孙莹 邱阳 李有利

基金项目：本文系内蒙古自治区高等学校科学研究项目（基金项目：基于逆向工程的某重型卡车驱动桥主减速器壳体优化设计研究，项目编号：NJZY21103）。

作者简介：孙莹（1984—），女，硕士，副教授，研究方向为机械设计制造及机械CAD/CAM。摘  要：本项目旨在对某重型卡车后驱动桥主减速器壳体进行轻量化改进设计，在缺乏原始数据的情况下，首先需要进行数据采集与数据处理。本文在简述了数据采集的原理及对比各种采集方式特点的基础上，基于逆向工程流程，运用逆向扫描设备得到了该壳体的点云数据，继而利用Geomagic Wrap软件进行了数据处理。运用该方式进行数据采集和处理可显著提高工作效率，缩短产品开发周期，也为其他类似壳体零件的数据采集与数据处理提供了借鉴。

关键词：逆向工程;复杂壳体;数据采集;数据处理

中图分类号：       文献标识码：A

Data Acquisition and Data Processing of Complex Housing Parts Based on Reverse Engineering

SUN Ying1   QIU Yang2  LI Youli2

（1.School of Mechanical Engineering， Baotou Vocational & Technical College， Baotou， Inner Mongolia Autonomous Region， 014030 China; 2.Baotou Beiben Heavy Truck Axle & Transmission Co.， Ltd.， Baotou， Inner Mongolia Autonomous Region， 014030 China）

Abstract：  This project aims to improve the lightweight design of the main reducer housing of the rear drive axle of a heavy truck. In the absence of raw data， data acquisition and data processing are first required. On the basis of briefly describing the principle of data acquisition and comparing the characteristics of various acquisition methods， based on the reverse engineering process， the point cloud data of the housing is obtained by using the reverse scanning equipment， and then the data is processed by using Geomagic Wrap software. Using this method to collect and process data can significantly improve work efficiency， shorten product development cycle， and also provide a reference for data collection and data processing of other similar housing parts.

Key Words： Reverse engineering; Complex housing; Data acquisition; Data processing

1研究背景

由于该产品没有原始数据，要进行轻量化设计，首先需要获取产品点云数据，进而进行模型重构和再设计^[3]。不同的测量方式有着不同的效果，点云精度也存在差异，后期处理难度和逆向后数据的精度也会受到不同程度的影响，因此数据采集环节至关重要。

2数据采集原理

点云数据的获取方法主要有接触式和非接触式两类。接触式根据测头类型的不同分为触发式和连续扫描式;非接触式根据工作原理不同可分为光学式（包括激光三角测距法、结构光学法、激光干涉测量法、图像分析法）和非光学式（包括CT测量法、MRI测量法、逐层切削扫描法、超声波测量法）。常用的数据采集方法特点对比见表1。

3扫描方法的选择

该壳体零件为铸造件，多数特征由铸造成型，部分特征再次加工后成型。壳体表面多为不规则几何形状，其外表面有与小齿轮壳的连接面和一系列加强散热筋以及沉头孔等特征，内表面方向有两个与轮间差速器轴承连接的轴承安装座孔和与桥壳连接的连接面及连接孔，具体特征布置如图1所示，由于该零件细节较多、曲面形状较复杂，故选择非接触式形创handscan700手持式激光扫描仪。

图1  某重型卡车后驱动桥主减速器壳体

该扫描仪的精度为0.030mm，分辨率为0.050，具有极高的可重复性和可追踪性，无须固定安装，可以在扫描期间按需要移动物体，无须配备外部跟踪或定位设备，校准方便，测量速率可达480 000次/s，且能自动网格输出，采集完成之后即可将扫描文件导入至RE/CAD软件，无须执行复杂的对齐等点云预处理过程。

4数据采集

4.1 制定扫描策略

该壳体零件为深灰色铸铁件，外形尺寸约为（540×354×286）mm，细节特征较多，扫描时要保留产品原有细节特征，尽量避免数据丢失或损坏，因此采取整体扫描方案。由于表面经过喷漆处理，扫描时会出现反光，故需对零件表面进行喷粉处理。由于零件内外表面均不规则、不对称，需要经过多角度、多范围的多次扫描，故需要在零件表面粘贴标志点，从而实现多次扫描数据的坐标系统一。

4.2 准备扫描设备

（1）完成三维扫描仪各个部件的组装，保证扫描主机、电源线、数据传输线、移动工作站各个部件连接牢固，通信正常。

（2）进行设备标定，本设备标定方法简单，如图2所示，打开标定板，上下、前后、左右移动扫描，调节扫描距离和扫描仪角度使蓝色圆和绿色圆重合，且周围的指示线在绿色范围内，系统即会提示“扫描仪校准已优化”。

