面向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的逆向工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

成思源， 張中寶， 楊雪榮， 張湘?zhèn)ィ?王小康

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 廣州 510006)

0 引 言

隨著高等教育的不斷發(fā)展，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)在實(shí)踐教學(xué)中也愈加重要[1-3]。對(duì)于機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生，在本科期間不僅需要熟練掌握本專業(yè)知識(shí)和技能，還應(yīng)具備一定的創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力[4]。在數(shù)字化技術(shù)推動(dòng)社會(huì)快速發(fā)展的趨勢(shì)下，通過(guò)吸收先進(jìn)的技術(shù)來(lái)增強(qiáng)自身的競(jìng)爭(zhēng)能力，對(duì)于企業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用，而逆向工程(Reverse Engineering,RE)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)在已有產(chǎn)品實(shí)物基礎(chǔ)上進(jìn)行快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要途徑。

因此，通過(guò)開(kāi)設(shè)面向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的RE技術(shù)實(shí)驗(yàn)，在已有實(shí)物基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對(duì)于提高本科生的實(shí)踐能力，并有意識(shí)地加強(qiáng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的培養(yǎng)，具有重要的作用[5-6]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過(guò)使用RE技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)物產(chǎn)品的建模，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不僅能提高學(xué)生消化吸收現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖的能力，更能鍛煉和提高創(chuàng)新意識(shí)和能力，為今后參與企業(yè)實(shí)踐或科研工作打下良好的基礎(chǔ)。

1 面向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的RE技術(shù)實(shí)驗(yàn)

RE是指從產(chǎn)品實(shí)體轉(zhuǎn)化為CAD模型，并在CAD模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列解剖和分析，同時(shí)也是一種技術(shù)再現(xiàn)的過(guò)程[4]，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要手段。將RE和快速成型(Rapid Prototyping,RP)技術(shù)相結(jié)合，能夠大大減小產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和成本，為產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了更高效的方法。在機(jī)械類專業(yè)開(kāi)設(shè)面向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的RE技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能讓學(xué)生掌握RE的理論知識(shí)，并熟練使用逆向軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，有效地提高學(xué)生的工程實(shí)踐、分析解決和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力[7-8]。規(guī)劃的實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖

由圖1可知,主要實(shí)驗(yàn)流程有:① 通過(guò)三維測(cè)量設(shè)備來(lái)獲取實(shí)體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；② 將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到專門(mén)的數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行預(yù)處理；③ 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合進(jìn)而構(gòu)建實(shí)體模型；④ 在實(shí)體模型基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和正向建模；⑤ 獲得新產(chǎn)品的CAD模型。

2 關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

關(guān)節(jié)臂式測(cè)量是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的一種特殊機(jī)型機(jī)，如圖2所示，可配選多種測(cè)頭，具有掃描檢測(cè)、三坐標(biāo)測(cè)量、彎管測(cè)量等多種功能。如用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集和常規(guī)尺寸檢測(cè)，可配選觸發(fā)式測(cè)頭；如用于RE的實(shí)體表面密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，可配選激光掃描測(cè)頭。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)所用測(cè)量設(shè)備是Hexagon公司的Romer Ineinite 2.0系列關(guān)節(jié)臂和Perceptron公司的ScanWorks V4i激光掃描頭[9]。

圖2 關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)流程如下：

(1) 實(shí)體表面處理。實(shí)驗(yàn)室使用關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)來(lái)采集模型表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集前需要對(duì)所有要數(shù)據(jù)采集的實(shí)物表面清理干凈，對(duì)于掃描的模型是反射效果較為強(qiáng)烈的材質(zhì)，CCD將無(wú)法正確的捕捉到反射回來(lái)的激光，需要通過(guò)噴施著色劑來(lái)增強(qiáng)模型表面的漫反射，使CCD正常工作。

(2) 數(shù)據(jù)采集的原則。把實(shí)物放置在可掃描范圍之內(nèi)。在掃描過(guò)程中不能移動(dòng)物體，關(guān)節(jié)臂的激光掃描測(cè)頭與物體表面保持在150 mm左右，測(cè)頭對(duì)著物體表面的法線方向沿著特征線移動(dòng)；從曲率變化較小的面開(kāi)始，一個(gè)面掃描完后，接著轉(zhuǎn)到相鄰面掃描；在采集到整個(gè)物體表面的大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)后，一般需要暫停，從各個(gè)方位轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)，檢查紕漏，如需追加掃描，繼續(xù)掃描以達(dá)到完整的數(shù)據(jù)[10]。

