基于逆向工程技術的產品設計

摘 要：以移動電話底座為例，詳細介紹了基于逆向工程技術的產品研發工藝流程，達到了產品的預期外觀和功能效果，實現了移動電話底座的工業產品設計工作。

關鍵詞：逆向工程技術;數據采集;點云處理;模型重構

中圖分類號：TB472文獻標識碼：A開放科學（資源服務）標識碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.02.006Open Science Identity（OSID）

基金項目：河南省科技攻關項目（182102210038）

作者簡介：李偉（1984-），男，河南商丘人，本科，講師，研究方向：智能制造，E-mail：404378623@qq.com。

隨著計算機技術、信息化、新工藝的飛速發展，逆向工程技術在工業產品研發領域占據了非常重要的地位。逆向工程技術也稱為抄數工程或者反求工程技術，是在只有產品概念圖或者效果圖的條件下，按照比例制作產品的模型，借助于計算機數據采集系統和三維掃描設備，通過計算機數據處理軟件和模型重構軟件，最終獲得產品CAD模型的一種工程技術方法。逆向工程技術的工藝流程主要分為數據采集、點云處理和模型重構三個階段，它的成功應用，克服了CAD復雜模型直接建模難的問題，有效縮短了產品的研發周期;并且在成型工藝要求的條件下設計相應的功能結構，分割產品，降低了產品的生產成本。

1 移動電話底座的數據采集

數據采集就是借助于三維掃描儀和計算機數據采集軟件，獲取移動電話底座點云數據的工作過程，本文采用的是某公司的單目結構光三維掃描儀及其配套的掃描系統。

1.1 單目結構光三維掃描儀

本文采用的單目結構光三維掃描儀是一種單相機、單投影的結構光三維掃描設備，采用時域編碼結構光技術，根據相位法和三角法解析條紋曲率變化，精確計算出每個像素在物體表面上對應的空間坐標點信息，實現了便攜性、快速度和高精度的特點。

1.2 移動電話底座模型的處理

使用非接觸式光學三維掃描儀采集數據，模型表面對光線的敏感度、環境的明暗程度以及掃描過程的振動情況，都會影響到點云數據的精度，而且要想獲取模型表面完整的點云，需要經過多方位的多次數據掃描，故需要對模型進行掃描前處理，主要包括表面處理、粘貼標識點。

（1）模型的表面處理。模型對光線的敏感度主要分為三種情況：反光、透光和吸光，這三類模型必須對其表面進行噴灑白色顯像劑處理，顯像劑不能太厚，要薄薄的、均勻的噴灑一層，以求保證點云采集的數量和精度，移動電話底座模型的噴粉效果如圖1。

（2）粘貼標識點。對于一些結構復雜或者外形較大的模型，需要多次掃描，要根據掃描的視角和模型表面的特征，粘貼一些標識點，標識點的主要作用是保證前后兩次掃描點云自動拼接的質量，是多視角注冊拼合的特征點。標識點一般是外黑內白的專用標記點，按照白色的直徑大小有規格之分。移動電話底座模型的粘帖標識點狀況如圖2。

1.3 數據采集掃描方案的制訂

為保證掃描工作有序、高效、高質量的完成，根據產品的結構特點，要制訂必要的掃描規劃，包括模型的放置角度、掃描的大致次數、是否采用轉盤、粘帖標識點的位置和數量。移動電話底座模型的掃描放置位置如圖2。

經過以上三個工作步驟的實施，移動電話底座的點云文件如圖3。

2 點云處理

在掃描的過程中，不可避免地產生了一些不必要的點、精度不高的點和較多數量重復的點，需要去除或者精簡;同時也會產生一些掃描不完整和標識點遮擋的缺失部分，需要針對性的彌補。Geomagic Wrap 軟件擁有點云和多邊形編輯功能的綜合工具箱，通過相應指令的操作可以以較容易、低成本、快速而精確的方式編輯多邊形和曲面模型。

對移動電話底座的點云文件分別進行減少噪聲點、刪除釘狀物、補洞、邊界修補等操作處理，最后封裝得到的小三角形面片結構的文件如圖4。

3 模型重構

將封裝后“.stl”格式的移動電話底座文件導入到Geomagic DesignX軟件中，對數據模型進行了劃分領域和對齊操作，見圖5。

根據數據模型的結構特點，將建模思路分成底座前面凸臺、底座后面支撐和底座中間電話放置三個部分，中、前部分的建模方法按照實體、曲面、曲面修剪實體的思路進行實施，見圖6;后部支撐部分曲面比較復雜，按照曲面拼接、縫合成實體的思路完成建模，見圖7。最后應用特征編輯模塊的曲面縫合、實體倒圓角等相關命令，對局部的細節結構特征進行處理，得到最終的產品CAD模型，見圖8。

4 精度分析

使用Geomagic DesignX中的 “Accuracy analysis” 模塊，打開體偏差按鈕，精度分析色差圖顯示見圖9，產品造型的主要功能結構部分精度都處于即±0.1 mm之內，基本實現了模型重構的目標。

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