0 引言

　　逆向工程是從一個存在的零件或原型入手，首先對其進行數字化處理，然后重建曲面并構造CAD模型，最后制造產品。隨著逆向工程技術得到越來越廣泛的應用，相配套的軟硬件系統也得到發展。以汽車連桿實物模型為例，采用Creaform公司的手持式激光掃描系統，以及用逆向工程軟件Geomagic Studio 10完成其數字化測量與CAD模型重建處理，并對其中的關鍵技術進行了分析。

　　1 實物模型數字化采集

　　實物模型的數字化采集是逆向工程技術的首要而關鍵的一步，數字模型結果的好壞直接影響到最終CAD模型曲面質量的優劣。目前，逆向工程使用的數字化工具可分為接觸方法和非接觸方法，接觸式測量通過側頭與模型表面接觸實現表面數據的獲取;非接觸式測量以計算機圖像處理為主要手段，如激光三角法、結構光法、CT掃描等。

　　激光三角測距法是逆向工程中曲面數據采集運用最廣泛的方法，它具有數據采集速度快、能對松軟材料的表面進行數據采集、能很好測量復雜輪廓等特點。手持式激光掃描系統是對傳統的激光掃描儀的一個重大突破，掃描儀和掃描物體的相對位置都可以變換，這樣大大提高了掃描范圍和不同場合的掃描可行性。作者采用的Creaform公司的手持式激光系統REVscan由硬件和軟件兩部分組成：手持式REVscan激光掃描儀和VXscan數據處理軟件。如圖1所示為激光掃描儀工作示意圖。

　　圖1 REVsean激光掃描儀工作示意圖

　　為得到最準確、完整的點云圖，根據零件尺寸大小、材質、顏色、曲面復雜程度等的不同可采取不同的掃描策略。該掃描儀的掃描流程可簡單概括為：著色一貼標記點一掃描一輸出點云。

　　作者采用的實物模型是汽車連桿，如圖2所示。由于連桿自身尺寸較小，而且表面特征區域較多，所以可以貼標記點的部分有限，無法通過在零件自身貼標記點的方式獲得點云數據。在該實例中，可以通過增加一塊輔助板來進行測量。此輔助板是一塊平面板，在輔助板面上按照貼標記點的規則均勻貼滿標記點，而連桿本身可以不貼標記點，通過輔助板上的定位點可以完成對于類似汽車連桿等小零件的測量。圖3是著色后的連桿放在貼滿標記點的輔助板之上。

　　圖2汽車連桿零件實物圖

　　圖3著色后的連桿與貼滿標記點的輔助板

　　通過激光掃描完成對零件上表面的測量后，可以通過翻轉連桿，重新掃描零件的下端面而得到新的點云文件。將兩個點云文件導入到Geomagic Studio軟件下依次進行刪除噪音點云和輔助板點云，通過共同特征點將兩個點云數據拼合，并刪除重復的部分，即可獲得一個完整的連桿點云數據文件。

　　2 曲面重建

　　曲面重建通過對點云的多邊形網格化處理并對網格使用Bezier或者NURBS曲面進行擬合來創建曲面，即將點云數據文件生成CAD模型文件。作者采用的是快速曲面重建的典型軟件Geomagic Studio，將曲面重建分為3個階段，即點階段、多邊形階段和曲面階段。

　　2.1 點階段

　　由于環境光或操作的影響，點云數據文件不可避免地帶有多余和錯誤的噪點，可在點階段對這些噪點進行刪除處理。Geomagic有兩種刪除點云方式：手動刪除和自動刪除。手動刪除是使用選擇工具選擇所不需要的點進行刪除;自動刪除是執行“非連接項”對不需要的孤立點云的直徑進行定義，再將定義范圍之內的點刪除。

