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摘要:

逆向工程設計技術在汽車、動力機械等零部件設計中已經得到了廣泛的應用．本文以某典型汽車零部件產品逆向重建的設計流程為例，介紹了逆向工程技術在產品設計過程中的應用，通過優化逆向工程方案設計，獲得了令人滿意的設計效果，為有效應用逆向工程技術提供理論依據，具有一定的現實意義和價值．

關鍵詞:

逆向工程;CAD軟件;汽車工業;產品設計

在現代的企業中機械設備等產品的設計及加工制造，要求越來越精巧，尤其汽車、動力機械等設備的外形結構越來越復雜，設計過程則要求愈來愈精細，同時市場競爭要求機械設備的性能指標要大幅度提高，而通過先進的設計方法和手段可以有效地提高設計效率和設計水平．利用先進的CAD及逆向工程設計分析方法進行產品設計與分析等成果，來指導加工制造已經成為當前產品設計開發領域技術發展的必然趨勢．本文主要結合汽車零部件的逆向工程設計方法進行研究與探討．

1逆向工程技術

逆向工程是以設計方法學為指導，以現代設計理論、方法、技術為基礎，運用各種專業人員的工程設計經驗、知識和創新思維，對已有產品進行解剖、深化和再創造．逆向工程通過應用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據測量數據通過三維幾何建模方法重構實物的CAD模型的過程［1-2］．逆向工程設計的原理是用許多細小的空間三角形來逼近還原CAD實體模型，通常采用NURBS曲面片擬合出NURBS曲面模型，簡單介紹了曲面重建的策略［3］。逆向工程在汽車工業中的應用，著眼于實際問題就是在汽車設計中怎樣進行實物測量和逆向建模，所使用的CAD設計工具主要是UG和CAT-IA，利用現有的設計方法和手段，根據零部件的自身特點，建立起與原模型相近的模型［1］．目前這種先進的設計方法及相關軟件大大提升產品設計的質量，縮短設計周期，在許多方面為企業保持競爭優勢提供了強有力的技術保證．

2逆向工程設計中的數據采集

逆向工程設計首先需要對原始工件進行三維護數據采集，進而為后續三維重建及分析提供準確有依據．三維數據的采集一般通過三維掃描儀來完成．三維掃描儀通常采用光柵掃描技術，可以實現標志點全自動拼接，具有高效率、高精度、高壽命、高解析度等特點，三維掃描儀是產品開發、品質檢測的必備工具，用于產品研發設計(RD)、逆向工程(RE)及三維檢測(CAV)．本文以某汽車冷卻水管的三維逆向設計過程為例進行逆向工程設計方法進行研究與探討．

2．1系統標定

開始掃描前應先標定系統，標定的精度將直接影響系統的掃描精度．如果在使用過程中已經標定過系統，在系統未發生任何變動的情況下，進行下一次掃描時可以不用再進行標定．結合不同軟件，系統標定主要包括:調整掃描儀角度、調整測量距離、調整十字及相機參數、選擇標定板參數、采集標定板數據、標定計算、應用標定結果等內容．為十字調整、相機光圈與焦距的調節、標定結果確定結果．

2．2掃描前期準備

在掃描之前要先做一些前期準備工作，如掃描的工件表面處理，選擇和粘貼標志點．

2．2．1掃描物體表面處理

工件的表面質量對掃描的進行也很重要．掃面物體的表面必須符合淺色、漫反射特征，如果掃描工件的表面太吸光或者太反光，則必須使用顯影劑處理成符合要求的表面．只有亮但不反光的表面適合掃描，同時要保證工件表面干凈，無明顯的干擾污漬，同時也要將工件放平穩．為已經經過顯影劑表面處理的工件．

2．2．2在物體表面貼標定點

為完整地掃描一個三維的物體，通常需要將被掃描物體表面貼上標志點，要求標志點粘貼牢固、平整．標志點要盡量隨機貼在物體表面上的平坦區域，與曲面每邊邊緣的距離不宜過大，公共標志點至少為4個，由于圖像質量、拍攝角度等多方面原因，有些標志點不能正確識別，因而盡可能多粘貼標志點，一般為5～7個為宜．不要人為的將標志點分組排列，標志點盡量不要貼在一條直線上．

