基于Geomagic軟件的汽車零件逆向建模技術應用研究

張晨愷 周建鋒 方坤禮

衢州職業技術學院，中國·浙江 衢州 324000

1 引言

隨著現代制造業全球化與市場化，全球制造業市場競爭愈加激烈，產品生命周期越來越短，致使制造業企業不斷追逐CAD/CAE/CAM/CNC等新技術，來提高產品設計與制造效率，縮短產品研發周期，保持企業競爭力。在企業不斷追求產品快速設計與研發的過程中，逆向工程便應運而生。逆向工程，也稱反求工程、反向工程和逆向設計，是以現有的先進產品設備的實物、樣件、軟件或影像作為研究對象，通過合適的測量方法獲取實物或模型的離散點云數據，繼而應用圖形圖像學、現代設計方法學、材料科學以及先進制造技術等學科知識進行點云數據處理、模型重構、系統性的分析、研究掌握其關鍵技術，從而演繹并得出該產品的幾何模型、材料特性、組織結構、工藝路線、功能特性及技術規格等設計要素，進而研發制造出更為先進的同類產品的一系列技術和過程的總稱。

逆向工程流程：通過測量獲得產品的點云數據，然后利用專門的逆向工程軟件或集成了逆向模塊的正向CAD軟件中進行點云理數據預處理、模型重構以及模型檢測來生成高度還原的原產品CAD模型，而后在正向CAD軟件中對重構CAD模型進行參數化修改及優化設計，最后利用優化后的CAD數據進行快速原型制造或快速模具制造完成新產品或模具的開發與制造。

與傳統正向工程相比，逆向工程具有更短的產品設計周期、更成熟的產品設計和更好的傳承性等特點，可大大縮短產品研發制造周期，被廣泛應用于產品的研發和改型設計、藝術品和考古文物等物體的仿制及修復、工業和地理信息測量等領域。

早期設計師在進行產品的造型設計時，所采用的方法主要是正向設計法（見圖1）；這是一個從概念設計起步到CAD建模、數控編程、數控加工的過程，產品造型設計的正向設計流程，從功能與規格的預期指標確定開始，構思產品的零組件需求，再由各個元件的設計、制造以及檢驗零組件組裝、檢驗整機組裝、性能測試等程序來完成。

圖1 正向設計

但對于復雜的產品，正向設計方法顯示出了它的不足，設計過程難度系數大、周期較長、成本高、不利于產品的研制開發，正是在這樣的背景下自然發展并形成了逆向設計的方法（見圖2）[1-4]。

圖2 逆向設計

逆向設計過程：實物三維——三維坐標采集——仿形或創新——制造——產品。

汽車零部件產品的逆向設計，目前多采用三坐標測量儀得到零件主要特征的高精度尺寸，建立簡單的線框模型；或利用激光掃描儀獲得零件表面的點云，以基于邊或基于多邊形面的方法在三維CAD軟件中對點云進行數據分塊，再通過分塊數據完成曲線或曲面的擬合，得到若干小曲面片，將這些曲面片通過拼接得到物體的各個面，從而重建出產品的數字化CAD模型[5,6]。

1.1 樣品數字化

通過三維激光掃描儀等數字化儀器對樣品進行測量,獲取樣品的三維數字模型。

1.2 數據修改

利用數據三維軟件對獲取的數字模型進行修改，設計出比原有樣品更加先進的產品。

1.3 實體建模

通過快速成型設備，直接生產出樣品進行驗證和檢測并根據需要進行完善利用真空鑄型設備進行模具開發，進行小批量生產。

2 逆向設計方法

逆向工程技術就是對實物原形進行數據采集，經過數據處理、三維重構等過程，構造具有相同形狀結構的三維模型[7,8]，逆向建模樣例如圖3所示。然后，在對原形進行復制或在原形的基礎上進行再設計，實現創新。所以說逆向工程并不是簡單的掃描以及復制的過程，逆向工程的目的是利用實物獲取點云，并基于點云進行優化設計以及創新設計。當然逆向設計并不神秘，他與我們的生活息息相關，日常生活中的自行車的一次次升級改造，愈加無瑕疵的汽車流線都離不開逆向設計。

