复杂零件逆向设计方法及实验研究

    一、概述

    随着市场竞争的日趋激烈，要求企业能快速的开发新的产品，才能在激烈的竞争中取得优势。产品的复杂程度也不断增大，尤其具有自由曲面的汽车、飞机、家电、玩具、人体骨骼器官等模型应用越来越广泛。逆向工程（RE）技术是开发这类复杂外形产品和零件的有力工具，可以缩短开发周期和提高产品质量。

    二、扫描过程

    工程实践当中会遇到这样的问题，汽车行业中有很多进口模具没有技术资料，针对这些零件的维护和改进创新就需要得到三维数字模型，这时可以采用逆向工程的方法来重构数字CAD 模型。本文对某轻型卡车后门（如图1）下料模具型面进行了扫描实验，完成了其建模过程。

    图1 卡车后门（CAD 模型）

    该模型的扫描采用的是FARO（法如）激光三维扫描仪。这种扫描仪测量速率均可达到每秒976,000点；测量范围很大，最长达到了153 米，减少了重新摆放和设置设备的必要性，所以适合于大型物体的扫描。

    三、点云数据处理

    运用第三代扫描仪测量得到的数据量一般都会很庞大，小则十几M，大则几十甚至几百M，体积较大的模型动则得到几百万的数据点。大量的数据会导致许多无效的运算，影响了建模的质量和速度，所以有必要对数据进行精简。数据精简的目的是删除压缩不必要的数据点，保证精度的前提下，删除冗余数据，尽量保证原始数据的形状特征。

    文中运用Geomagic软件对点云数据进行了处理，得到较好的效果。在Geomagic软件当中，可以首先将数据生成三角文件，然后减少三角片的数量，Geomagic会尽量保持模型的细节特征。虽然小部分位置出现的误差有所增大，但模型依然保持原有较好的特征，而且其细节特征部位的三角文件减少的较少。所以，在精简点云数据时可以采用这种方法，也有利于评价精简数据给模型重建带来的误差。

    四、建模过程

    首先确定建模方案，由于汽车覆盖件对曲面质量的要求较高，可以运用Imageware和Catia结合的方法来完成模具型面的重建。按照“从大到小”的顺序来进行，就是先完成主要的大面再完成细节特征。针对零件特征，运用Imageware中拟合必要的曲线，以线为单位分别导出为IGS文件，然后分开导入Catia这样有利于在Catia中做进一步修改。

    进一步分析该模型，体现大面弧度的曲线是拟合的关键。在IMG 软件中对齐点云坐标系，剖断面进行该曲线的拟合，然后输出为IGS 文件。为了得到一个较好的结果，文章沿着截面剖切了多条点云数据，以期能得到平均值。然后将这些点云投影到平行于剖切面的一个平面上，得到几个点云的合集。合并几个数据，删除明显的错点，得到截面点云。

    曲线拟合过程当中，以曲率平滑的段为单位分段拟合，然后再进行曲线裁剪，倒角等操作。拟合完毕一条曲线后，输出为IGS 文件，然后导入正向设计软件进行造型。造型完毕后可以整体评价模型的建模质量，包括曲面质量和相对于点云数据的精度。

    经过后续正向造型软件设计，及后续曲面质量与点云数据的误差分析，得到了较好的CAD 模型，解决了生产当中的实际问题。

    五、结论

    对于复杂零件的自由曲面重构，尤其是多个曲面拼合而成的组合曲面，由于其表面特征识别的难度增大，影响了后续的数据分割和造型处理。目前软件的数据处理技术和造型技术不完整。模型质量的高低仍很大程度上决定于操作者的经验和水平。因此，文章以带有复杂曲面的汽车模具的逆向设计为例，提出的各软件结合的解决方案能最大程度的发挥各种软件的长处，收到了较好的效果，有较高的实际指导价值。