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摘要:
逆向工程设计技术在汽车、动力机械等零部件设计中已经得到了广泛的应用．本文以某典型汽车零部件产品逆向重建的设计流程为例，介绍了逆向工程技术在产品设计过程中的应用，通过优化逆向工程方案设计，获得了令人满意的设计效果，为有效应用逆向工程技术提供理论依据，具有一定的现实意义和价值．
关键词:
逆向工程;CAD软件;汽车工业;产品设计
在现代的企业中机械设备等产品的设计及加工制造，要求越来越精巧，尤其汽车、动力机械等设备的外形结构越来越复杂，设计过程则要求愈来愈精细，同时市场竞争要求机械设备的性能指标要大幅度提高，而通过先进的设计方法和手段可以有效地提高设计效率和设计水平．利用先进的CAD及逆向工程设计分析方法进行产品设计与分析等成果，来指导加工制造已经成为当前产品设计开发领域技术发展的必然趋势．本文主要结合汽车零部件的逆向工程设计方法进行研究与探讨．
1逆向工程技术
逆向工程是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有产品进行解剖、深化和再创造．逆向工程通过应用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程［1-2］．逆向工程设计的原理是用许多细小的空间三角形来逼近还原CAD实体模型，通常采用NURBS曲面片拟合出NURBS曲面模型，简单介绍了曲面重建的策略［3］。逆向工程在汽车工业中的应用，着眼于实际问题就是在汽车设计中怎样进行实物测量和逆向建模，所使用的CAD设计工具主要是UG和CAT-IA，利用现有的设计方法和手段，根据零部件的自身特点，建立起与原模型相近的模型［1］．目前这种先进的设计方法及相关软件大大提升产品设计的质量，缩短设计周期，在许多方面为企业保持竞争优势提供了强有力的技术保证．
2逆向工程设计中的数据采集
逆向工程设计首先需要对原始工件进行三维护数据采集，进而为后续三维重建及分析提供准确有依据．三维数据的采集一般通过三维扫描仪来完成．三维扫描仪通常采用光栅扫描技术，可以实现标志点全自动拼接，具有高效率、高精度、高寿命、高解析度等特点，三维扫描仪是产品开发、品质检测的必备工具，用于产品研发设计(RD)、逆向工程(RE)及三维检测(CAV)．本文以某汽车冷却水管的三维逆向设计过程为例进行逆向工程设计方法进行研究与探讨．
2．1系统标定
开始扫描前应先标定系统，标定的精度将直接影响系统的扫描精度．如果在使用过程中已经标定过系统，在系统未发生任何变动的情况下，进行下一次扫描时可以不用再进行标定．结合不同软件，系统标定主要包括:调整扫描仪角度、调整测量距离、调整十字及相机参数、选择标定板参数、采集标定板数据、标定计算、应用标定结果等内容．为十字调整、相机光圈与焦距的调节、标定结果确定结果．
2．2扫描前期准备
在扫描之前要先做一些前期准备工作，如扫描的工件表面处理，选择和粘贴标志点．
2．2．1扫描物体表面处理
工件的表面质量对扫描的进行也很重要．扫面物体的表面必须符合浅色、漫反射特征，如果扫描工件的表面太吸光或者太反光，则必须使用显影剂处理成符合要求的表面．只有亮但不反光的表面适合扫描，同时要保证工件表面干净，无明显的干扰污渍，同时也要将工件放平稳．为已经经过显影剂表面处理的工件．
2．2．2在物体表面贴标定点
为完整地扫描一个三维的物体，通常需要将被扫描物体表面贴上标志点，要求标志点粘贴牢固、平整．标志点要尽量随机贴在物体表面上的平坦区域，与曲面每边边缘的距离不宜过大，公共标志点至少为4个，由于图像质量、拍摄角度等多方面原因，有些标志点不能正确识别，因而尽可能多粘贴标志点，一般为5～7个为宜．不要人为的将标志点分组排列，标志点尽量不要贴在一条直线上．