圖3 逆向建模樣例

Geomagic Studio是應用最廣泛的逆向工程軟件之一[9,10]，其優勢在于點云和多邊形(三角面片)的快速前處理，以及基本曲面的擬合,它還能將所擬合的參數化曲面信息直接發送到常用的CAD軟件中作進一步的修改。因此，研究者在進行汽車零部件產品的逆向參數化設計時，可以使用Geomagic Studio進行點云的快速處理并以批處理方式完成曲面的參數化擬合，然后導入CATIA VS中對曲面完成后續的加工修剪、封閉實體等工作，最終得到參數化的零件實體。

①通過三維掃描儀獲得點云數據或者客戶提供點云數據。

②通過軟件（geomagic，gom等）對點云數據進行處理，獲得三角網格面數據。包括STL數據進行坐標變化、點云降噪、順滑、優化、簡化等預處理。該步獲得的數據即可進行三維雕刻、3D打印、比對分析等。

③通過逆向軟件，逆向軟件一般可以采用UG、CATIA、GEOMAGIC DX等專業軟件對獲得的三角網格面數據進行處理。包括面片擬合、截面創建、曲線提取等諸多特征提取方式，而此時即可進行創新設計、優化設計等。

具有規則表面的零件的逆向三維設計過程如圖4所示。

圖4 汽車零部件的逆向參數化設計過程

3 參數化逆向設計方法示例

以汽車座椅的逆向三維設計為例，利用激光掃描儀進行逆向掃描,利用Geomagic Studio 12進行點云預處理和簡單曲面擬合，然后在CATIA中完成零件設計的過程。由于汽車座椅上的曲面多為規則曲面,可在Geomagic Stu-dio下對點云進行快速識別和擬合。根據逆向掃描的點云進行參數化設計,需要在Geomagic Studi中經過前處理（多邊形階段）、參數化曲面、導入CATIA，以及在CATIA中生成參數化實體模型等幾個階段[11,12]。

3.1 逆向掃描

三維激光掃描技術是一種先進的全自動高精度立體掃描技術，又稱為實景復制技術，是基于面的數據采集方式，本研究采用的三維激光掃描儀由動作捕捉儀、手持激光頭和數據處理系統組成，精度可達0.05mm，掃描儀如圖5所示。手持激光頭發射出激光束投射到物體表面，經反射后由激光接收器獲取物體表面反射的光線，數據處理系統自動解算得出被測點的相對三維坐標（云點），原始點云數據如圖6所示，再將三維模型反映在自帶的數據處理軟件中，掃描后生成stl格式的文件，導入逆向軟件Geomagic并進行快速處理。

圖5 三維激光掃描儀

圖6 原始點云數據

激光掃描的過程中,應盡量使掃描儀器始終垂直于掃描表面，并保持適當的掃描速度，從而保證所得點云的質量。點云數據的精確性和完整性也就決定了三維模型的精度。

Geomagic Studio軟件的整體工作流程如圖7所示。

圖7 Geomagic Studio 工作流程

根據軟件輸入的數據與其他軟件或設備的接口，不同的逆向軟件有不同的工作流程，可以采用點——線——面和點——多邊形——面等方式，Geomagic Studio采用了點——多邊形——面的工作流程，從圖7可以看出Geomagic Studio 軟件主要包括點云階段、多邊形階段、形狀階段。

