张榕宾

基于非接触式测量的自由曲面逆向工程的应用

张榕宾

逆向工程作为一项新的先进制造技术受到重视是在二十世纪80年代末至90年代初，首先是由福特汽车公司提出的“2毫米工程”对传统的机械制造业提出了前所未有的挑战。逆向工程要求将质量控制从产品的事后检测提前到产品的研发阶段，减小企业对产品开发的风险，降低开发成本，缩短产品开发的周期。过去，逆向工程多应用在汽车业与模具业，如今广泛应用在各种行业，逆向工程的使用也缩短了欧美和亚洲之间生产制造技术的差距。

一、逆向工程概述

（一）逆向工程的定义

逆向工程又称逆向设计或反向工程，包括影像、软件、实物逆向三种。在机械领域，逆向工程是在设计图纸不是很完整或者在没有设计图纸情况下，只有实物，利用各种数字化技术的手段及CAD技术重新构造原零件CAD模型一个过程。

（二）逆向工程的体系

逆向工程一般分为四个阶段：一是零件原形的数字化；二是从采集点云数据中构建零件的三维模型；三是零件原形CAD模型的重建；四是重建CAD模型的检验与修正。

逆向工程工作流程如图1：

图1 逆向工程工作流程图

1.数据获取技术

点云数据采集是反求逆向工程的基础，它是指通过各种测量仪器从已有的产品原型上获取三维数据点云的过程。目前，逆向工程中的数据采集方法可分成两种：接触式与非接触式。

（1）接触式测量方法

三坐标测量机不仅可对各种复杂产品进行测量，同时可以作为逆向点云数据采集的采集仪器。优点是测量精度高，体现万能性；缺点是测量效率比较低，无法测量非硬性材料。

（2）非接触式测量方法

①光学三角算法原理的激光扫描法

这种测量方法是根据光学三角型算法，以激光作为发射光源，其结构可以分为点激光、线激光、多条激光等，将光源投射到被测工件表面，并采用光电相机在另一个位置接收激光的反射数据，根据点或光线在被测量物体成像的偏移量，通过被测物体基本面、像点、像距离等关系计算出被测量物体的深度信息。

②基于相位偏移测量原理的莫尔条纹原理的白光扫描法

这种测量方法是将白光光栅条纹投射到被测物体表面，光栅条纹受物体表面形状的变化，其条纹间的相位关系也会发生变化，数字图形再处理解析出光栅纹理图像的相位变化来获取被测物体表面的三维信息。

二、汽车前窗镜座零件的逆向工程应用

在已有汽车前窗镜座零件的情况下，为企业对产品快速仿制及设计提供镜座零件逆向工程的关键技术，本项目技术可广泛应用于汽车、家电产品、摩托车等配件的设计和开发。

（一）汽车前窗镜座零件逆向工程项目介绍

在本次曲面重构过程采用先由点云生成曲线再由曲线生成曲面的方法，即遵循点—曲线—曲面原则。其中，点云数据处理在Imageware软件中进行，生成曲线后导入UG，完成曲线的编辑、光顺、曲面及CAD模型的构建。

实施条件：（1）激光扫描测量机；（2）CAD/CAM软件

（Imageware软件、Unigraphics软件）。

效益分析：采用上述技术，可大大缩短由实物建立CAD模型的时间，实现对产品或模型的快速建模和仿制。

（二）数据测量

测量对象：汽车前窗镜座零件（以下简称镜座）。

1.测量仪器

（1）测量系统的硬件组成

本次测量设备为深圳市特得维技术有限公司的TDV—300激光扫描仪（如图2）。

图2 激光扫描仪

该设备主要是由激光测头系统、控制系统、机床本体组成的光电一体化系统，其主要技术参数如下：

扫描范围（x.y.z）：300×200×350m m

扫描精度：0.02～0.05m m

扫描速度：5000～10000点/秒

扫描景深：60～100m m

定位精度（x.y.z）：0.01m m

重复定位精度（x.y.z）：0.005m m

单次扫描高度：35～65m m（可选）

光栅尺分辨率：0.001m m

（2）测量系统的软件组成

图3 Trivew T操作界面

图3是TDV—300激光测量系统的软件（TrivewTM）操作界面。该系统软件由控制系统、标定系统、路径规划及扫描系统等功能组成。在参数设置中，可根据测量范围和测量精度来设定激光扫描过程中的大部分的参数。

