基于逆向工程的摩托車(chē)覆蓋件設(shè)計(jì)

龍嬋娟，奚陶，全亮，賀曉輝

（1.重慶文理學(xué)院智能制造工程學(xué)院，重慶 402160；2.重慶天巨承機(jī)械制造有限責(zé)任公司，重慶 400700）

0 引言

逆向工程RE（Reverse Engineering）是相對(duì)于傳統(tǒng)的正向工程而言的，除了能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品原型的再現(xiàn)外，還可以達(dá)到對(duì)技術(shù)的消化吸收和改進(jìn)，是獲得產(chǎn)品原型的重要技術(shù)手段[1]。逆向工程技術(shù)已由傳統(tǒng)的單純模仿與復(fù)現(xiàn)標(biāo)的模型的幾何信息，演變?yōu)橹悄懿蹲綌?shù)模上的有效數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)判與取舍，使之成為鏈接新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中各種先進(jìn)技術(shù)的重要紐帶[2]。由于摩托車(chē)覆蓋件傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和檢測(cè)方法效率較低、難度較大，而采用逆向工程技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)模型信息的快速獲取，并保持足夠的精度，有利于大幅縮短前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)的冗余時(shí)長(zhǎng)，適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中縮短設(shè)計(jì)周期、提升產(chǎn)品更新速度的需求，是生產(chǎn)廠商提升競(jìng)爭(zhēng)力的重要方法之一[3-4]。

通過(guò)逆向工程軟件系統(tǒng)Geomagic Studio/Qualify及交互式CAD/CAM系統(tǒng)Unigraphics NX的綜合應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)逆向工程中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲面重構(gòu)和曲面分析等功能，達(dá)到重新快速建模并二次設(shè)計(jì)的目的，同時(shí)對(duì)Geomagic Studio與Unigraphics NX的有機(jī)結(jié)合進(jìn)行分析，探討如何有效發(fā)揮兩種軟件平臺(tái)各自的特長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云模型的快速捕捉與重構(gòu)，極大地降低產(chǎn)品在前期設(shè)計(jì)過(guò)程中的迭代時(shí)長(zhǎng)，為后續(xù)更加復(fù)雜的產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供有效的途徑及科學(xué)的參考。通過(guò)將某摩托車(chē)覆蓋件點(diǎn)云離散為幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的歸一與精簡(jiǎn)，得到可靠高效的三維數(shù)據(jù)信息。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)雜曲面的封裝升維、重構(gòu)對(duì)比，優(yōu)化和實(shí)物化，并得到較準(zhǔn)確的三維模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)物產(chǎn)品的參數(shù)化重構(gòu)。

1 覆蓋件點(diǎn)云數(shù)據(jù)

Geomagic Studio系統(tǒng)能夠友好地處理獲得的點(diǎn)云模型，并對(duì)其進(jìn)行恰當(dāng)?shù)木?jiǎn)操作，在確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度與柔軟度的前提下，為后續(xù)的多邊形及封裝等操作提供足夠的時(shí)效優(yōu)勢(shì)。然后根據(jù)實(shí)物零部件生成準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。Geomagic Studio系統(tǒng)處理一些復(fù)雜形狀和自由曲面的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于某些傳統(tǒng)CAD軟件[3]，并且在確保零件生成精度的同時(shí)能夠較大幅度地減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期[5]。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取是逆向工程的基礎(chǔ)[6]，測(cè)量方法的選用是逆向工程中一個(gè)非常重要的問(wèn)題[7]。通過(guò)特定的設(shè)備和合適的方法獲得產(chǎn)品表面離散點(diǎn)的相對(duì)幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)稱(chēng)作點(diǎn)云數(shù)據(jù)[8]，是將實(shí)物產(chǎn)品數(shù)據(jù)化的關(guān)鍵一步。影響后期零件和模型的偏差大小的基礎(chǔ)性問(wèn)題是數(shù)據(jù)采集的完整度和精確度。針對(duì)覆蓋件本身硬度不高、接觸時(shí)易變形的特點(diǎn)，采用非接觸式測(cè)量的方法獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)?？紤]到其板材結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，只對(duì)單面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，后期進(jìn)行拉伸或片體加厚處理，以獲得相應(yīng)厚度的3D模型。掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示，在Geomagic Studio中顯示其數(shù)據(jù)總量為164 457個(gè)點(diǎn)。

