曾 锋， 杨忠高

（1.广东工贸职业技术学院机电工程学院， 广东 广州 510510；

2.广东技术师范大学广东工业实训中心， 广东 广州 510665）

逆向工程技术作为一种高效的产品创新设计方法，根据已存在的产品或者零件原型， 重构产品或者零件的CAD 模型，是对已有设计的再设计，可以大大缩短了产品的设计周期，降低了产品研发成本。

企业仅有的样件、油泥模型、模具等“物理世界”如何快速的过渡到“数字世界”，如何高效处理产品设计后期问题，是先进制造业面临的实际问题。

逆向设计软件的典型代表有Geomagic，以陶瓷鱼逆向设计为例，其主要的设计流程是：点云数据优化处理及三角形面片化，对三角形面片编辑处理，导入到CAD 软件进行曲面逆向重建， 完成产品的实体建模，最后可以3D 打印加工或者数控加工并进行产品验证。下面运用上述方法对陶瓷鱼进行曲面逆向设计。

1.1 点云数据的获取

如何高效、准确地获取模型的点云数据，是实现产品逆向设计的前提和关键， 本次陶瓷鱼点云的获取是通过拍照式扫描仪进行扫描获得， 拍照式扫描仪的特点是测量速度比较快，效率非常高，可以大幅提高逆向设计的效率。

利用扫描仪扫描样件获得点云时，需要对样件喷涂白色的显像剂，同时样件上需要粘贴上标志点，这样不同方向扫描获得的点云可以通过标志点自动拼接在一起，形成一个完整的点云数据。

扫描得到的点云见图1。

图1 陶瓷鱼点云数据

1.2 点云数据的优化处理

扫描获得的陶瓷鱼点云数据存在很多的杂点， 为了高效率完成点云数据的处理， 我们需要对其进行快速选择，并且进行删除杂点，在Geomagic Wrap 中对点云中的杂点有以下操作：
非连接项命令选择的是指同一物体上具有一定数量的点形成点群，并且彼此间分离。通过调节点群距离主点云距离的大小来进行选择并删除。

体外孤点命令选择与其它绝大数的点云具有一定距离的点。

敏感度低数值选择远距离点， 高数值选择的范围接近真实数据。

减少噪音将点移至统计的正确位置以弥补扫描仪误差（噪音）。这样点的排列会更平滑。点云数据的优化处理一般通过以上命令来完成，如果仍然没办法删除杂点，就只能手动进行选择并删除， 能选择的菜单命令主要有套索，画笔选择工具。

1.3 点云采样

拍照式扫描仪在采集陶瓷鱼点云数据时， 会进行多次测量来保证点云的完整度， 因此产生了大量的冗余点和重复点，使得点云数据量非常庞大，虽然更多的数据点能完整准确的描述采集对象的形状和结构， 但同时极大降低了软件的运算速度， 还会降低曲线曲面重构时的精度。因此在能保证零件几何特征的前提下，有必要对点云进行精简，达到减少数据量、提高运算速度的目的。

逆向软件系统精简点云一般是在曲率大的区域尽可能保留更多的点，在曲率小的区域适当减少点。软件提供了四种采样模式：统一采样、曲率采样、等距采样和随机采样。在一般情况中，采用统一采样对车载吸尘器点云进行精简，通过多次测量相邻两个点云的距离， 取平均值的两倍再取整，设定采样间距，完成对点云数量的精简，然后对点云进行封装，进入到多边形阶段。

2.1 对点云三角面数据的处理技巧

点云数据经过三角形网格化后进入多边形处理阶段， 点云多边形的模型是由点与点之间拼接成三角形面片而组成。因为一般会有一些多余的表达不准确的点，因此由这些不准确的点构成的三角形面片也要进行删除或其它编辑处理。

在对点云进行封装之后，也会出现破面，空孔，如图2 所示。

图2 点云封装后产生的空孔

对三角面片数据的处理， 第一步先使用松弛命令。

松弛命令可以最大限度减少单独多边形之间的角度， 使面片更加平滑。

第二步选择删除钉状物菜单命令，“删除钉状物”对话框中，“平滑级别”调到在中间位置后，鼠标点击“应用”，第三步，由于模型存在部分位置点云数据不完整。使用填充孔命令可以修补缺失的位置。在通常的填充孔过程中，有时直接填补孔洞的效果不好，这种情况可以把孔周围的三角面删除后再进行填充。

第四步，对于不平滑的区域，可以使用去除特征功能。

对于模型中存在的一些缺陷以及细小特征，使用套索工具圈选特征，在多边形工具条里使用去除特征功能命令，便得到优化后的模型形状，并将该区域与旁边其它区域形成光滑的连续状态。