本實(shí)驗(yàn)以熊本熊手機(jī)殼(見(jiàn)圖3)為例，該手機(jī)殼內(nèi)外側(cè)表面形狀復(fù)雜，需要多次掃描來(lái)采集整個(gè)物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；對(duì)手機(jī)殼進(jìn)行噴施著色劑來(lái)增強(qiáng)模型表面的漫反射，如圖4所示。分別對(duì)手機(jī)殼的內(nèi)側(cè)、外側(cè)進(jìn)行掃描。圖5為熊本熊手機(jī)殼內(nèi)側(cè)、外側(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖4 著色后的熊本熊手機(jī)殼

3 基于Geomagic Studio的逆向建模

Geomagic Studio是一款逆向建模軟件，可將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理得到多邊形數(shù)據(jù)，并將處理好的多邊形數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建出逼近原點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型和光順的曲面模型。其處理階段分別為點(diǎn)階段、多邊形階段和曲面階段。

3.1 點(diǎn)階段處理

在RE中，點(diǎn)階段處理是模型掃描后的第1步。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，通常會(huì)由于環(huán)境因素或者工作人員經(jīng)驗(yàn)等原因，會(huì)使點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含大量噪聲，因此需要去除多余的點(diǎn)，減少噪聲。點(diǎn)階段主要是對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列預(yù)處理，包括去除非連接項(xiàng)、去除體外孤點(diǎn)、采樣等處理[10-11]，從而得到一組完整而高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)階段操作流程如圖6所示。

圖6 點(diǎn)階段操作流程圖

使用Geomagic Studio軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先將點(diǎn)云進(jìn)行著色，刪除內(nèi)、外側(cè)兩組數(shù)據(jù)中的無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)(工作平臺(tái)等)，然后根據(jù)兩組數(shù)據(jù)重合部分的多個(gè)公共特征點(diǎn)來(lái)使其合并成一組數(shù)據(jù)；通過(guò)刪除非連接項(xiàng)、體外孤點(diǎn)，來(lái)刪除偏離主點(diǎn)云的點(diǎn)集和孤島；通過(guò)減少噪聲來(lái)使數(shù)據(jù)更加平滑；由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并后數(shù)據(jù)量比較大，影響后續(xù)操作中計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度，所以將數(shù)據(jù)進(jìn)行曲率采樣，可減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)且保持點(diǎn)云曲率明顯部分的形狀；最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，如圖7所示。

3.2 多邊形階段處理

在RE中，多邊形階段處理是在點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝后進(jìn)行一系列的技術(shù)處理，從而得到一組完整的理想多邊形數(shù)據(jù)模型。點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝后轉(zhuǎn)換為多邊形網(wǎng)格，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的缺失、噪聲、網(wǎng)格化算法缺陷等原因，轉(zhuǎn)換后的網(wǎng)格會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格退化、自交、孤立、重疊以及空洞等錯(cuò)誤，為得到一組完整理想的多邊形數(shù)據(jù)模型[12]，其多邊階段操作流程如圖8所示。

圖8 多邊階段操作流程圖

多邊形階段處理流程并沒(méi)有嚴(yán)格的順序，對(duì)于不同實(shí)物的具體問(wèn)題應(yīng)當(dāng)選擇相應(yīng)的操作。熊本熊手機(jī)殼的多邊形模型經(jīng)過(guò)多邊形階段處理后，模型效果如圖9所示。

3.3 曲面階段處理

曲面階段處理是從多邊形模型進(jìn)行一系列的技術(shù)處理后得到一個(gè)理想的曲面模型。首先根據(jù)探索出模型的輪廓線，并對(duì)輪廓線進(jìn)行編輯，通過(guò)輪廓線將模型整個(gè)表面劃分并構(gòu)造曲面片；然后將曲面片經(jīng)過(guò)格柵處理，最后將每個(gè)曲面片擬合成NURBS曲面，并進(jìn)行曲面合并，得到曲面模型[13-15]。將封閉的曲面模型保存iges格式的實(shí)體模型。曲面階段操作流程如圖10所示。熊本熊手機(jī)殼的多邊形模型經(jīng)過(guò)曲面階段處理后，模型效果如圖11所示。

