通脉汤
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张科研，曾江黎，罗统南，王 宁，刘烨丽
（钦州学院，广西 钦州 535011）
摘 要：文章以一级减速器箱盖为研究对象，探究在逆向建模过程中待提升的关键技术点。首先运用三维扫描仪对模型进行完整扫描，获取减速器的点云数据，然后利用 Geomagic 系列软件通过由点→网格→曲面→实体→对比的完整处理流程，完成对箱盖数据点优化、逆向建模以及偏差分析的整个逆向建模流程。关键词：逆向建模；扫描；偏差分析；Geomagic 系列软件中图分类号：TG76 文献标志码：A 文章编号：1672-3872（2017）12-0015-02 逆向工程（Reverse Engineering）概念提出于20世纪80年代末，经历20多年的发展历程，如今已成为快速开发新产品的核心技术。当前，逆向工程已在机械领域、汽车领域、艺术品外观设计与修复以及医学假体设计等方面不断拓展。其中，非接触光栅式照相技术的发展，提升了扫描仪对数据点的拼接精度，为逆向工程的开展提供了先前基础。然而，在逆向建模技术的发展过程中，如何更佳地处理点云数据、如何提升模型精度以及如何对造型给与详细评价，这些都需要不断地实践总结[1]。
1 点云数据的获取
采用JR 三维扫描仪，利用非接触光栅式照相技术及全自动拼接技术，以及特殊的边缘获取数据和依照曲率变化规律自发补缺数据的功能，从而获取稳定、准确、齐全的原始点云数据，并使最终拼接精度达到0.04mm/m，保证数据采集的高效性。经过仔细定标，误差参考数值为0.0183907mm。
如图1所示一级减速器箱盖实物图，分析箱盖逆向扫描的难点：壳体结构、小深孔、肋结构、轴承端盖安装处四大典型方面。进而提前设计逆向三维扫描策略，实现特征点线面的拼合。被测物体表面特征对点云数据的获取精度也有影响，三维扫描前对实物进行清洁及显像剂喷涂，增强实物表面扫描时的漫反射从而提高采集数据的准确性。如图2所示喷涂显像剂后的实物[2]。
——————————————基金项目： 钦州学院科研平台“互联网+先进制造”；2017年大学生
创新创业训练项目：坭兴陶模具3D 打印成型的设计与研究（201711607065）；2015年广西教育科学“十二五”规划课题：基于课程的应用型大学陶瓷专业应用技能培养研究（2015C434）
作者简介： 张科研（1989-），女，山东邹城人，助教，研究方向：
机械设计与加工制造。
图1 一级减速器实体
图
2实体显像处理
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扫描过程：利用两次拍摄之间的公共标志点信息来实现两次拍摄数据的拼接，即立体拍摄；通过多次的扫描及拼接得到最终完整的数据。其中对复杂结构的孔、凹面、图面、肋结构，都能实现自动弥补，并且成功拼接得到比较理想的点云数据。如图3所示不同扫描面[3]
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图3 不同角度扫描的点云数据
2 模型优化
对比于其他逆向处理软件，Geomagic Studio 软件的海量点云数据预处理功能非常强大。这些功能主要分为点云数据的着、噪声点的删减、数据采样、点云数据封装、孔洞修补、构造轮廓线、格栅以及曲面拟合等[4]。2.1 点云数据的预处理
由于逆向设备、测量方法、人为操作这些缘故，都会对扫描测量过程造成影响，使系统误差和随机误差在得到的点云数据中出现的几率增大，存在数目增多的杂点、噪声点以及冗余点，这时就需要对它们进行消除。此处难点在于减速器箱盖通孔的处理，如果对孔洞处理不当，会严重影响后面多边形处理时对孔洞的填充工作，所以点云预处理的操作需要一定的软件操作技能。
点处理后得到3号偏差谱图，如图4所示可以观察出点云数据的整体偏差还是比较小的，说明预处理的有效性。接着，在保证数据模型不失真的情况下对其进行采样简化，进而利于后期模型的处理速度和质量。Geomagic 软件提供四种采样方式：曲率采样、格栅采样、随机采样及统一采样。文章利用统一采样方法，对曲面上的点数量通过规定密度来减少，使光滑曲面上的点数量减少，经采样简化后数据由617180减少为293668。2.2 网格阶段处理
封装点云数据后得到由三角形堆成的多边形网格，会存在非流形边、高度折射边、自相交、小组件、钉状物等网格问题，需要对它采取优化调整，让它在进行拟合曲面之前得到一个比较理想的完整模型。
具体处理工艺包括：钉状物删除、砂纸打磨、空洞修复、搭桥填充、多边形松弛等，得到最终的优化结果图4中4号优化网格模型。2.3 曲面阶段处理
由于箱盖表面相对凹凸不平，对其轮廓线构造选择使用探测轮廓线的方法，得到表面的特征线轮廓则相对比较明显，并且分布也比较规则。随后进行曲面片构建，反复优化至一级减速箱盖全部格栅完，进行曲面拟合，获得箱盖的NURBS 曲面，如图4中5号曲面模型。
3 偏差分析及造型
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3.1 曲面模型的偏差分析
利用Geomagic 处理软件对得到的一级减速箱盖NURBS 曲面与原始点云数据进行曲面偏差对比分析，得到如图5所示偏差图。经过与一级减速箱盖的617180个数据点对比分析，得到箱盖的最大上偏差为2.923mm，最大下偏差为-2.545mm，平均偏差为0.046mm，标准偏差为0.393mm。从图中可以看出极少较大偏差出现在孔洞与两边肋结构拐角位置，整体上处于平均偏差内，满足预期精度要求。3.2 逆向造型
在完成所拟合曲面模型的精度测试后，需要在此优化点云数据基础上利用 Geomagic Design X 建立一plc数据采集
级减速器箱盖的实体模型，即所谓的逆向造型。所建实体模型如图6所示[5]
。在完成实体模型的建模后，利用 Geomagic Control 对实
体模型再次进行偏差分析。
图4 模型优化流程
图5 偏差图
图6 逆向造型实体
文章以实例论述逆向建模过程的关键技术，如何分析实例几何特征、消除系统误差和随机误差以及完善各阶段误差评价。提高逆向建模过程的规范化、提升建模精度以及完善评价机制有利于逆向建模技术的发展，为模具设计以及模型数控仿真加工等后续工作奠定基础。参考文献：
[1]张锦.基于逆向工程的无人机螺旋桨叶片模型重构技术研究[D].
中北大学,2016.[2]宋德华.基于柴油发动机缸盖的逆向工程研究[D].郑州大学,
2014.[3]安芬菊.逆向造型技术在动物标本三维建模中的应用研究[J].机
电工程技术,2017(4):82-84.[4]张宇，龚亚军.基于逆向工程的离心泵三维建模及数值模拟[J].
舰船科学技术，2016(12):94-97.[5]蔡勇.反求工程与建模[M].北京：科学出版社，2011.
[6]杨晓雪.Geomagic Design X 三维建模案例教程[M].北京：机械
工业出版社,2016.
（收稿日期：2017-6-11）
4 结束语
逆向工程是针对已有产品进行的再设计，其灵魂在于能够创造出更为优秀的产品，广泛应用在类似螺旋桨、风机叶片、工艺品等自由曲面模型的设计，以及配合3Ｄ打印技术缩短产品设计制造周期、加快产品更新速度[6]。
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