基于逆向工程技術的產品創新設計實驗教學

楊雪榮，何佳樂，成思源，張湘偉，郭鐘寧

（廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006）

產品創新設計和快速開發是關系到企業可持續發展的一項重要活動，是帶給企業活力和競爭優勢的源泉，是決定企業競爭力的關鍵。大學生畢業后直接服務于企業，其創新能力和創新意識對企業的發展至關重要。因此，培養學生的創新能力已成為高校人才培養的重要目標。作為高等教育中實踐教學的重要環節，實驗教學中創新能力的培養日益受到重視[1－4]。在實踐教學環節中，設計多種創新實驗增強學生實踐動手能力，能夠使廣大學生在本科階段得到科學研究與發明創造的訓練。在機械設計制造及其自動化專業開設基于逆向工程技術的產品創新設計實驗，有助于調動學生的主動性、積極性和創造性，激發學生的創新思維和創新意識，以及提高學生的創新實踐能力。

1 基于逆向工程的產品創新綜合實驗設計

逆向工程（reverse engineering，RE）是指從實物得到其CAD模型這一過程中數字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱，是消化吸收已有原型產品成果和先進技術，并進行產品創新開發的重要手段。將RE和快速成型（rapid prototyping，RP）技術相結合，能夠以較低的成本與更高的效率制造出原型產品，從而有力支持新產品的創新設計和快速開發[5]。在機械類本科生教學中開設逆向工程實驗，加強創新實踐教學環節，培養學生的創新設計思想，增強學生實踐動手能力[6]。設計實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗流程示意圖

在實驗中，首先要根據實物模型的自身特性、精度要求、制造材質等多項因素選擇合適的數字化設備，完成模型表面數字化；其次對數字化獲得的數據進行處理，輸入專門的數據處理軟件或帶有數據處理能力的三維CAD軟件進行前處理；然后進行曲面和三維實體建模；最后在重建CAD模型的基礎上進行修改或創新設計，獲得新產品的CAD模型，利用快速成型技術進行實物制造。實驗的開設有利于學生掌握逆向設計技術，對于拓展學生的知識結構，提高學生的工程實踐能力，培養學生對現代設計與制造技術的應用能力起到積極作用[7]。

2 基于關節臂測量機的數字化實驗

關節臂式測量機如圖2所示，是三坐標測量機的一種特殊機型，可選配觸發式測頭和激光掃描測頭。觸發式測頭可用于常規尺寸檢測和點云數據的采集。激光掃描測頭，可實現密集點云數據的采集，常用于逆向工程的實物模型數字化[8]。

圖2 關節臂測量機

實驗室配備關節臂測量機用于實物模型數字化。實驗時首先要對實物模型進行表面處理，清理干凈所有要進行數據采集的表面，對反射效果較為強烈的模型表面可通過噴施著色劑增強模型表面的漫反射，使CCD攝像機采集到高精度的點云數據。

用關節臂測量機配備的激光掃描測頭對實物表面進行掃描。掃描數據需遵循以下原則：沿著特征線走，沿著法線方向掃；從曲率變化小的面開始，掃描完一個面再轉到下一個相鄰面；在掃描完得到大部分數據之后，一般要暫停掃描，動態轉動數據，檢查疏密和紕漏，看是否需要追加掃描數據，以達到數據完整。

下面是學生在實驗中掃描的實物模型及掃描的點云數據。圖3為丁當貓玩具的實物模型，高15cm左右，表面細節較多，一次掃描無法得到整個模型的點云數據，故要多次掃描。分別以站立、左側臥和右側臥3個方向進行掃描。圖4為掃描的三組點云數據。

圖3 實物模型

圖4 表面數字化數據

3 數據處理實驗

實驗室配備Geomagic Studio逆向軟件進行數據處理，曲面重建過程被劃分為點處理階段、多邊形處理階段和造型處理階段。

3.1 點處理

在數字化過程中，會采集到一些無關的數據（如實驗臺表面），同時掃描數據量大，伴有大量的噪音，所以點云階段主要對點云進行整理，減少噪音并采樣[9－10]，從而得到一個完整而理想的點云數據，并封裝成可用的多邊形數據模型。處理流程如圖5所示。

圖5 點階段基本操作流程圖

下面是學生分別對采集到的3組數據進行點處理，然后利用3組數據共同點的聯系應用“手動注冊”功能，將3組數據合為1組數據。由于合并后的數據比較大，會影響計算機的計算速度，所以對點云進行采樣處理，然后進行封裝，將多組數據合并為1個多邊形模型，如圖6所示。