3.2 數據的導入

由于模型的測量是在一次進行完成的，不存在多視點云，所以不用點云數據的拼合。由三坐標激光測量儀得到的點云數據是“.asc”格式，導入Geomagic中系統中。

3.3 點云的前期處理

通過掃描獲得的點云包含許多噪聲點，以及由于缺少掃描或其他原因導致的孔洞，因此需要對點云進行切割和修復。在物理掃描或數字化過程中，經常會將噪聲點引入測量數據中。曲面模型上的粗糙及不均勻的外觀被視為“噪聲數據”，這可能是由于掃描設備的輕微振動，掃描儀的直徑誤差或不良的表面以及光線變化引起的。通過減少噪聲處理，可以更好地表示真實物體的形狀。在Geomagic Studio中打開點云數據文件，將自動生成多邊形對象，并通過對多邊形的操作來實現對點云的所有后續操作。在“多邊形”的功能區頁面下，提供了多種處理工具，例如使用“刪除”和“簡化”“創建流形”“裁剪”等來刪除噪點，并使用“松弛”。最方便的一項是“Grid Doctor”的修復功能，該功能在一個界面下集成了各種修復功能，并自動以批處理方式完成了大部分修復工作，點云數據如圖8所示。

圖8 處理后點云數據

3.4 曲面重構和數字化建模

3.4.1 曲面設計

該汽車座椅的逆向設計使用Geomagic Studio和CATIA軟件進行數據處理和表面重建。Geomagic Studio是由Raindrop Geomagic Software Company在美國推出的逆向工程軟件。對于逆向工程中的應用，可以通過Geomagic Studio獲得完美的多邊形和NURBS模型。當處理復雜形狀或自由曲面時，生產效率要優于傳統的CAD，該軟件效率更高。該軟件還可以與所有主要的3D掃描設備和CAD/CAM軟件集成。作為獨立的應用程序，它可以補充CAD軟件的功能。Geomagic Studio可以滿足反向工程，產品設計和快速原型制作的嚴格要求。使用Geomagic Studio，可以將3D掃描數據和多邊形網絡轉換為準確的3D數字模型，并可以輸出各種行業標準格式。與其他逆向工程軟件相比，Geomagic Studio軟件的優勢在于，從點云處理到3D表面重建的時間通常僅為同類產品的1/3。汽車座椅是根據人體設計的，表面非常復雜。在構造汽車座椅表面時，修復點云文件是彎曲的，以確保該表面和該表面在曲率上可以連續或連續。根據相應的曲面擬合算法，構造特征點和特征線以連接每個曲面。使用曲面設計模塊GSD（Generatlve Shape Deslgn）和自由曲面模型建模模塊FSS（Freestyle Shape）和自由曲面模型建模模塊FSS（Free Style Shape）和其他方法結合座椅的實際樣式來構造一個三維圖形，如圖9所示。

圖9 曲面重構圖

3.4.2 生成三維和二維模型

通過延伸、過渡、相交、切割、縫合和倒角來重構表面，以獲得三維實體模型。重建的三維實體模型可以根據設計需要生成二維工程圖，也可以進行CNC制造或建模。汽車座椅三維實體模型如圖10所示。

圖10 汽車座椅三維實體模型

3.5 實物模型打印

利用快速成型技術打印實體模型，這項研究使用三維設計軟件CATIA修改數據并進行數字建模，最后導出3D打印機所需的格式，實體建模如圖11所示。

圖11 3D汽車座椅模型

4 結語

論文介紹了聯合使用Geomagic Studio和CATIA軟件對汽車零部件的逆向設計方法。設計高質量且可制造的曲面是汽車車身設計與建模工作的首要要求，所以車身外表面的曲面重構應該是在合理的誤差范圍內盡量保證曲面的質量。適當地放寬精度，會使構面方法相對靈活多樣，構面的成功率也相對較高。一般來說，在精度要求0.3～0.5mm且點云質量較好的情況下用CATIA擬合出的曲面要優于專用逆向工程軟件IMAGEWARE，只是前者曲面的人工控制能力比后者稍差，而且CATIA對于曲面與測量點的偏差大于0.1mm的A級曲面也完全可以勝任。因此，應用CATIA軟件進行車身由面重構是一個較好的選擇，可以滿足產品設計的要求。