论文部分内容阅读
摘 要：逆向工程技术作为目前发展较快的专业应用领域，在模具设计与制造、汽车钣金等领域得到了更多的研究与应用。逆向工程作为吸收先进技术的一种手段，使产品研制周期缩短40%以上。本文以家用汽车洗水枪为例，为了更好地满足用户的需求，利用逆向工程技术对洗车水枪的外观进行重构，从点云的获取过程、点云的处理过程，以及逆向建模过程及打印过程进行详细的探究。
关键词：汽车水枪 逆向工程技术 点云 曲面建模
中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）04（c）-0066-03
Reverse Modeling of Automobile Water Gun Based on Design X Software
ZHANG Lihua1，2
（1. Advanced Vocational Technical College of Shanghai University of Engineering Science， Shanghai， 200437 China; 2. Shanghai Technician School， Shanghai， 200437 China）
Abstract： Reverse engineering technology as the rapid development of the professional field， in the mold design and manufacturing， automotive sheet metal and other fields has been more research and application.Reverse engineering， as a means of absorbing advanced technology， shortens the development cycle of products by more than 40%. In this paper， household washing gun as an example， in order to better meet the needs of users， using reverse engineering technology to reconstruct the appearance of washing water， including processing process， point cloud acquisition point cloud， and the reverse modeling process and printing process are explored.
Key Words： Automobile water gun; Reverse engineering technology; Point cloud; Surface modeling
逆向工程，又称反求工程或逆向建模与再设计，是将已有实物通过扫描的方式获取点云转化为数模，并在这个基础上进行工程分析和创新设计的一种现代高精度测量方法和先进技术，能够大大提高产品的制造技术及设计技术水平，缩短设计周期，有效获取产品竞争力，是获取先进技术，进而创新和开发各种新产品的重要手段。了解及掌握逆向工程技术的应用，对国家的先进技术的发展、生产制造水平的提高和适应市场发展能力的提升，具有较高的意义。
汽车洗水枪是生活中一件非常实用的部件，其外观曲面特征较多，加工制造较为困难，因此通过逆向工程的方法进行三维数据的采集和模型的重构，并将最终重新构造的模型通过快速成型的方式进行制作，进行比较研究。
1 点云获取阶段
1.1 扫描前期准备（粘贴标志点）
因要求为扫描整体点云，所以需要粘贴标志点，以进行拼接扫描。
标志点粘贴注意事项：标志点粘贴在实物表面的平坦区，且距离工件边界较远一些[1];标志点避免在一条直线上粘貼，且不要对称粘贴;每次拼接两个区域标志点至少为3个，但因扫描角度等原因，一般建议5～7个为宜;标志点应使扫描镜头在多个角度可以同时看到;如图1所示，标志点的粘贴较为合理，当然还有其他粘贴方式。
1.2 扫描过程
如图2获取汽车洗水枪点云数据是逆向工程的首个步骤[2]，本例通过非接触式扫描仪来获取点云数据，其优点是相比一般接触式测量（三坐标测量）效率高，适应性强。点云的扫描质量直接决定着产品的建模质量。所有参数调整好即可点击“扫描操作”，逐步获取局部点云至完全拼合成完整的点云数据。
