魏双羽，刘凯

上海第二工业大学智能制造与控制工程学院

1 引言

逆向工程RE(Reverse Engineering)采用数字化点云扫描技术对目标对象型面进行离散点数据采集，数值拟合后建立目标型面对应的CAD模型。利用该模型可以开展机械加工、装配、修配以及测量等不同生产制造活动。由于RE方法具有零件模型反求速度快、方便和成本小等优点，在汽车、模具和机械装备维修等领域得到了广泛应用。

RE方法与传统的顺序制造有较大的不同。顺序制造的起源是CAD模型，后续的制造、检测和装配等活动均以CAD模型为基准，没有其他人为误差的输入；RE的起源则是实物零件，在进行测绘反求时会受到零件表面质量问题(如粗糙度、划痕和污渍等)、制造误差(如关键尺寸和误差等)以及测量误差(如测量系统误差、测量环境影响)等诸多外在因素的影响，因此，反向推导出具有较高精度的CAD模型是这个领域的技术难点，如果RE设计的CAD有缺陷，会影响后续的设计、制造、检测和装配等环节质量。

由上述研究可以看出，大多数研究都采用Geomagic Qualify、CREO等软件对RE模型进行质量/精度分析，分析结果仅限于拟合型面与点云数据的偏差，没有涉及对关键几何要素及其尺寸公差约束的验证。本文以复杂零件结构逆向设计为研究对象，基于Geomagic Studio软件进行RE模型重建，利用三坐标CMM测量规划软件，采用对关键几何元素进行离线检测和验证相结合的方法可以提前发现拟合关键几何要素尺寸公差约束不合理的情况，提高了逆向设计模型质量，避免由此造成的经济损失。

2 RE设计流程及其与CMM集成

RE方法主要针对无技术资料情况下的改进设计以及产品破损零部件维护等。改进RE方法与几何检测验证集成主要包括以下四个方面：建立点云模型；对点云模型降噪等处理；在CAD软件中进行型面布尔合并生成CAD模型；在CMM检测软件中对重要几何要素进行检测并生成DMIS测量程序(见图1)。

2.1 点云数据采集

根据RE对象和技术要求，合理选择采集点云数据的硬件和软件系统。对于几何精度较高的曲面，如高精度涡轮叶片、模具及珠宝等应用场景，通过在精密CMM设备上安装高精度点漫射光学锥光全息传感器(如亚微米级的以色列OPTIMET传感器)，使CMM带动测量传感器运动，从而创建高精度点云数据。相关流程与方法如图1所示。

图1 RE逆向设计与几何检测验证集成

对于精度要求一般的应用场合，可以将线扫描光学传感器安装在机床、CMM或其他机械运动部件上，直接完成对目标对象的点云数据采集。如果目标对象面积较大(如汽车车门、引擎盖等覆盖件)，则可以采用摩尔等高线、工业CT和切层法等三维激光扫描系统(如加拿大CREAFORM设备)，快速建立网格化点云数据。

2.2 点云数据处理

点云数据处理主要包括测量点降噪、封装边界、多边形边界处理以及几何形状处理等。其中，降噪主要是手动删除多余点、体外孤点以及尺寸范围外点等，以降低因点过大而给后续运算造成的大负荷；封装边界是对目标区域进行网格逼近(通向最终的CAD模型)，此时可能会出现数据拼接错误，造成型面缝隙等，可以在多边形边界处理环节解决，如填充由于扫描数据不足造成的空孔、去除不合理的特征、平滑多边形区域型面以及锐化多边形边界等操作；在几何形状处理环节，通过曲率探测将型面划分为多个特性相近的面片，并生成轮廓线，进而构造曲面和栅格，如利用NURBS对象创建功能，将栅格面片拟合为NURBS对象。

2.3 建立CAD模型

在三维CAD软件中导入处理好的点云数据，运用布尔运算将处理好的面片进行合并、延展、过渡、相交、裁剪、缝合和倒角等处理，建立没有破口/缝隙的三维CAD模型。其中，三维CAD将对平面和二次曲面(如圆柱、柱和球等)进行再处理，以降低NURBS曲面的数量。在三维CAD或Geomagic等软件中，分析点云数据与拟合的CAD模型型面之间误差，对于较大的偏差，需要重复点云数据采集、点云数据处理和CAD模型建立等步骤。但是，对于关键几何尺寸要素及其形位公差，如孔轴线与平面垂直、孔轴线间平行要求等，则利用上述方法无法判断，还需在下一步的CMM检测验证中解决。

2.4 关键几何要素检测与CAD模型改进

在CMM软件中导入建好的CAD模型，提取关键几何要素(例如具有装配关系且有形位公差约束的几何对象)进行CAD模型可用性检测。如果发现这些关键几何要素间的形位公差存在不合理的情况，则返回到2.2和2.3节对点云数据、CAD模型进行再处理；如果关键几何要素检测合格，则可进行离线测量方案进行规划，并建立如图2所示的CMM测量方案DMIS程序。

（4）将第（1）—（3）步产生的数值作为SHA-256(SHA-256())算法的输入，得到一个256 bit的二进制数，并检查这个数是否符合PoW机制的要求；

图2 基于CMM的关键几何要素检测流程

3 实例验证

选择二轮车发动机右箱体零件(见图3)为例，说明这类复杂型面零件的RE逆向设计与检测验证集成方法。

图3 典型的二轮车发动机右箱体零件

3.1 数据采集

根据零件及其技术要求，选择CREAFORM公司(加拿大)的精密型手持式自定位三维激光扫描仪及配套的Vxelements-3软件(见图4)采集点云数据，输出格式为.stl格式。