本次镜座零件激光测量参数设置如下：

激光：150

间隔：0.5

速度：最快

2.测量步骤

（1）测量前期准备

测量前首先对镜座结构特点进行了分析，其待测表面并不复杂，工件尺寸不大，通过单幅测量即可完成数据测量，不仅提高了测量及后续点云处理效率，还提高了测量精度。

镜座表面颜色为黑色，由于反射光很弱，从而使测头得到的光能很少，造成较大的非线性误差，所以测量前需对镜座表面进行适当的涂色处理，本次测量对被测表面均匀涂上白色的显影剂。

（2）数据获取

参数设定完成后，开始扫描并将测得的数据以AST格式输入Imageware软件中，所测点云如图4所示。

图4 原始点云

原始点云信息如下：

（三）点云数据处理

根据点云信息，镜座零件的点云数据十分庞大，且含有大量的噪声点，所以必须先对点云进行预处理。

1.数据滤波

首先通过图形显示，直接判别明显的噪声点并将其删除。再通过自动滤波的均值滤波对点云进行光顺。如图4为测量的镜座原始点云，从图中可看到原始点云中存在大量的噪声点和重叠区域，滤波效果如图5。

图5 滤波结果

2.数据对齐

点云对齐的基本操作：先在镜座点云的底部上选取不共线的3点做截面（图6），该截面就是点云的对齐特征，将所建特征与点云成组。然后在Imageware坐标系中做一基准平面（图7），即在XOY平面中做一中点坐标为（0，0，0）的平面。

图6 建立相应的对齐特征

图7 创建基准

最后使用Imageware中的对齐工具（Stepwise Alignment命令），将建立相应的对齐特和创建的基准平面进行对齐。结果如图8所示。

图8 数据对齐

3.数据精简

处理大量数据时，处理方法是采用定义点云距离的方式减少很大一部分数据。本镜座零件设定distance tolerancet为0.2mm。

Distance tolerance的确定方法：将点放大到可以分清点距，由点距测量和想要去掉的点来确定distance tolerance值。比如要将点云点数去半，任意选择取一点，测量与该点最近点的距离，然后取该点距离的2倍为distance tolerance值。

处理结果如图9所示。可以直接选定要保留的点数来对点进行采样。

图9 精简后

精简结果：

4.数据分块

镜座零件是由几张曲面混合形成的，所以根据子曲面的类型，将点云分割成几块独立的子点云，分别构面，再通过曲面的延伸、桥接、裁减等混合而成镜座表面。

由于测量数据的自动分割仍存在许多问题，因此采用的办法是将自动检测结果作为标志点辅助人工分割。这里使用了点云特征撷取命令，检测结果如图10（点云隐藏），为方便后面的曲线及曲面的逆合，人工将点分割成落干独立的区域，如图11所示。

图10 点云特征撷取

图11 分割后

5.截云线的生成

（1）定义截平面

分析点云，如图12、图13，对一般点云，只需要分别定义法矢相同的几个截平面即可。

图12 定义法矢相同的截平面

图13 放射状剖切截面

对于左下角，其边界为一大角度的弧型，如按照图以上截平面的定义方法，不利于使用Though Curve Mesh拟合成单张曲面，而是需要通过拟合成多个小曲面再拼接而成，不仅效率低，且曲面的光顺性较差。

（2）截云线的生成

邻域尺寸值通常近似取space sampling中设定的距离公差值的3倍，因此这里取space sampling=0.6，效果如图14所示。

图14 截云线的生成

6.边界线的生成

边界线的生成采用计算机辅助人工选取点云边界点的方式生成边界线。将点云放大至能分清点距，捕捉点云的边界点（图15箭头所示）生成一条3D B-Spline曲线（图16）。