2．3实体扫描
扫描环境一定要在干扰光源比较少的地方进行，否则会使扫描成功的面积减少或扫描不上任何面．通过拼接扫描软件对标定点进行识别并标号，然后进行当前位置的扫描，当对其他面进行扫描时旋转角度不可过大，并务必要有重复的识别点，对于细节部分可以着重扫描．扫描后通过软件进行扫描文件的数据导出，完成数据采集［4］．
3实体的重建与后处理
本文通过Geomagic公司，研发的GeomagicStudio逆向工程软件进行实体的重建与后处理，GeomagicStudio逆向工程软件可以帮助用户从点云数据中创建优化的多边形网格、表面或CAD模型．GeomagicQualify则建立了CAD和CAM之间所缺乏的重要联系纽带，允许在CAD模型与实际构造部件之间进行快速、明了的图形比较，并可自动生成报告［5］．
3．1GeomagicStudio软件建模的流程
GeomagicStudio软件建模的具体的流程点云处理―封装为多边形―多边形阶段―造型阶段―输出模型。
3．2重建与后处理
(1)点阶段处理工作:通过Geomagicstudio软件将扫描得到的文件导入后，通过点阶段处理，进行点云的编辑，通过去噪、采样、补点等操作来优化点云数据，为点云的网格化做准备．点阶段处理应缩小点云之间误差，使点与点之间距离更细腻．封装过程为将点云文件联结为三角云片体。(2)多边形阶段:多边形阶段的主要目标是进行形状处理和边界处理．运用松弛、删除钉状物、砂纸、填充孔等工具对面进行加工处理，使其光滑平整。(3)制作精确曲面阶段:精确曲面阶段的主要包括轮廓线的探测、曲率的探测、轮廓线的抽取、轮廓线的编辑和延伸以及如何松弛轮廓线，以及曲面片的编辑、面板移动、曲面片松弛以及曲面片修理等．通过选择构造曲面片，将片体进行拆分构造，可使用移动，拟合曲面等功能使曲面片布置更合理，提高精确度，然后构造格栅，拟合曲面．
3．3重建结果及文件输出
通过Geomagicstudio软件重建与后处理结果．通过以上逆向工程软件进行的实体重建与后处理得到的三维模型结果结果与实体原型进行比较，基本上能够非常准确地表达出原型效果。最后，通过Geomagicstudio软件可以将处理后的文件输出为*．dxf(或*．igs)等格式数据，可供AUTOCAD或UG等其他CAD软件进一步进行处理．
4结论
通过逆向工程设计得到的实体重建结果能够准确地表达出原型效果，而对于汽车及动力机械行业中结构更加复杂的零部件若采用逆向工程设计将会得到满意的效果，同时也将大缩短设计周期及设计成本，达到事半功倍的效果［6］．因此，本文所述逆向工程设计方法和手段对产品设计及其应用提供了很好的借鉴．逆向工程是一项具有开拓性、实用性和综合性技术，采用该技术能够进一步提高设计制造质量，降低生产成本，随着该技术的不断完善与广泛应用，将会大大提升我国在机械加工制造行业中的竞争力．
作者：甘树坤 吕雪飞 卢尊 单位：吉林化工学院汽车工程学院 吉林化工学院机电工程学院
参考文献:
［1］李君君．逆向工程在汽车工业中的应用［J］．机械工人．冷加工，2003(8):24-25．
［2］甘树坤．基于SolidWorks的二维工程图三维重建系统实现［J］．吉林化工学院学报，2011(7):39-42．
［3］张荣强．逆向工程方法在家具复杂零件曲面设计中的应用［J］．家具，2015(1):8-11．
［4］陈莉华．逆向工程在烟机异型件建模中的应用［J］．机械研究与应用，2005(1):76-77．
［5］王沁峰．汽车覆盖件逆向工程设计研究与应用［J］．机械设计与制造，2011(4):83-85．
［6］王集思．基于PRO/E的逆向工程研究与实践［J］．吉林化工学院学报，2013(3):57-61
