摘要:以某小轿车门拉手为例，对扫描标定过程的关键技术进行了研究，基于Geomagic逆向软件分析了点云数据的采集及处理技术，建构了CAD模型，应用GeomagicQualify软件获取了精度比对报告，最终应用NX正向软件进行了产品创新设计，极大地缩短了产品改型与创新设计周期，提高了生产效率，降低了成本。
关键词:逆向工程;数据处理;建构CAD模型;创新设计
近年来，逆向工程技术随着计算机技术、测量技术的快速发展，以及新的反求原理的不断引入，已经被广泛应用于家用电器、汽车、摩托车、飞机、模具等产品的改型与创新设计，成为消化、吸收先进技术，实现产品创新设计的重要技术手段［1－2］。逆向软件从产品原型入手，除实现对原型的仿制外，还能通过数据处理、曲面重建构造产品零件的CAD模型，在探询和了解原设计技术的基础上，实现对原型的修改和再设计，以达到设计创新、产品更新之目的，大大缩短新产品研发周期，提高企业产品的设计和生产效率［3］。在国内外众多企业、大学中，逆向工程的研究逐渐被重视，目前已发展到较成熟阶段。美国EDS公司Imageware软件的开发、我国西安交通大学在CAD重构软件方面的研究等，都在逆向工程领域获得了良好的经济效益。
1扫描系统标定
扫描系统的基本原理是采用先进的电外差光栅相移测量技术，首先将光栅条纹投射到被扫描工件表面，光栅条纹的幅度和相位被调制，被调制后的条纹经三维扫描系统采集到专用计算机，得到工件的三维坐标［4］。测量设备为Win3DD－L的三维扫描仪，扫描距离700mm，单幅扫描时间＜3s，扫描点距为0．2～1．5mm，扫描球空间误差为0．005+L/15000，球面度误差为0．005+L/40000，平面度误差为0．005+L/25000，L为单幅扫描对角线长度。启动Win3DD扫描系统和硬件系统，点击“扫描标定切换”按钮，进入软件标定界面。通过“调整相机参数”中的曝光、增益与对比度来调整相机采集亮度，以便得到满意的图像质量。通过调整硬件系统的高度以及俯仰角，使黑白色两个十字叉尽可能重合，从而实现标定过程，如图1所示。
2点云数据采集技术
2．1提高点云质量解决方案如果被扫描工件反光强烈或没有足够的对比度，相机将无法有效记录投射光栅条纹信息，从而导致无法扫描出点云数据或降低数据的质量。该小轿车门拉手属于反光物体(如图2所示)，要喷显像剂进行扫描(注:显像剂要喷得均匀且薄)。另外，应给被扫描工件准备一个黑色的背景，这样可以增加有效扫描数据的比重。2．2粘贴标志点标志点要尽量粘贴在工件的平面区域或曲率较小的曲面，且距离工件边界稍远一些;标志点不要贴在一条直线上，且尽量不对称粘贴;标志点一般5～7个为宜，粘贴的标志点要保证扫描策略的顺利实施，并使标志点在长度、宽度、高度方向均合理分布。该车门拉手标志点粘贴在转台表面上，这种粘贴方案可以有效减少工件表面的标志点数量，使扫描数据尽可能少地产生空洞，如图3所示。当一圈扫描完成之后则需要观察是否有区域没有扫到，是否有分层的现象，若无，则将点云数据保存为“asc”或“txt”格式。2．3制定扫描策略对被扫描工件进行扫描时，需要经过多角度、多范围的多次扫描，才能完成对被扫描工件的完整扫描。扫描系统采用标志点来实现多次扫描数据坐标系的统一，从而完成点云的自动拼接。针对该车门拉手的扫描，应先根据其大小、形状、复杂程度判断需要扫描的次数，以及扫描的次序，保证本次扫描与之前扫描提取出的标志点至少有3个公共点。
3点云数据处理技术
将获取的点云数据导入到逆向软件GeomagicStudio中，首先应用“体外孤点”和“减少噪音”的方法，将有效点云数据周围的杂点选中去除，提高点云质量;其次通过“手动注册”多点注册模式，完成拼接，如图4所示，接着点击“全局注册”，将分散的点云整合在一起，减小误差。先后点击“联合点对象”、“封装”，将点云数据转为三角面片。通过“删除钉状物”去除多边形网格上的单点尖峰。因存在扫描误差，难以避免锐边变钝、平滑曲线变粗糙，应用“减少噪音”命令可对多边形网格进行平滑处理。同时，由于该车门拉手背面结构复杂，扫描时出现结构相互遮挡的现象，一些数据无法被采集到，导致转成三角面片后出现数据缺陷，因此需建立拓扑关系来补全数据，以还原出原始真实表面信息。最终将数据保存为“stl”格式。4CAD三维模型重构基于DesignX软件进行三维数字化建模:1)将之前保存好的点云数据导入软件。2)通过领域组将点云分成多个领域。该车门拉手由结构部分和自由曲面部分组成，主要分析其曲面的特点，找出具有代表性的曲线轮廓。3)通过面片草图功能将轮廓线画出，然后利用面片扫描功能将草图转化为面片，实现正面自由曲面部分的基础轮廓面片;背面自由曲面曲率不等，通过放样的方法，将草图转换为面片，延长其边界，使面片覆盖整个曲面部分，如图5所示。4)通过面片草图、拉伸、剪切等曲面编辑操作的应用，构建了该车门拉手背面的结构特征，最后进行求和、倒圆角，得出完整的模型，如图6所示。
5精度分析与验证
对于该车门拉手的重构，需保证自由曲面的精度要求，以达到车门拉手的美观性和实用性。在本次研究中，主要以三维扫描仪扫描为主，精密仪器的测量为辅，共同完成车门拉手的三维模型重构。基于GeomagicQualify精度检测软件，将创建的自由曲面与标准三维模型各面数据进行比对，建模重构精度控制在±0．05mm以内，面与面的拟合度高，达到精度要求，即测量结果和逆向结果准确有效，如图7所示。
6基于正向设计的车门拉手创新设计
该车门拉手由镀铬的拉手、底座、扭簧、镀铬的金属扭簧销、缓冲垫、车门锁舌拉杆等组件构成。使用时，用手拉动拉手，手的力量克服扭簧的弹性力，使拉手围绕扭簧销旋转，从而使得锁舌从锁孔中拉出，扭簧、扭簧销、缓冲垫与他们一同形成组件，易于安装在车门上。本次创新设计主要解决了原车门拉手组件装配复杂、加工工艺繁琐等缺陷，并在保持组件基本功能不变的前提下，通过改变拉手和底座的局部结构替代其余零件，从而节约了成本。创新装配设计效果如图8所示。
7结束语
目前逆向技术的精度检测主要是从误差的来源进行定性分析，定量分析还不够深入。而本文利用GeomagicQualify软件对重构CAD模型与标准点云数据进行精度分析，结果表明达到了定量分析的目的，成功缩短了产品设计周期，提高了企业竞争力。
参考文献:
［1］章云云．基于逆向工程的车灯自由曲面建模技术研究及应用［D］．上海:上海交通大学，2012．
［2］周小东．面向创新设计的逆向工程技术研究［J］．机床与液压，2015(10):25－28．
［3］袁峰．逆向工程与产品创新设计［J］．科技信息，2009(5):588－589．
作者：俞张勇 杨海霞 吴斌 于俊杰 陈明 周雯雯 单位：无锡职业技术学院机械技术学院