2 点云处理阶段
2.1 点云阶段
点云的处理是逆向建模前非常重要的一个步骤，非接触式扫描往往会产生很多的杂点、破洞，变形的曲面等外观缺陷。故需要利用Geomagic Wrap软件对点云进行处理，以获得完整的光顺的点云[3]。
（1）着色点。为了更加清晰、方便地观察点云的形状，将点云进行着色[4]。
（2）非连接项。选择断开组件连接，指同一物体上具有一定数量的点形成点群，并且彼此间分离。
（3）减少噪音。因为逆向设备与扫描方法的缘故，扫描数据存在系统误差和随机误差，其中有一些扫描点的误差比较大，超出允许范围的就是噪音点 。
（4）封装。如图3所示，对点云进行三角面片化，对实物点云进行表面采样。通过设置点间距来进行采样。目标三角形的数量可以进行人为设定，目标三角形数量设置的越大，封装之后的多边形网格则越紧密。 2.2 多边形处理阶段
多边形阶段主要操作命令如下。
（1）填充孔。修补因为点云缺失而造成漏洞，可根据曲率趋势补好漏洞。
（2）去除特征。先选择有特征的位置，应用该命令可以去除特征，并将该区域与其他部位形成光滑的连续状态[5]。该命令用于删除模型中不规则的三角形区域，并且插入一个更有秩序且与周边三角形连接更好的多边形网格。但必须先用手动选择方式去除特征的区域，然后执行“多边形”“去除特征”，如图4所示。
3 逆向建模阶段
3.1 建模主要方法与流程
研究选择的建模软件为Geomagic Design X。
3.1.1 步骤一——坐标系建立
（1）导入处理完成的shuiqiang.STL数据。
点击菜单栏中的“插入”“导入”，选择shuiqiang.STL文件，选择仅导入按钮。
（2）分析模型特征并手动修改领域。
点击（领域组）按钮，会弹出自动分割领域的对话框，将菜单栏内的敏感度设置为5，点击预览按钮，模型自动会将不同曲率的区域以不同的颜色划分[6]。
（3）建立一个参照平面用于创建坐标系。
点击（参照平面）按钮，方法选择“提取”，更改地选择模式为“矩形选择模式”在洗车水枪喷头的底端平面区域选择领域创建参照平面。
（4）建立对称平面用于创建坐标系。
点击（面片草图）按钮，选择参照平面2，进入面片草图模式，点击短粗箭頭鼠标手动拉动前后位置，截取此处外轮廓圆。点击（手动对齐）按钮，选择点云模型。
3.1.2 步骤二——模型主体手柄创建
点击（面片拟合）按钮，选择手柄上段区域的领域，参数设置分辨率选择“控制点数”，平滑拉至最大，勾选延长选择，手动调整大小。
建模结果如图5所示，整个建模流程主要根据局部面片的拟合，对整个汽车水枪进行曲面的拆分。
3.2 建模的结果比对
如图6所示，构建完成的模型与原有的水枪STL模型进行比对发现。模型的整体都呈现绿色，表明两者的曲面贴合较好，精度较高[8]。根据精度设置，绿色部分的精度低于0.1mm，黄色部分的精度在0.1～0.3mm之间，红色部分的精度大于0.3mm，属于超差比较大的 部分。
4 结语
Geomagic Design X软件是一款非常强大的逆向工程软件，可以利用曲面的拟合、修建、缝合等功能快速、有效地进行产品的逆向再构建。与一般的三维建模软件如UG等在逆向建模上的比较，Design X速度更快、精度更高，建模方法简单实用。Geomagic Design X是专业领域最全面的逆向工程软件，结合基于历史树的CAD数模和三维扫描数据处理，可创建出可编辑、基于特征的CAD数模并与现有的CAD软件兼容。本例通过该软件进行逆向建模，要求精度保证在0.2mm，根据结果，完全符合建模要求。
参考文献
[1] 高利敏，李俊杰，李文清，等.无人机倾斜摄影结合激光扫描仪三维逆向建模[J].测绘通报，2021（2）：161-163.
[2] 杨垠晖.真实感树木的逆向智能交互建模技术[D].杭州：浙江大学，2017.
[3] 樊昱.基于离散元法的马铃薯挖掘机理研究及仿生铲设计[D].沈阳：沈阳农业大学，2020.
[4] 高溪溪.基于三维激光扫描技术的近现代建筑数字化建模研究[D].青岛：青岛理工大学，2020.
[5] 余浩.点云数据与BIM技术在既有建筑改造中的应用研究[D].兰州：兰州理工大学，2020.
[6] 刘芳芳.浅谈基于Geomagic的逆向建模及3D打印[J].南方农机，2021，52（3）：112-113.