图4 点云数据采集系统

3.2 数据处理

按照上述方法在Geomagic Studio软件中导入点云数据.stl格式文件，效果如图5所示。后续可以根据此点云模型进行降噪、封装边界、多边形边界处理和几何形状处理，具体步骤和参数选择如下。

图5 创建的点云数据(.stl格式)

(1)进行降噪时，对于非连接数据对象，可调用Geomagic软件中“选择工具”下的“套索”功能，选择目标对象后设置“平滑级别”为中等，选择“减小噪声”选项。在封装wrap环节，根据当前模型实际情况，设置目标三角片个数为20万。

(2)处理松弛边界时，设置“平滑级别”为中等，选择“曲率优先”为最小值，设置“固定边界”选项，将拟合“偏移公差”设为0.1mm。

(3)在生成轮廓线时设置相关参数，如曲率灵敏度为70.0，分类灵敏度为40.0，分隔符敏感度为60.0，最小面积为88.52等。构造曲面面片时，选择自动估计、使用当前细分选项。完成上述步骤后，即可得到如图6所示的各阶段处理效果。

(a)点云降噪

3.3 建立CAD模型

采用Unigraphics V10.0软件加载点云已处理好的模型，例如.stl和.iges等中性格式，利用布尔运算合并面片、延展边界、过渡曲面连接处、相交、裁剪、缝合和倒角等特征处理，调用UG软件中的合并特征功能将已处理好的点云模型转换为CAD模型(见图7)。

图7 UG V10软件合并曲面片后的效果

研究该箱体零件的安装要求，根据《机械设计手册》以及设计或工程经验，通过UG软件建立三维模型，创建的2D零件如图8所示(部分视图包括尺寸公差等技术要求)。

图8 由3D模型逆向创建的2D CAD模型(包括尺寸公差)

经Geomagic、Unigraphics软件的拟合偏差检测，误差均小于0.1mm，达到逆向设计预期的基本要求。需要特别指出的是：该评价结果仅说明逆向设计获取的原始点与拟合型面间的偏差，并不能分析关键型面间是否符合安装等设计或工程实际要求，因此，还需采用CMM离线检测方法提前发现关键几何要素的逆向设计问题。

3.4 CMM检测验证

根据图7模型和图8的技术要求得到的零件模型关键尺寸要求和形位公差见表1。

表1 检测要素及结果

在自主开发的DIRECT-DMIS[9]精密几何检测规划软件中加载UG箱体零件三维模型，拾取圆柱和平面检测要素后对形位公差进行评价，离线检测过程见图9。

(a)检测及其端面

检测过程中需要对几何要素设置测量点数，由CMM软件根据采集的测量点数值计算几何要素属性，例如圆柱的直径、长度及轴线矢量方向等。根据CMM拟合的几何要素及其属性值对其几何要素进行形位公差评价，例如平行、垂直、同轴、跳动以及位置等。

DIRECT-DMIS软件对几何要素的数据表示方法如下：平面(Plane，简称PL)用重心点P(x，y，z)和重心点的法矢方向v(i，j，k)表示；圆柱(Cylinder，简称CY)用轴线中点坐标P(x，y，z)和轴线矢量方向v(i，j，k)表示(见图10)。形位公差垂直度简称为PRP，平行度简称为PAR。

图10 几何要素的数据

利用DIRECT-DMIS软件对两个圆柱CY1，CY2和两个平面PL1，PL2进行测量，获得如表2所示的结果。表中，CRD5/MM/ANGDEC/CART/X/Y/Z/I/J/K表示当前测量结果是在零件坐标系CRD5下获得，数据单位是mm/度/笛卡尔坐标系，显示的数据包括点坐标X/Y/Z及其矢量方向I/J/K；形位公差评价行中的MMC表示当前评价在笛卡尔坐标系下完成，数值单位为mm。

在逆向设计过程中，由于事先不知道关键几何要素的理论值，因此测量软件将实测值认为是理论值；因未预先设置几何要素的上下偏差(包括形位公差理论值)，因此系统均默认为0。

表2 关键几何要素测量结果

3.5 CMM检测数据分析

表3 关键几何要素结果分析

产生这个问题的原因可能有：扫描采集数据时操作不当；实物零件本身存在制造误差；使用过程中出现磨损；其他因素。

使用Geomagic、Unigraphics软件拟合偏差只能发现扫描点与拟合平面的偏差，不能判断拟合后关键要素间的偏差。若不提前发现类似问题，可能会造成后续的NC加工错误，严重时可能造成零件报废。

经过分析判断需修改PL2法矢。此时可以返回3.3节，在UG或其他CAD软件中加载模型，利用三维造型功能(如拉伸、选扫、蒙皮和放样等)重构PL2平面，以确保该面矢量为v(0，0，1)，在CMM重复检测验证无误后再运用。

4 结语

将逆向设计方法与重要几何要素检测进行集成，解决了Geomagic、Unigraphics等软件拟合偏差检测功能无法解决的重要几何要素逆向设计的质量问题，可以避免由于设计模型不正确而投入试制和生产造成的经济损失，同时还能有效减小逆向设计周期。在离线检测环节，可以生成零件检测的DMIS路径规划方案，为下一阶段制造提前准备好相关技术文件。

以二轮发动机右箱体零件为对象，从点云扫描、点云数据处理、CAD合并型面以及重要几何要素离线检测等方面，较为全面地介绍了利用Geomagic、Unigraphics以及几何检测等软件对这类零件开展逆向设计和几何要素拟合质量评价相集成的方法，为逆向设计实践提供了一种有益思路。