圖1 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

2.1 點(diǎn)云精簡(jiǎn)及噪點(diǎn)去除

在Geomagic Studio中，點(diǎn)云精簡(jiǎn)的主要方式是通過(guò)統(tǒng)一指令進(jìn)行，如數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)對(duì)齊、噪聲去除、數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)等[9]。噪點(diǎn)是指模型表面相對(duì)粗糙、非均勻的點(diǎn)云，通常是掃描時(shí)設(shè)備輕微的抖動(dòng)或者物體表面過(guò)于粗糙等因素造成的。一般通過(guò)調(diào)節(jié)平滑級(jí)別和設(shè)置迭代數(shù)目及參數(shù)來(lái)減少噪點(diǎn)，摩托車(chē)覆蓋件產(chǎn)品是以規(guī)則曲面為主的模型，通過(guò)控制點(diǎn)云密度的方式減少噪點(diǎn)，引用高斯算法和平均值算法來(lái)減少掃描儀器導(dǎo)致的誤差，使點(diǎn)排列更加光滑平順，并對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行過(guò)濾和抽稀，從而消弭屬于實(shí)體外的噪點(diǎn)，去除噪點(diǎn)后點(diǎn)的數(shù)據(jù)更小，而且邊界點(diǎn)排布更均勻。通過(guò)設(shè)置非連接項(xiàng)的尺寸及體外孤點(diǎn)的敏感度，可以有效去除偏離主點(diǎn)云的孤點(diǎn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，精簡(jiǎn)后的數(shù)據(jù)點(diǎn)僅有82 160個(gè)，比原始數(shù)據(jù)量減少約50%，極大地降低了計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間及后期曲面片的個(gè)數(shù)，如圖2所示。

圖2 噪點(diǎn)去除及邊界處理

2.2 封裝

封裝指令可以使點(diǎn)云數(shù)據(jù)在保持產(chǎn)品原型大致形狀的前提下三角化點(diǎn)云數(shù)據(jù)。采用加點(diǎn)法、換邊法和分治法可以自動(dòng)將數(shù)據(jù)連接成多個(gè)三角網(wǎng)格曲面片，并且對(duì)產(chǎn)品原型進(jìn)行凈化和條理化。換邊法可以在形成非優(yōu)化的初始三角形后進(jìn)行換邊優(yōu)化，而加點(diǎn)法是從構(gòu)造第一個(gè)三角形開(kāi)始保證每次加入一個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生的三角形都是局部?jī)?yōu)化的，分治法是在將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為若干子集合后對(duì)局部進(jìn)行分塊優(yōu)化后再整合的三角化方式。如圖3所示，通過(guò)封裝指令最后獲得163 110個(gè)三角網(wǎng)格面片，隨后進(jìn)入Wrap階段。

圖3 封裝后的曲面模型

3 覆蓋件的多邊形網(wǎng)格處理

3.1 簡(jiǎn)化及自修復(fù)

在保證模型不出現(xiàn)變形的情況下，盡可能地簡(jiǎn)化多邊三角網(wǎng)格曲面片個(gè)數(shù)，提高計(jì)算機(jī)后期曲率計(jì)算準(zhǔn)確度和速度。而簡(jiǎn)化過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致模型完全變形，簡(jiǎn)化過(guò)少則難以有效提高計(jì)算效率及準(zhǔn)確性，通常確定簡(jiǎn)化至原模型的80%為最佳值。