圖10 曲面階段操作流程圖

4 逆向建模的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)

實(shí)體模型經(jīng)過(guò)逆向建模后，將輸出的封閉曲面模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型導(dǎo)入到正向軟件中進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程如圖12所示。

圖12 產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程圖

4.1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)首要任務(wù)就是明確創(chuàng)新方向，接著對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行解剖，最后完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。下面以學(xué)生實(shí)驗(yàn)為例說(shuō)明。

(1) 明確創(chuàng)新方向。隨著信息化時(shí)代的快速發(fā)展，智能手機(jī)的普及率已經(jīng)大幅度的增加，由于智能手機(jī)的方便與快捷，人們對(duì)其也越來(lái)越依賴，甚至難以離開(kāi)它。然而，在使用智能手機(jī)操作復(fù)雜任務(wù)時(shí)，往往離不開(kāi)手機(jī)發(fā)熱的問(wèn)題。針對(duì)手機(jī)發(fā)熱的問(wèn)題，提出一種降溫手機(jī)殼設(shè)計(jì)。

(2) 概念設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)降溫手機(jī)殼，需要明確手機(jī)發(fā)熱源，主要發(fā)熱源有電池、CPU和GPU。CPU和GPU一般放置在攝像頭的一側(cè)(左或右)，面積小且發(fā)熱量大；電池放置在攝像頭的下側(cè)，面積較大。因此設(shè)計(jì)的冷卻液系統(tǒng)應(yīng)放置在模型內(nèi)側(cè)表面上，并通過(guò)在對(duì)應(yīng)熊本熊手機(jī)殼模型上的耳朵部位設(shè)計(jì)氣泵，使冷卻液能在冷卻系統(tǒng)均勻流動(dòng)。

(3) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。要使逆向建模后的熊本熊手機(jī)殼內(nèi)側(cè)表面上附著冷卻系統(tǒng)，則需要對(duì)手機(jī)殼內(nèi)側(cè)進(jìn)行建模，使得冷卻系統(tǒng)能夠更好配合到手機(jī)殼內(nèi)側(cè)表面上。冷卻系統(tǒng)可以設(shè)置為抽空的冷卻管道(對(duì)應(yīng)CPU和GPU位置上)和冷卻水槽(對(duì)應(yīng)電池位置上)，冷卻管道中注入冷卻液。并在熊本熊手機(jī)殼上的耳朵內(nèi)側(cè)放置氣泵，通過(guò)反復(fù)的外力擠壓兩邊的氣泵，冷卻系統(tǒng)可以使冷卻液在冷卻管道中均勻的流動(dòng)，讓局部發(fā)熱過(guò)大位置的高溫冷卻液與低溫冷卻液達(dá)到交換的效果，提高冷卻液冷卻的效率。

4.2 正向建模

將逆向處理后的實(shí)體模型導(dǎo)入到Pro/ENGINEER軟件中進(jìn)行建模。降溫手機(jī)殼主要分為殼體和冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)由氣泵、冷卻管道、管道底盤(pán)組成，附著在殼體內(nèi)側(cè)表面上，氣泵與熊本熊手機(jī)殼模型上的耳朵處進(jìn)行配合設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)效果如圖13所示。該設(shè)計(jì)方案目前也已提交了專利申請(qǐng)。

(a) 殼體(b) 冷卻系統(tǒng)(c) 整體效果

圖13 設(shè)計(jì)方案效果圖

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著目前對(duì)本科生創(chuàng)新意識(shí)和能力培養(yǎng)要求的提高，通過(guò)運(yùn)用RE技術(shù)，在已有產(chǎn)品實(shí)物基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新已成為機(jī)械類以及材料成形類專業(yè)學(xué)生應(yīng)掌握的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)方法[16]。通過(guò)開(kāi)設(shè)面向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的RE技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以使學(xué)生了解RE解決方案的總體思路，熟練掌握RE技術(shù)，而且將有利于鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，有效提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。