（3）设置扫描分辨率、曝光时间、激光功率、光源形式等参数。选择合理的参数，能够保证数据的完整性，为后期处理减少工作量。

4.3 喷涂显像剂

由于该壳体零件表面进行了喷漆处理且颜色较深，扫描时会反光，故需要在零件表面喷涂一层显像剂。喷粉时，显像剂喷嘴与零件之间保持大致30cm的距离，在满足扫描要求的前提下尽可能薄且均匀，显像剂喷涂过多，不仅会在零件表面形成留痕，更会使零件厚度增加，影响扫描精度。

4.4 粘贴标志点

为了实现多次扫描数据的坐标统一，需要在零件表面粘贴标志点。标志点粘贴时应注意以下几点。（1）标志点不要粘贴在一条直线上，也不要对称粘贴。（2）过渡区公共标志点数量至少为4个，考虑到拍摄角度、扫描图像质量等原因5～7个最好。（3）标志点应使相机在尽可能多的角度可以同时看到。（4）粘贴标志点应选择面积较大且曲率较小的曲面，尽量远离边缘。（5）标志点不能太密，也不能太稀^[4]。太密，会因为软件计算填补无法还原真实状态，导致数据不准确;太稀，会影响数据采集的连贯性，扫描会经常出现卡顿，标记点无法抓取。该壳体零件喷粉及标志点粘贴后如图3所示。

4.5 零件扫描

扫描时手持激光扫描仪距离零件大约20cm为宜，应随时观察距离指示灯并进行调整，先扫描外表面，然后翻轉零件扫描内表面，由于粘贴了标识点，所以参照物与零件相关联，扫描过程中是可以移动零件的^[5]。扫描的同时要注意观察电脑中采集到的数据是否完整，如有缺失，可以重复和多角度地扫描以达到较好的扫描效果，如确实扫描不到，应首先保证采集到关键数据，方便逆向建模时进行特征拟合。

5数据处理

采集完成后的点云数据包含一些扫描物体之外的杂点，粘贴标志点的位置会形成孔洞，边缘部分也会出现数据缺失，因此需要应用Geomagic Wrap软件将扫描杂点去除，并且填充孔洞，从而形成封闭完整的零件数据。

由于形创handscan700手持式激光扫描仪具有自动网格输出功能，故无须进行点云的预处理阶段，而直接进入多边形处理阶段，降低了数据处理的难度，提高了数据处理的效率。

5.1 孔洞填充及破面修补

由于该壳体零件结构复杂、内部有遮挡、存在深孔且表面贴有标志点等，导致封装后的三角面片产生了大量破面或孔^[6]，因此需用“填充孔”命令来进行修补。“填充单个孔”下共有6种填充方式，分别是曲率、平面、切线、内部孔、边界孔以及搭桥。对于有曲率的孔洞，采用“曲率+内部孔”的方式修补;对曲率较小的孔洞，采用“平面+内部孔”的方式;对于边缘数据的缺失，采用“曲率+边界孔”的方式;对于缺失较大的孔洞，应先进行“搭桥”，在划分区域之后，再选择合适的方式补洞。

5.2 应用网格医生

网格医生的作用是自动检测并修复多边形网格的各种缺陷^[7]。在符合规则的状态下，进行自动修复、删除钉状物、清除多余数据、去除多余特征、填补孔。单击“应用”按钮，有问题的部分以红色显示，然后点击“确定”，软件就会自动修复。

5.3 平滑曲面

平滑曲面主要用于对网格进行平滑操作，消除尖角，使表面更加光顺，从而为逆向设计提供更为精确的数据。“平滑”主要有松弛、删除钉状物、较少噪音、快速光顺、砂纸等命令，常用的有松弛、光顺和砂纸。数据处理前后的壳体零件如图4所示。

6结语数据采集与数据处理是逆向工程的基础，也是本项目零件某重型卡车后驱动桥主减速器壳体优化设计的第一步。本案例采用了形创handscan700手持式激光扫描仪，首先进行了设备的標定与参数设置，并对扫描零件进行喷涂显像剂和粘贴标志点，而后通过扫描零件采集数据，并应用Geomagic Wrap软件对扫描数据进行了孔洞填补、网格医生和平滑曲面等处理，最终得到了细节完整、表面平滑、质量较高的零件多边形数据，为该零件后续的逆向建模和优化设计提供了良好的数据基础，这也为其他类似壳体零件的数据采集与数据处理提供了借鉴。

参考文献