1 逆向工程的含义及基本流程

越来越多产品的异形曲面采用逆向工程技术快速完成数字建模，加快了新产品的更新换代，提高了产品外观的新颖性、复杂性及制造精度，降低了产品研制开发的周期和成本。逆向工程技术的出现改变了传统产品设计开发模式，成为现代企业开发新产品的重要设计手段。

逆向工程(Reverse Engineering RE)也称为反求工程、反向工程等。是指在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有模型的情况下，按照现有零件的模型(产品原型或油泥模型)，利用各种数字化技术及CAD技术重新构造模型而克隆或创造实物产品的过程。

图1所示为逆向工程流程图。逆向工程系统主要由产品实物几何外形的数字化、CAD模型重建和产品或模具制造3个部分组成。逆向工程中的关键技术是数据采集、数据处理和模型的重建。

图1 逆向工程流程图

1)数据采集数据采集是逆向工程的关键，其方法的得当与否直接影响到是否能准确、快速、完整地获取实物的二维、三维几何数据，影响到重构的CAD实体模型的质量，并最终影响产品的质量。

2)数据处理对采集的点数据在进行CAD模型重建前，必须进行格式转换、噪声滤除、平滑、对齐、归并、测头半径补偿和插值补点等处理。

3)模型重建将处理过的测量数据导入CAD系统，依据前面创建的曲线、曲面构建出原型的CAD模型。

2 Geomagic软件简介

Geomagic Studio是美国Raindrop Geomagic软件公司开发的专业逆向工程软件，该软件是目前对点云处理及三维曲面构建功能最强大的商业软件。它以先进的数学模型、曲面构建理论为基础，能快速地整理曲面点云数据，自动产生网格，可建构任意复杂的精确曲面模型，创造从原型曲面测量点云到多边形数据的高品质三维模型产品。

Geomagic软件可以直接由点到面进行构面，改变了传统的从点到线再到面的构面方式，可接受不同种类的数据来源(如igs、dxf、stl、flSC、bin、obj、3ds、ply等)，并且有强大的数据修补功能(局部点数据丢失后可修补)。该软件可方便快捷进行检测，可查询单点偏差，检测报告可以HTML文件格式输出。

3 汽车保险杠的逆向造型设计

3.1 汽车保险杠的造型曲面分析

在进行曲面的测量和造型之前，必须对曲面进行分析，划分曲面的类型并对曲面进行适当分块，从而为后续的曲面测量和造型做准备。汽车保险杠外形尺寸较大，精度要求不太高，但要求其外型美观，表面光顺。汽车保险杠的表面主要由不规则曲面、条形凹面、侧孔、圆柱突起以及一些过渡曲面构成。

3.2 汽车保险杠表面数据的测量

逆向工程中常用的测量方法分为接触式与非接触式两类。非接触式测量一般具有较高的测量速度并且不会划伤被测零件，目前最常用的为激光扫描法。由于其测量过程是利用光学方法进行的，从而对被测物体的表面提出了一定的要求，表面反光或全黑的物体都不适合用光学方法进行测量，或者说当遇到这样的被测物体时需要用更复杂的光学技术才能保证测量的顺利进行。CMM(Coordinate Measuring Machine三坐标测量机)是接触式数字化设备的典型代表，和非接触测量方法相比，CMM虽然在数字化速度上比较低，f且是它具有较高的测量精度。不同的测量对象和测量日的决定了测量过程和测量方法的不同，本例中汽车保险杠采用黑色ABS材料制造，因此采用三坐标测量机测量，测得的点云如图2所示。

图2 汽车保险杠点云

3.3 汽车保险杠的逆向造型

用Geomagic软件造型时，首先读人所有测得的点云数据，然后以造型曲面分析为基础进行汽车保险杠的逆向造型。

3.3.1 减少噪声点

在扫描过程中，由于扫描设备的轻微震动，不精确的扫描校准或被扫描物体表面准备处理不好，会产生噪声点。在一个曲面对象中粗糙的、不均匀的表现就是噪音点数据。噪声点的存在将影响工件表面质量，必须去除。

去除噪声点时，为了可视化扫描中噪声点的数量，需要封装(wrap)对象。在Geomagic软件中噪声点命令有一个预览的新功能，可以在色谱图中直观地了解当前对象的状态及是否需要减少噪卢点，汽车保险杠色谱图如图3所示。

图3 汽车保险杠色谱图

3.3.2 统一取样

在汽车保险杠逆向工程设计中，测量数据点群密度很大，而利用数据点云进行曲面重构、三角网格构造或评价被测曲面的误差，不需要过密的数据点，特别是在被测曲面的曲率较小时。过密的点云不但计算量大，而且可能影响其光顺性。因此，精简测量数据是数据预处理的重要工作之一，可用采样来减少对象中的点数量，保持零件的精确性。采样前、后点云效果如图4所示。

图4 点云采样效果图

3.3.3 封装WRAP——创建多变形网格

对于汽车保险杠上的条形凹面，由于凹人部分缺失点的数据，需要进行孔的填充。填充孔功能可以在缺失数据的区域执行全部充填、部分充填和桥充填。孔填充的效果如图5所示。

图5 孔填充的效果图

汽车保险杠多边形网格的更新基于新三角片的数量，简化后显示的三角片，较低曲率的区域有较大的兰角片而较高曲率的区域有较小的三角片来保持曲率。汽车保险杠多边形的简化如图6所示。

图6 汽车保险杠多边形的简化

3.3.4 创建和输出NURBS曲面

通过对多边形模型编辑和修复不完美处和孔，即可在多边形对象上创建NURBS曲面。

进人Shape Phase形状阶段来开始曲面拟合过程或用Auto Surface自动曲面在多边形对象上拟合一个曲面，很容易得到工件的NURRS曲面。图7是由点云数据经过处理后建立的NURRS曲面。

图7 汽车保险杠NURRS曲面

建立了曲面化的模型后，还需要对点云进行误差分析，满足精度要求后把这个曲面数据输入到CAD系统中，有很多格式可以支持，包括IGES，STEP和VDA等等。这里将和UG软件结合使用，因此，转换成IGES格式，在UG软件里将片体加厚，生成实体，效果如图8所示，最后，对其进行分析和制造。

a)汽车保险杠表面    b)汽车保险杠内部

图8 三维CAD模型

4 结语

利用先进的三坐标测量仪及专业逆向工程软件Geomagic和CAD软件UG对汽车保险杠进行了逆向工程设计，所得到的三维模型与实际很接近。实践表明，当零件的曲面质量要求不高且测点相对密集时，采用Geomagic软件可显著提高设计效率，缩短产品开发周期。