由于數(shù)據(jù)誤差，模型的部分區(qū)域會(huì)出現(xiàn)模型本身并沒(méi)有的微小孔洞、自相交、高度折射邊、釘狀物等相關(guān)網(wǎng)格缺陷。網(wǎng)格醫(yī)生是基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)和曲率對(duì)模型進(jìn)行整體優(yōu)化的指令，可以在獲得曲面片的初始階段自動(dòng)修復(fù)模型的重大誤差。因此通過(guò)網(wǎng)格醫(yī)生中的修復(fù)命令可以自動(dòng)探測(cè)、修復(fù)錯(cuò)誤，最終生成高質(zhì)量的多邊形網(wǎng)格模型。

3.2 特征去除

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，模型的邊緣并不準(zhǔn)確，對(duì)于不光滑的曲面及孔洞邊緣輕微變形的區(qū)域，主要通過(guò)去除特征、砂紙和松弛等3個(gè)命令來(lái)實(shí)現(xiàn)光滑處理過(guò)程[10]。同時(shí)根據(jù)覆蓋件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮去除零件中部起裝飾作用的凸凹紋理，以簡(jiǎn)化模型并降低產(chǎn)品后期制造難度，保證模型的準(zhǔn)確性[11]。去除特征后的模型如圖4所示，可以看出，雖然模型會(huì)出現(xiàn)偏差，但仍在允許范圍內(nèi)，并且可以保證明顯的光順邊緣曲線及光滑曲面。

圖4 精簡(jiǎn)特征后的曲面模型

4 曲面重構(gòu)與擬合

4.1 編輯輪廓線及區(qū)域

對(duì)于模型的棱角、拐角、圓角等曲率較大處，使用曲面輪廓探測(cè)命令，可以較快速地獲取模型的外形輪廓，以對(duì)模型有快速的感知，然后需要使用曲率敏感性、分隔符等操作進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，對(duì)模型進(jìn)行更為精細(xì)的刻畫(huà)與輪廓計(jì)算[12]。軟件自動(dòng)生成的輪廓線并非完全是所需要的輪廓線，會(huì)出現(xiàn)缺失、交叉等錯(cuò)誤，如圖4中的凸凹紋理部分因刪除特征后并未被識(shí)別，通過(guò)手動(dòng)編輯修改輪廓線參考區(qū)域圖，以實(shí)際需要模型為基準(zhǔn)，獲得理想的輪廓線，從而定義曲面連接的最終位置。

通過(guò)軟件對(duì)模型自動(dòng)分析后，確定特征區(qū)域的范圍，將三角網(wǎng)格曲面片分為多個(gè)單獨(dú)的區(qū)域集合。編輯區(qū)域的大小并添加未被定義的特征區(qū)域，確定模擬融合曲面的最佳特征區(qū)域，保證在擬合曲面片時(shí)能更好地貼合三角網(wǎng)格曲面片，對(duì)于未完全選擇的特征區(qū)域，需要通過(guò)編輯區(qū)域進(jìn)行二次選擇，如圖5所示。軟件可以自動(dòng)分析多邊形區(qū)域特征，可將特征區(qū)域定義為平面、球體、圓錐面等實(shí)體的表面的一部分，同時(shí)需要根據(jù)模型的實(shí)際表征情形，對(duì)個(gè)別曲面特征（區(qū)域）進(jìn)行手動(dòng)定義；結(jié)合模型的實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景，可知出摩托車(chē)覆蓋件的面主要由錐面、球面、平面構(gòu)成。