　　一般情況下，由于初始點云數量很大，可達到上百萬以上，會使得計算速度較慢，所以要對初始點云數據采樣處理。該軟件提供了四種采樣算法：曲率采樣、統一采樣、等距采樣和隨機采樣。由于在模型特征明顯和曲率變化較大的部分需要較多的點表達，所以在一般情況下選擇曲率采樣。處理完成的點云數據如圖4所示。

　　圖4汽車連桿零件點云

　　2.2 多邊形階段

　　對點階段處理完成的點云進行封裝處理，構造三角形網格，即進入多邊形階段。在多邊形階段，若模型有三角形未填充到的部分則執行“填充孔”命令，系統自動對表面執行基于曲率填充，該命令對曲率變化比較有規律的表面有較好的填充效果。

　　對模型表面多余的或者不需要的部分執行“消除特征”命令，該命令同樣是基于曲率對表面進行消除處理，所以對曲率變化較規則的表面有較好的消除效果;對于曲率變化不規則的部分，可先將需要消除的部分刪除，再對刪除后生成的孔進行填充。如圖5所示為消除連桿側邊凹陷處的特征前后對比圖。

　　圖5消除連桿側邊凹陷處特征的前后對比圖

　　原始點云形成的模型表面往往不夠光滑，不理想的表面會影響到最終CAD模型表面的光順程度。可通過執行“消除”和“清除釘狀物”命令對整個表面進行光順處理，可得到光滑的表面;如圖6所示為光順處理后較理想的模型表面。

　　圖6汽車連桿的多邊形模型

　　2.3 曲面階段

　　在曲面階段可對模型進行分塊，再分別對各分塊進行定義、擬合和延伸，最后通過各分塊之間的相剪切得到CAD模型。最新的Geomagic Studio 10中集成的Fashion模塊可通過對原始設計意圖的識別，實現對各分塊區域的類別探測，從而提高最終生成的CAD模型的質量。

　　在Fashion模塊下首先執行“探測輪廓線”命令對模型進行曲率檢測，通過對模型表面曲率變化較大的區域進行中心線抽取得到的輪廓線可將模型分為多個區域;再執行“延伸輪廓線”命令，根據輪廓線生成延伸線，延伸線的作用是在各分塊曲面之間形成過渡曲面，使各分塊之間得到良好的過渡，提高模型整體的平順和光滑程度。結果如圖7所示。

　　圖7模型的輪廓線和延伸線

　　創建完各分塊區域和過渡曲面后，執行“創建修剪曲面”對分塊和過渡曲面進行編輯。該命令分為5步：第1步“分類”是將各分塊進行自動分類，可根據其幾何性質將其定義為平面、圓柱面、球面、圓錐面等基本幾何模型，或除此之外的自由曲面，結果如圖8所示;第2步“擬合初級曲面”即對上一步定義的各分塊進行擬合;第3步“擬合連接”即擬合過渡曲面部分;第4步“分析”可對模型的偏差大小、初級曲面以及過渡曲面擬合效果進行分析，對于不滿意的部分可返回進行修改;第5步“修剪/縫合”是對擬合的初級曲面和過渡曲面進行修剪，并對修剪結果進行縫合，生成CAD模型。最終的CAD模型如圖9所示。

　　圖8連桿的曲面片分類

　　圖9連桿的CAD模型

　　經過對CAD模型結果分析可知，利用Fashion模塊的曲面片類型識別和擬合功能，其擬合精度和表面質量都可以得到較大的提高。

　　3總結

　　以汽車連桿零件為例，結合最新的手持式三維掃描系統和Geomagic逆向工程軟件闡述了從實物模型到CAD模型的整個過程。手持式激光掃描系統具有便攜性，自定位等優點;Geomagic Studio具有自動識別表面特征的功能，能夠解讀模型各分塊區域的原始設計意圖，從而可以大幅度提高重建模型曲面的質量。隨著逆向工程中數字化掃描設備和CAD重建軟件的功能和效率的不斷提高，逆向工程技術將得到更加廣泛的應用。