最终点云处理结果如图3 所示。

图3 最终点云效果

2.2 陶瓷鱼模型坐标的对齐

首先对模型形状进行分析，如图3 所示，将陶瓷鱼身对称面拟合成平面1，陶瓷鱼底面拟合成平面2，将平面1与坐标系XZ 平面重合，平面2 与XY 平面重合，从而完成陶瓷鱼的坐标对齐。

根据以上的分析， 利用Geomagic Wrap 特征工具中平面（最佳拟合、过点垂直于）命令，构建将用于对齐全局坐标的两个平面， 由上一步生成的特征与全局坐标进行对齐。

参数曲面的构建流程：
将已经处理好的点云数据导入CAD 建模软件Creo 中，利用曲线创建、边界混合构造曲面、曲面实体化、抽壳等命令来完成建模。

3.1 点云数据的导入与坐标的对齐

因为所导进Creo 中的点云数据只是一小三角面体，视觉上有破损现象，并不能进行建模操作，只能借助此三角片面体来创建曲面。首先要做的就是坐标的对齐，因为已经在Geomagic 创建了一个点云坐标，现在只需要将已创建的坐标与Creo 的对齐即可。

3.2 曲线的创建

首先使用重新造型命令来构建一条曲线， 方法就是拉伸一个平面来与点云数据相交就会得到一条封闭曲线， 这条曲线是至关重要的， 直接控制着整条鱼身的形状，所以尽量做到与点云贴合。

如图4 所示。

鱼身部分是曲面结构，较为困难点，可以通过拉伸出数个曲面来当作造型的平面，再通过造型命令画出数条曲线，这些曲线很重要，当曲线越贴合点云，则接下来所混合出的曲面就越光滑越贴合点云。

如图5 所示。

最后通过使用造型命令所创建的数条曲线，当曲线数量越多越好，如图6 所示，这一过程需要不断的调整曲线的曲率已达到最佳的贴合点云点，后期混合出的曲面越贴合点云，贴合率越高，曲面效果便越好。

图4 陶瓷鱼腹部曲线

图5 鱼身曲线构造

图6 鱼身曲线

3.3 陶瓷鱼曲面的创建

通过已经创建好的曲线来混合出鱼身曲面， 分别选择鱼身鱼腹的一条曲线为第一方向的曲线， 鱼身的其它数条造型曲线为第二方向的曲。

头部部分不能与鱼身部分一整块边界混合出来，所以要单独创建一个曲面，这里要注意两个地方，一个是设置相切条件，另一个则是设置垂直条件来保证曲面的光滑连接，如图7 所示。最后合并曲面， 将两个已经创建好的曲面通过合并命令合并成一块曲面，如图8 所示。

图7 鱼身曲面创建

图8 鱼身鱼头曲面合并

因为两个曲面的连接处曲线不光滑， 最后导致所混合出曲面存在褶皱（小三角）现象，这一结果将会直接导致曲面无法加厚或者无法实体化， 所以就要想办法修补此处。将有褶皱现象的地方直接剪掉一块，再由四边混合出一个新的曲面，注意要设置四边均要相切，最后就会得到一块光滑的曲面。

鱼腹部是一个平面， 所以直接可以用拉伸命令来创建一个平面， 将鱼身部分的曲面设置相切条件延伸一定的长度，目的是要将鱼身和鱼腹部曲面有相交，才可以做后期的合并曲面。

曲面的延伸这一部分也是很重要的一步骤，假若前面所创建好的曲面曲率不够好，则这里就不能设置相切条件延伸。以及延伸的长度不需要太多，只需要超过鱼腹部的平面即可。把鱼身和鱼腹部合并起来。将多余的曲面修剪掉，使用倒圆角命令来将边角倒成圆角，如图9 所示。

图9 曲面合并修剪倒圆角

鱼背的创建与鱼身创建方法一样， 同样使用造型命令来创建出数条曲线， 再使用边界混合命令来创建鱼背曲面。

如图10 所示。

鱼尾部分也是通过造型出几条曲线来混合曲面。

如图11 所示。

最后将已经创建好的曲面通过实体化命令来创建实体模型，前提要曲面封闭。用旋转命令来创建眼睛部分，最终完成陶瓷鱼曲面的逆向构建，完成效果如图12 所示。

图10 鱼背曲面构建

图11 鱼尾曲面构建

图12 陶瓷鱼最终外形效果

随着科技的发展， 越来越多的复杂曲面产品出现在日常生活中，逆向工程技术在产品开发中的应用，大幅度的缩短了新产品的设计周期，提高了产品竞争力。逆向工程技术已成为企业的竞争法宝， 以及现代企业开发新产品的重要设计手段。

通过拍照式扫描仪获取曲面零件的点云数据，在点云处理软件中处理点云数据，然后在CAD设计软件中进行曲面逆向重构和创新再设计， 最后利用快速成型技术或者数控加工技术制作样件并进行产品验证，大大缩短了产品的开发周期，大幅度降低企业设计成本，对复杂曲面产品的设计具有很好的借鉴意义。

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