)建出的曲面如圖8所示.④吹風(fēng)機(jī)后蓋的二次改造設(shè)計(jì).針對(duì)實(shí)物后蓋鏤空造型復(fù)雜、通風(fēng)不良的情況，逆向設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行二次改造設(shè)計(jì)，在UG軟件中，利用繪制【草圖】/【拉伸除料】等功能進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，得到了性能改善的吹風(fēng)機(jī)后蓋，如前面的圖2所示.

圖7 由掃描點(diǎn)構(gòu)建樣條曲線并進(jìn)行光順處理Fig.7 Build a spline curve by scanning spot and smoothing processing

圖8 利用“網(wǎng)格曲面”構(gòu)建的曲面模型Fig.8 Use of “meshes” building surface model

3 結(jié)語(yǔ)

利用逆向工程完成復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)是一種快捷有效的方法，既可以贏得先機(jī)又能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行完善和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.本研究說明了逆向工程設(shè)計(jì)的路線，指出了掃描點(diǎn)云的方法及注意事項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)了吹風(fēng)機(jī)后蓋的二次改造設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義.

參考文獻(xiàn)：

[1] 深圳華郎科技有限公司.Holon-3DS三維光學(xué)面掃描系統(tǒng)使用手冊(cè)[Z].2011：3-4.

[2] 陳君梅，鄧學(xué)雄，周敏.基于UG軟件的反求數(shù)據(jù)處理[J].工程圖學(xué)報(bào)，2005(4)：231-235.

[3] 陶桂寶，徐虹.反求工程及其在UG中的實(shí)現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2005(2)：131-142.

[4] 查韜，劉大慧.UG NX 6模具設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2009：101-110.