基于小轎車車門拉手的逆向建模設計

周雯雯　殷振　茆廷學　高青　范道全

【摘 要】3D逆向工程是一項新興的設計與制造技術，在工業領域有著良好的前景和廣泛的應用。以小轎車車門拉手的復雜曲面為原型，通過Win3DD-M掃描儀進行非接觸式測量方法獲取點云數據，提高了點云數據的質量，基于Geomagic軟件進行點云數據的精簡與處理，導入Geomagic Design X軟件進行三維逆向建模，最終基于Geomagic Qualify軟件進行精度分析，保證了精度要求且極大地縮短了產品的生產周期，降低了成本，可應用于實際生產加工。

【關鍵詞】逆向工程；數字化測量；數據預處理；逆向建模；質量精度分析

0 引言

目前，消費市場競爭日益激烈，產品更新步伐不斷加快，部分商品已呈現多樣化，尺寸難以掌握的曲面化趨勢。與時俱進和縮短產品的生產周期是企業能否發展的關鍵。為順應新時代的發展要求，各種先進的設計思想和制造方式應運而生。隨著現代測量設備、計算機輔助設計技術的發展及人類對設計理念的逐步深入，為縮短產品的生產周期，實現并行工程的新設計理念，逆向工程技術作為快速設計與制造的核心，逐漸被社會認可，而今已成為工業領域研究與應用的熱點。

逆向工程是一個根據已經存在的樣品模型，反向推出產品設計數據，并加工出產品的過程。利用現有的硬件和軟件設施，對逆向工程在復雜曲面零件加工中的應用進行探討和研究。

對小轎車車門拉手進行快速設計制造，不僅可以減少產品設計制造的周期，還可以提高產品在傳統設計制造過程中的精度要求。同時在汽車被普遍代步的時代，汽車更新換代也日益頻繁，小轎車車門拉手的設計和制造成為整車產品開發中的重要環節之一，將逆向工程技術引入到設計制造的過程中，可快速、準確地得到小轎車車門拉手的三維模型，為實現小轎車車門拉手快速設計制造奠基。

以小轎車車門拉手的逆向設計為原型，其逆向工程流程圖如圖1所示。

1 小轎車車門拉手的數字化測量

隨著工業智能化的發展，人們對產品的測量、設計與制造提出了高精度和高效率的要求。由于復雜的曲面模型難以構建，因此需要通過逆向工程技術對零件的復雜曲面進行精密測量掃描，將零件的模型轉化成數據點，然后根據數據點進行零件的三維模型重建及后續的產品加工。

測量方式也由熟練的手工測量轉變為以計算機為主的精密儀器測量。在現階段的測量技術中，根據測量探頭是否與物品表面接觸，將獲取零件表面基本信息的測量方法分為接觸式和非接觸式兩種。在選取測量方法的過程中，應綜合測量精度、測量速度、工件的材質、零件的表面特征等因素進行考慮。在結合現有測量設備的情況下，本文采用非接觸式測量法對小轎車車門拉手進行數據采集。

1.1 制定掃描策略

利用北京三維天下公司所研發生產的Win3DD系列型號的非接觸式Win3DD-M單目三維掃描儀進行測量，設備單幅掃描范圍為300×210×200mm，掃描距離600mm，掃描點距為0.2-1.1mm，相機分辨率為130萬像素，最終輸出文件格式為asc，stl，igs，obj。啟動掃描系統和硬件系統，掃描系統預熱大約需要5-10分鐘。打開專用計算機，啟動掃描軟件，點擊“掃描標定切換”按鈕，進入軟件的標定界面如圖2所示。調整掃描儀的高度和俯仰角度，使投影在標定板上的黑色十字線與標定板上的四個大的白色標定點盡可能重合，使“相機預覽”中黑色十字線和白色十字線重疊，完成標定過程。

1.2 點云數據的采集

1.2.1 前期準備

測量之前，需對樣品的表面、轉盤等部件進行清潔，以免影響測量精度。由于小轎車車門拉手是反光件，具有較強的反光特性，相機無法高效地記錄點云信息，從而影響點云數據的質量，因此需要噴顯像劑，顯像劑應噴的均勻且薄。

1.2.2 粘貼標志點

由于小轎車車門拉手的曲面結構較為復雜，且存在多處特征，需要進行多次掃描，因此設計出具體的掃描方案：首先在回轉盤上貼些標志點，起定位作用，在轉盤上貼標志點時要注意不能太過密集，同時不能在同一直線上出現過多的點，其次考慮其結構的特點，采用平躺在轉盤上，翻身手動拼接的方法分兩次掃描。

掃描時將實物放置在轉盤上后，轉動轉盤，保證未超出邊界。調整掃描頭，將小轎車車門拉手顯現在屏幕中央，第一次掃描時優先考慮特征線多和面積大的曲面，確保第一次能夠掃到盡可能多的點。從第二次掃描開始，之后的每次掃描，至少要存在之前掃出來的3個標志點，否則無法掃描成功。