2．3實體掃描

掃描環境一定要在干擾光源比較少的地方進行，否則會使掃描成功的面積減少或掃描不上任何面．通過拼接掃描軟件對標定點進行識別并標號，然后進行當前位置的掃描，當對其他面進行掃描時旋轉角度不可過大，并務必要有重復的識別點，對于細節部分可以著重掃描．掃描后通過軟件進行掃描文件的數據導出，完成數據采集［4］．

3實體的重建與后處理

本文通過Geomagic公司，研發的GeomagicStudio逆向工程軟件進行實體的重建與后處理，GeomagicStudio逆向工程軟件可以幫助用戶從點云數據中創建優化的多邊形網格、表面或CAD模型．GeomagicQualify則建立了CAD和CAM之間所缺乏的重要聯系紐帶，允許在CAD模型與實際構造部件之間進行快速、明了的圖形比較，并可自動生成報告［5］．

3．1GeomagicStudio軟件建模的流程

GeomagicStudio軟件建模的具體的流程點云處理―封裝為多邊形―多邊形階段―造型階段―輸出模型。

3．2重建與后處理

(1)點階段處理工作:通過Geomagicstudio軟件將掃描得到的文件導入后，通過點階段處理，進行點云的編輯，通過去噪、采樣、補點等操作來優化點云數據，為點云的網格化做準備．點階段處理應縮小點云之間誤差，使點與點之間距離更細膩．封裝過程為將點云文件聯結為三角云片體。(2)多邊形階段:多邊形階段的主要目標是進行形狀處理和邊界處理．運用松弛、刪除釘狀物、砂紙、填充孔等工具對面進行加工處理，使其光滑平整。(3)制作精確曲面階段:精確曲面階段的主要包括輪廓線的探測、曲率的探測、輪廓線的抽取、輪廓線的編輯和延伸以及如何松弛輪廓線，以及曲面片的編輯、面板移動、曲面片松弛以及曲面片修理等．通過選擇構造曲面片，將片體進行拆分構造，可使用移動，擬合曲面等功能使曲面片布置更合理，提高精確度，然后構造格柵，擬合曲面．

3．3重建結果及文件輸出

通過Geomagicstudio軟件重建與后處理結果．通過以上逆向工程軟件進行的實體重建與后處理得到的三維模型結果結果與實體原型進行比較，基本上能夠非常準確地表達出原型效果。最后，通過Geomagicstudio軟件可以將處理后的文件輸出為*．dxf(或*．igs)等格式數據，可供AUTOCAD或UG等其他CAD軟件進一步進行處理．

4結論

通過逆向工程設計得到的實體重建結果能夠準確地表達出原型效果，而對于汽車及動力機械行業中結構更加復雜的零部件若采用逆向工程設計將會得到滿意的效果，同時也將大縮短設計周期及設計成本，達到事半功倍的效果［6］．因此，本文所述逆向工程設計方法和手段對產品設計及其應用提供了很好的借鑒．逆向工程是一項具有開拓性、實用性和綜合性技術，采用該技術能夠進一步提高設計制造質量，降低生產成本，隨著該技術的不斷完善與廣泛應用，將會大大提升我國在機械加工制造行業中的競爭力．

作者：甘樹坤 呂雪飛 盧尊 單位：吉林化工學院汽車工程學院 吉林化工學院機電工程學院

參考文獻:

［1］李君君．逆向工程在汽車工業中的應用［J］．機械工人．冷加工，2003(8):24-25．

［2］甘樹坤．基于SolidWorks的二維工程圖三維重建系統實現［J］．吉林化工學院學報，2011(7):39-42．

［3］張榮強．逆向工程方法在家具復雜零件曲面設計中的應用［J］．家具，2015(1):8-11．

［4］陳莉華．逆向工程在煙機異型件建模中的應用［J］．機械研究與應用，2005(1):76-77．

［5］王沁峰．汽車覆蓋件逆向工程設計研究與應用［J］．機械設計與制造，2011(4):83-85．

［6］王集思．基于PRO/E的逆向工程研究與實踐［J］．吉林化工學院學報，2013(3):57-61