夏会芳 汤 剑 吴 娇 朱凤霞 汪 芳

（武汉华夏理工学院 智能制造学院，武汉 430223）

随着制造业全面转型的快速推进，制造业已由原来的制造变为现在的智造，人们对制造的需求也越来越专业化、细节化，促使各种工业品更新迭代的速度越来越快。在这种背景下，传统正向设计面临着诸多困境，如设计所需时间长、设计效率低、对复杂曲面的设计能力不足以及产品设计成本较高等。因此，传统的正向设计已经不能满足人们的生活需要。针对上述问题，逆向设计有着很大的优越性[1]。逆向工程（Reverse Engineering，RE）也称之为反求工程或者逆向设计，主要是对已经存在的实物模型进行转化，并以此作为基础进行剖析、深化和二次创造，是一种分析方法和应用技术的组合[2-3]。本文基于逆向工程技术，先将玩具汽车转化为三维模型数据，再通过3D打印得到汽车模型。

1 汽车点云数据采集

扫描前，需要对要扫描的物体进行处理[4]。首先，在汽车模型表面均匀喷一层显像剂，如图1所示。等显像剂完全干燥后进行扫描，这样扫描的点云数据效果较好，且适合建模。其次，将汽车模型放入托盘中央，通过扫描得到汽车模型的点云数据，如图2所示。最后，保存所有的点云数据，将其拼接成为一个整体，如图3所示，并保存数据待建模使用。

图1 汽车模型

图2 扫描过程

图3 汽车完整点云数据

2 汽车点云数据处理

在三维扫描过程中，由于仪器受到外界环境因素（环境温度、室内光线以及机器稳定性等）干扰而产生的跳点和被扫描物体的抖动或仪器设备的抖动而产生的干扰点称之为噪点。噪点的存在将会对后续处理产生严重影响，因此在逆向建模前需要处理获取的汽车模型点云数据。本文先用Geomagic Wrap软件对点云数据进行统一采样、减少噪点和网格划分等处理后，将模型封装成三角形面片模型，如图4所示。通过去除特效、松弛多边形以及孔填充等命令操作，得到一个表面光顺的汽车模型。

图4 模型封装

3 逆向建模

逆向建模时，可以将处理好的模型数据导入Geomagic Design X软件中进行模型重建。

3.1 领域划分

领域划分可以根据模型特征将三角形面片划分为不同部分，并用领域技术使之后提取出的形状更加准确，从而为之后的逆向建模打下基础[5]。划分模型领域时，先观察汽车模型曲率，将曲率变化不大的部分划分成一个区域，然后点击领域菜单，选择笔画选择模式，并用笔刷在同一个曲面上绘制领域，画好后点击插入，直到划分好所有的曲面，如图5所示。

图5 领域划分

3.2 面片拟合、剪切

通过领域进行面片拟合可以得到一个曲面。选择模型模块中的面片拟合命令，将上一步划分好的领域通过面片拟合得到多个曲面，如图6所示。将拟合的所有平面适当延长，然后进行曲面剪切，如图7所示。剪切后可以得到模型的实体。

图6 面片拟合

图7 曲面剪切

3.3 曲面偏移、缝合

因为通过三维扫描得到的是汽车模型外壳的点云数据，所以通过曲面偏移可以得到一个具有厚度的壳。具体操作是先选择曲面偏移命令，点击要偏移的面，然后向内偏移2 mm；曲面偏移后，先将边界的面适当延长，然后进行曲面缝合。最终得到的模型如图8所示。

图8 曲面缝合

3.4 镜像、倒圆角

汽车模型可以看成是一个对称的实体，因此做完汽车模型的一半后使用镜像可以得到完整的汽车模型。镜像完成后，将中间的凹槽采用放样命令进行修复，将需要圆角的地方进行倒圆角，如图9所示。最后，通过光顺处理得到完整的汽车模型，如图10所示。

图9 倒圆角

图10 光顺处理

4 汽车模型3D打印

打印之前，先将汽车模型数据导入切片软件中开始切片，切片分析如图11所示。切片完成后，将数据导入储存卡，然后插到3D打印机上进行3D打印，最终得到如图12所示的汽车模型。

图11 切片分析

图12 3D打印实物

5 结语

汽车模型是一个复杂的空间薄壁壳体，按照传统的正向设计模式所需要的时间长，产品设计效率低、成本较高、模式固定，设计完成后不能按照客户的需求进行快速修改。基于逆向工程技术的设计方式可以快速获得模型点云数据，并将其转化为三维模型数据。结果表明，逆向设计可以极大地缩短产品研发周期，提高研发效率，降低研发成本。