圖5 模型區(qū)域編輯

4.2 擬合與連接曲面

根據(jù)區(qū)域定義的擬合特征，將特征區(qū)域擬合為特征體的部分非均勻有理B樣條（Non-Uniform Rational B-Splines, NURBS）曲面片，盡可能在保證曲面曲率變化均勻的情況下構(gòu)建曲面片，最后通過(guò)編輯區(qū)域、編輯輪廓線及調(diào)整定義區(qū)域的大小的方式使NURBS曲面片之間達(dá)到最佳擬合，即曲面片之間縫隙盡可能小的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，初步擬合的曲面片之間的相鄰處，尤其是多塊曲面的交界處，仍舊存在大量的縫隙，在Geomagic Studio中繼續(xù)對(duì)曲面片體進(jìn)行拼接處理存在較大難度，而鑒于UG NX系列軟件成熟的模型處理體系，可將NURBS初步擬合的模型轉(zhuǎn)為IGES格式，然后在UG NX中進(jìn)行優(yōu)化，以降低逆向設(shè)計(jì)的難度，并保證足夠的精度。檢查曲面片之間是否存在較大的誤差，并將其定義成一個(gè)相互接近的曲面片的集合，防止曲面裁剪過(guò)程中造成曲面片的遺失或者不完整。然后將NURBS曲面轉(zhuǎn)化為CAD模型，通過(guò)面片編輯中的修剪和延伸指令處理NURBS曲面，使各曲面片之間的間隙不斷減小。其中延伸是保證曲面曲率不變的情況下定向擴(kuò)大曲面片的面積，修剪可以去除曲面片延伸后多余的部分，保證縫合的時(shí)候曲面變形盡可能小，以達(dá)到減小誤差的目的，通過(guò)縫合指令使單獨(dú)曲面片連接為一個(gè)統(tǒng)一的片體。

由于摩托車(chē)覆蓋件在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過(guò)程中只采集了一個(gè)上表面，模型數(shù)據(jù)為單獨(dú)的一個(gè)面，所以最終輸出模型數(shù)據(jù)顯示為片體，修剪編輯的模型如圖6所示。

圖6 模型修剪編輯

4.3 圓角處理

通過(guò)在Geomagic Studio中查詢(xún)各個(gè)曲面連接處的圓角，然后在UG NX中通過(guò)面倒圓和邊倒圓指令對(duì)曲面片的交界處進(jìn)行倒圓角處理，使最后的實(shí)體模型更貼合原數(shù)據(jù)模型，最后對(duì)所有的曲面片體進(jìn)行縫合，使其成為一個(gè)整體，然后通過(guò)加厚指令即可獲得覆蓋件殼體的3D模型。

5 數(shù)據(jù)比對(duì)

將處理好的模型導(dǎo)出為STL格式，并導(dǎo)入Gomagic Qualify軟件中，與優(yōu)化過(guò)特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差比對(duì)，通過(guò)3D分析和偏差圖譜可以直觀地看出偏差實(shí)際情況，判斷通過(guò)逆向獲得的模型是否符合相關(guān)要求，如圖7所示。選取3D分析中偏差較大和較小的7個(gè)區(qū)域，分析新建模型和原始點(diǎn)云模型在三維坐標(biāo)中的x、y、z三個(gè)分方向的偏差，以對(duì)誤差的具體情況有系統(tǒng)的了解，如表1所示。可以看出，A002及A003兩處因去除了凸凹紋理特征，其數(shù)據(jù)模型和點(diǎn)云有較大的上偏差或者下偏差，除此之外，其余的點(diǎn)和原始數(shù)據(jù)誤差均為±0.2左右（低于模型宏觀尺寸的5%），表明模型的整體還原度相對(duì)較高。同時(shí)，通過(guò)自主選擇系統(tǒng)截面或者創(chuàng)建新的截面對(duì)3D誤差圖進(jìn)行細(xì)節(jié)觀察，可獲得更加精細(xì)的對(duì)比偏差圖樣，通過(guò)分析可知模型僅在邊界處有較大誤差，其他部位均能夠很好地滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)需求。

表1 局部偏差值分布

圖7 3D偏差圖

6 結(jié)論

本文以逆向分析軟件Geomagic Studio為分析平臺(tái)，對(duì)覆蓋件點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了逆向成型，并進(jìn)行了精度分析，得到了如下結(jié)論：1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理可以在不降低模型精度的情況下有效地提高模型運(yùn)算效率，從而可以應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的產(chǎn)品模型；2）UG NX軟件強(qiáng)大的模型編輯功能可以有效提高最終產(chǎn)品的逆向完成度，縮短產(chǎn)品的逆向開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率。