當位置確定好之后，點擊“掃描標定切換”按鈕，回到掃描界面，新建一個工程，完成小轎車車門拉手的數據采集如圖3所示。小轎車車門拉手整個表面掃描完成后，需要判斷是否有區域沒有掃到，是否有分層的現象。若存在分層，則需要查明分層的原因，排除之后再重新開始掃描；若不存在，則將掃描數據保存為“.asc”格式。

2 小轎車車門拉手點云數據的預處理

通過Geomagic Wrap軟件對小轎車車門拉手掃描出的點云數據進行預處理，將獲取的點云數據導入到Geomagic Wrap軟件中，點擊“著色點”按鈕，將黑色的點云上色如圖4所示，以便后續處理。打開“體外孤點”和“減少噪音”，根據實際情況修改數據后應用并確定，將有效地去除采集的點云數據中的雜點。

點擊“手動注冊”，選擇需要手動對齊的對象，將其位置放置一致，并在兩者對應的位置取三個以上的點如圖5（a）所示，點擊“注冊”，實現拼接。最終點擊“全局注冊”，將分散的點云拼合如圖5（b）所示，減少拼接時的誤差。

先后點擊“聯合點對象”、“封裝”，將點云數據轉變為三角面片。點擊“刪除釘狀物”，將表面一些比較明顯的凹凸處進行初步平滑。由于掃描時一些地方被遮擋住，無法被掃描到，導致變成面片后出現表面漏洞，因此需要根據漏洞周圍的數據點建立拓撲關系，彌補數據缺陷，得到原始表面信息。然后通過“填充單個孔”，選中所需要填充的孔的邊線，完成填孔。先后點擊“去噪音點”和“自由曲面形狀”，根據實際情況修改參數，更改迭代數為5，偏差限制為0.008mm，從而進一步平滑表面，最后點擊“快速平滑處理”，完成最終表面的平滑并將數據保存為“.stl”格式。

3 小轎車車門拉手測量數據的幾何造型與質量檢測

3.1 小轎車車門拉手點云數據的幾何造型

利用三維建模軟件Geomagic Design X進行造型。將之前保存好的門拉手點云數據導入軟件。點擊領域組，將門拉手點云分成多個領域。經分析該車門拉手有“自由曲面部分”和“結構部分”，因此需要分別進行建模。

由于該門拉手曲面部分是自由曲面，找出具有代表性的曲線輪廓。通過在合適的地方建立平面，并通過面片草圖功能將其外輪廓線畫出，利用面片掃描功能將草圖轉化為面片。門拉手的背部曲面曲率存在一定的變化，需通過放樣功能作圖，將草圖轉換為面片，延長其邊界，使面片覆蓋整個曲面部分。該車門拉手的結構部分通過面片草圖、拉伸、剪切等基本操作進行造型，最后將“自由曲面部分”和“結構部分”進行求和、倒圓角等操作，完成小轎車車門拉手的最終幾何造型如圖6所示。

圖6 小轎車車門拉手幾何造型

3.2 小轎車車門拉手三維模型的質量檢測分析

使用Geomagic Qualify對小轎車車門拉手進行精度的對比，可以實現迅速檢測產品的逆向重建模型和產品的物理模型之間的精度差異，并以直觀明顯的圖形形式顯示兩者之間的差異，首先將建立好的模型和先前處理好的點云數據導入到軟件中，緊接著先對比模型的外形特征，確保所有特征都具備，其次進行三維和二維的對比分析，最后生成分析如圖7所示。

經檢驗，本次逆向建模的小轎車車門拉手的所有特征全部具備，且在允許偏差范圍±0.05mm以內。

4 總結

以小轎車車門拉手為原型，通過非接觸式測量方法采集點云數據，通過Geomagic軟件進行點云數據的預處理，并通過Geomagic Design X軟件進行三維造型，最終基于Geomagic Qualify軟件進行精度分析。得出如下結論：

1）為保證產品的精度要求，設計了合理的小轎車車門拉手的掃描方案。

2）為使建模時模型的表面光滑，使用Geomagic Wrap軟件將冗雜的點云進行精簡，保存為.stl格式，為數據采集和點云數據的處理奠定了逆向工程設計的基礎。

3）產品的表面精度直接關系到模型的建立，使用Geomagic Design X逆向軟件根據點云數據建立三維模型，模型的重建是逆向工程設計的關鍵環節。

4）最終使用Geomagic Qualify軟件將建立的模型與物理模型的點云數據進行精度對比，確保了后續加工的順利進行。

通過研究證明了上述各軟件之間的良好兼容性，有機地結合使用，能夠實現復雜自由曲面零件的重建和精度檢測，不僅能夠提高實際生產的工作效率，也縮短了開發周期，降低了生產成本。

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[責任編輯：田吉捷]