圖6 封裝后的模型

3.2 多邊形處理

多邊形處理階段是在點云數據封裝后進行破洞補填、邊界修補、重疊三角形處理和多邊形編輯等一系列的處理，從而得到一個完整的理想多邊形數據模型，為后續的曲面擬合打下基礎。處理流程如圖7所示。

圖7 多邊形階段基本操作流程圖

經點階段處理后的多邊形模型中存在的非流型三角形會阻礙曲面的重建[11－12]，同時由于掃描不完整或者封裝效果不好等原因，模型表面會出現孔洞，如圖6所示。所以在多邊形階段，首先要創建流型去除非流型的三角形數據，之后對孔進行填充。

多邊形模型的表面有時也會出現凸出或者凹孔等不需要特征，可用“去除特征”命令刪除所選擇的不規則的三角形區域，并用一個更有秩序且與三角形連接更好的多邊形網格代替。

原模型的表面光滑程度達不到要求時，可進行“松弛”和“砂紙打磨”處理。圖6所示的多邊形模型經多邊形階段處理后，模型效果如圖8所示。

3.3 形狀處理

圖8 多邊形處理后的模型

形狀處理階段是在多邊形階段處理的基礎上進行探測曲率、構造曲面片、構造格柵和擬合曲面等處理，得到一個理想的曲面模型，主要流程如圖9所示。

圖9 形狀階段基本操作流程圖

3.4 基于重建CAD模型的產品創新設計

在實體模型的基礎上可以進行產品的創新設計。將重建的曲面模型導入到正向設計軟件。由于導入的模型是由多個曲面片組成的，所以首先需要在正向設計軟件中進行縫合曲面，同時將曲面模型轉化為實體模型，然后以此為基礎進行變型設計。

下面是學生在實驗中利用丁當貓的外形進行U盤設計，可豐富U盤種類，迎合年輕人對U盤外形多樣化的需求。在進行U盤結構設計時，將丁當貓的整體模型分為頭部和身體兩部分，以頭部作為U盤的主體，身體部分作為USB槽。連接部分的設計為：將下部分的凸塊對準插入上部分的凹孔中，然后將上部分順時針旋轉90°鎖緊。設計效果如圖10所示。

圖10 設計效果圖

4 結束語

逆向工程技術不僅豐富了產品創新設計的方法，同時可以大大縮短產品創新設計的周期。在機械設計制造及其自動化專業開設基于逆向工程技術的產品創新設計實驗，在實驗中引入先進的測量設備及數據處理軟件，可使學生對高精度的三維傳感器、先進的測量軟件在實際工程中的應用有全新的認識。同時此實驗有助于學生熟悉逆向工程設計的流程，提高學生數字化設計水平，提高學生的工程實踐能力，有助于培養學生的創新能力。

（References）

[1]章軍軍，崔秀紅.創新實驗的設計性和自主性[J].實驗技術與管理，2008，25（7）：23-24.

[2]成思源，張湘偉，何漢武.機械設計實驗教學示范中心建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2010，29（6）：107-109.

[3]李麗潔，施瑞，陳樹森.大學生創新實驗項目中的實驗教學[J].實驗技術與管理，2011，28（3）：162-164.

[4]鄭志遠，蔣蕓，薛巍，等.大學生創新實驗計劃實施的實踐及探索[J].實驗技術與管理，2010，27（10）：30-31.

[5]金濤，陳建良，童水光.逆向工程技術研究進展[J].中國機械工程，2002，13（16）：1430-1436.

[6]朱志松，徐海黎，朱龍彪.機電專業創新實踐項目的設計與實現[J].實驗室研究與探索，2009，28（9）：8-10.

[7]梁珣，周興.基于產品數字化設計的CAID實驗室架構研究[J].實驗技術與管理，2009，26（8）：152-153.

[8]高貫斌，王文，林鏗，等.關節臂式坐標測量機誤差仿真系統建模與分析[J].計算機集成制造系統，2009，15（8）：1534-1540.

[9]陳裕芹，成思源，鄒付群，等.基于Geomagic Studio的葉片修復與曲面建模[J].廣東工業大學學報，2011，28（3）：70-72.

[10]羅之軍，何彪.基于Geomagic Studio的逆向工程技術[J].貴州工業大學學報，2008，37（5）：102-104.

[11]付偉，張海.基于Geomagic Studio軟件的逆向工程設計[J].工具技術，2007，41（11）：54-57.

[12]黃一心，成思源，黃曼慧.基于手持式激光掃描和Geomagic的CAD模型重建[J].機床與液壓，2009，37（12）：176-178.