图15 捕捉点云的边界点

图16 边界线

（四）曲线的拟合、编辑及光顺

1.曲线的拟合

曲线的拟合使用Curve Form Cloud中的Uuniform Cloud选项，根据点云的情况选择合适的曲线构造方法，通过合适选项构造调整曲线，接下来要做的就是曲线的编辑。将数据以.igs格式保存，使用UG软件完成曲线的编辑、曲面及CAD模型的构造。

2.曲线的编辑及光顺

因测量时有误差以及模型外表面不光滑等原因，连成的样条曲线不光顺时（如图17）还需要进行调整（如图18），否则构造出的曲面也不光顺。调整常用到的是Edit Spline，一般常用Edit Pole选项，包括移动、添加控制点和移动控制极点，方便对样条进行编辑。此外，曲线的断开（Divide）、桥接（Bridge）和光顺曲线（Smooth Spline）也常用到。

图17 曲线光顺前

图18 曲线光顺后

生成三维数据之前需要大量的调线面工作，调线时可以通过调整曲率进行保证曲面质量。精度和光顺性是逆向建模的两个相互矛盾的准则，实际操作过程中不能兼顾，只能根据产品特点及要求满足设计需求。

（五）曲面的构造

因为曲面构造要求有流畅并光顺的外表面，因此在构造曲面时要保证面和面之间能够以G2（曲率）或G1（相切）连续，这样能形成一个光顺的曲面。另外，还要根据具体情况选择更加合适的构造方法。

曲面构造方法：

（1）最常用的构造方法是Though Curve Mesh，可以保证曲面边界曲率的连续性，Though Curve仅能保证两边连续。

（2）曲面构造时经常会遇到多边的曲面，一般可以通过做辅助样条曲线把多边曲面转化为更多的曲面，也可以将边界线延长。

曲面分别构造完成后（图19），再通过曲面的延伸、桥接、裁减等混合而成镜座的两个面之间往完整表面，如图20。

图19 曲面拟合

图20 完成的曲面

构造曲面时，往往有很多不光顺的地方，解决该问题的方法是：可以通过设置边界相切连续设置，使边界光顺，从而使曲率变化连续。亦可通过曲面桥接等命令将一个曲面的边界延伸重合至另一个曲面的边界。

曲面构造时应注意的几个问题：

一是曲面构造时应抓住样条特征，尽量减少曲面张数以提高整体光顺度及提高建模效率。

二是构造曲面阶次尽量要小，一般为3到4阶。由于有的CAD系统不支持高阶曲面，因此减少曲面阶次可以提高与其他CAD系统的数据交换能力。

三、总结

以汽车前窗镜座零件为原形，通过激光扫描获得曲面的数字化信息，进行镜座的反求、CAD模型构建，讲述了逆向工程技术在产品设计过程中的应用步骤，包括数据的采集、点云数据处理、曲线的拟合、构造及曲面的拟合等整个产品外表面重新缝补。采用了Imageware结合UG等软件，遵循点—曲线—曲面原则，完成了汽车前窗镜座产品的三维数据模型逆向反求设计，为后续的数据分析、模具设计、数控加工等奠定了基础，极大地提高了开发效率。

（作者单位：福州第一技师学院）

[1]鞠华.逆向工程中自由曲面的数据处理与误差补偿研究[D].浙江大学博士学位论文，2003.

[2]赵宏庆.逆向工程中关于散乱点曲面重构问题的研究[D].西北工业大学硕士学位论文，2003.

[3]陈伟卿.面向RPM的点云数据直接分层处理技术及其软件实现[D].大连理工大学硕士学位论文，2002.

[4]张秀萍.基于点云数据复杂曲面的三维重构[D].新疆大学硕士学位论文，2004.

[5]郑尚文.逆向工程中曲线和曲面重构的研究[D].东南大学硕士学位论文，2004.