[7] 胡丽华，王涛，侯巧红，等.基于Geomagic studio的产品逆向建模与3D打印技术研究[J].黑龙江科学，2020，11（20）：34-37.
[8] 靳峰峰，屈科科.基于Geomagic DesignX基本体逆向建模[J].农机使用与维修，2020（10）：52-53.
关键词：汽车水枪 逆向工程技术 点云 曲面建模
中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）04（c）-0066-03
Reverse Modeling of Automobile Water Gun Based on Design X Software
ZHANG Lihua1，2
（1. Advanced Vocational Technical College of Shanghai University of Engineering Science， Shanghai， 200437 China; 2. Shanghai Technician School， Shanghai， 200437 China）
Abstract： Reverse engineering technology as the rapid development of the professional field， in the mold design and manufacturing， automotive sheet metal and other fields has been more research and application.Reverse engineering， as a means of absorbing advanced technology， shortens the development cycle of products by more than 40%. In this paper， household washing gun as an example， in order to better meet the needs of users， using reverse engineering technology to reconstruct the appearance of washing water， including processing process， point cloud acquisition point cloud， and the reverse modeling process and printing process are explored.
Key Words： Automobile water gun; Reverse engineering technology; Point cloud; Surface modeling
逆向工程，又称反求工程或逆向建模与再设计，是将已有实物通过扫描的方式获取点云转化为数模，并在这个基础上进行工程分析和创新设计的一种现代高精度测量方法和先进技术，能够大大提高产品的制造技术及设计技术水平，缩短设计周期，有效获取产品竞争力，是获取先进技术，进而创新和开发各种新产品的重要手段。了解及掌握逆向工程技术的应用，对国家的先进技术的发展、生产制造水平的提高和适应市场发展能力的提升，具有较高的意义。
汽车洗水枪是生活中一件非常实用的部件，其外观曲面特征较多，加工制造较为困难，因此通过逆向工程的方法进行三维数据的采集和模型的重构，并将最终重新构造的模型通过快速成型的方式进行制作，进行比较研究。
1 点云获取阶段
1.1 扫描前期准备（粘贴标志点）
因要求为扫描整体点云，所以需要粘贴标志点，以进行拼接扫描。
标志点粘贴注意事项：标志点粘贴在实物表面的平坦区，且距离工件边界较远一些[1];标志点避免在一条直线上粘貼，且不要对称粘贴;每次拼接两个区域标志点至少为3个，但因扫描角度等原因，一般建议5～7个为宜;标志点应使扫描镜头在多个角度可以同时看到;如图1所示，标志点的粘贴较为合理，当然还有其他粘贴方式。
1.2 扫描过程
如图2获取汽车洗水枪点云数据是逆向工程的首个步骤[2]，本例通过非接触式扫描仪来获取点云数据，其优点是相比一般接触式测量（三坐标测量）效率高，适应性强。点云的扫描质量直接决定着产品的建模质量。所有参数调整好即可点击“扫描操作”，逐步获取局部点云至完全拼合成完整的点云数据。
2 点云处理阶段
2.1 点云阶段
点云的处理是逆向建模前非常重要的一个步骤，非接触式扫描往往会产生很多的杂点、破洞，变形的曲面等外观缺陷。故需要利用Geomagic Wrap软件对点云进行处理，以获得完整的光顺的点云[3]。
（1）着色点。为了更加清晰、方便地观察点云的形状，将点云进行着色[4]。
（2）非连接项。选择断开组件连接，指同一物体上具有一定数量的点形成点群，并且彼此间分离。
（3）减少噪音。因为逆向设备与扫描方法的缘故，扫描数据存在系统误差和随机误差，其中有一些扫描点的误差比较大，超出允许范围的就是噪音点 。
（4）封装。如图3所示，对点云进行三角面片化，对实物点云进行表面采样。通过设置点间距来进行采样。目标三角形的数量可以进行人为设定，目标三角形数量设置的越大，封装之后的多边形网格则越紧密。 2.2 多边形处理阶段
多边形阶段主要操作命令如下。
（1）填充孔。修补因为点云缺失而造成漏洞，可根据曲率趋势补好漏洞。
（2）去除特征。先选择有特征的位置，应用该命令可以去除特征，并将该区域与其他部位形成光滑的连续状态[5]。该命令用于删除模型中不规则的三角形区域，并且插入一个更有秩序且与周边三角形连接更好的多边形网格。但必须先用手动选择方式去除特征的区域，然后执行“多边形”“去除特征”，如图4所示。
3 逆向建模阶段
3.1 建模主要方法与流程
研究选择的建模软件为Geomagic Design X。
3.1.1 步骤一——坐标系建立
（1）导入处理完成的shuiqiang.STL数据。
点击菜单栏中的“插入”“导入”，选择shuiqiang.STL文件，选择仅导入按钮。
（2）分析模型特征并手动修改领域。
点击（领域组）按钮，会弹出自动分割领域的对话框，将菜单栏内的敏感度设置为5，点击预览按钮，模型自动会将不同曲率的区域以不同的颜色划分[6]。
（3）建立一个参照平面用于创建坐标系。
点击（参照平面）按钮，方法选择“提取”，更改地选择模式为“矩形选择模式”在洗车水枪喷头的底端平面区域选择领域创建参照平面。
（4）建立对称平面用于创建坐标系。
点击（面片草图）按钮，选择参照平面2，进入面片草图模式，点击短粗箭頭鼠标手动拉动前后位置，截取此处外轮廓圆。点击（手动对齐）按钮，选择点云模型。
3.1.2 步骤二——模型主体手柄创建
点击（面片拟合）按钮，选择手柄上段区域的领域，参数设置分辨率选择“控制点数”，平滑拉至最大，勾选延长选择，手动调整大小。
建模结果如图5所示，整个建模流程主要根据局部面片的拟合，对整个汽车水枪进行曲面的拆分。
3.2 建模的结果比对
如图6所示，构建完成的模型与原有的水枪STL模型进行比对发现。模型的整体都呈现绿色，表明两者的曲面贴合较好，精度较高[8]。根据精度设置，绿色部分的精度低于0.1mm，黄色部分的精度在0.1～0.3mm之间，红色部分的精度大于0.3mm，属于超差比较大的 部分。
4 结语
Geomagic Design X软件是一款非常强大的逆向工程软件，可以利用曲面的拟合、修建、缝合等功能快速、有效地进行产品的逆向再构建。与一般的三维建模软件如UG等在逆向建模上的比较，Design X速度更快、精度更高，建模方法简单实用。Geomagic Design X是专业领域最全面的逆向工程软件，结合基于历史树的CAD数模和三维扫描数据处理，可创建出可编辑、基于特征的CAD数模并与现有的CAD软件兼容。本例通过该软件进行逆向建模，要求精度保证在0.2mm，根据结果，完全符合建模要求。
参考文献
[1] 高利敏，李俊杰，李文清，等.无人机倾斜摄影结合激光扫描仪三维逆向建模[J].测绘通报，2021（2）：161-163.
[2] 杨垠晖.真实感树木的逆向智能交互建模技术[D].杭州：浙江大学，2017.
[3] 樊昱.基于离散元法的马铃薯挖掘机理研究及仿生铲设计[D].沈阳：沈阳农业大学，2020.
[4] 高溪溪.基于三维激光扫描技术的近现代建筑数字化建模研究[D].青岛：青岛理工大学，2020.
[5] 余浩.点云数据与BIM技术在既有建筑改造中的应用研究[D].兰州：兰州理工大学，2020.
[6] 刘芳芳.浅谈基于Geomagic的逆向建模及3D打印[J].南方农机，2021，52（3）：112-113.
[7] 胡丽华，王涛，侯巧红，等.基于Geomagic studio的产品逆向建模与3D打印技术研究[J].黑龙江科学，2020，11（20）：34-37.
[8] 靳峰峰，屈科科.基于Geomagic DesignX基本体逆向建模[J].农机使用与维修，2020（10）：52-53.