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摘要： 以工业产品设计为对象，采用某国产手持激光3D扫描仪获取模型点云数据，结合Geomagic Design X软件介绍逆向设计方法与工业产品逆向建模过程，采用3D打印技术进行快速制造完成产品验证。为产品建模优化与成型提供思路和方法，减少产品开发周期。实践证明采用Geomagic Design X软件可以快速高质量的完成产品模型的重构设计，3D打印可以实现模型的再现验证设计。
Abstract： It is an object with the industrial product design， obtaining the model point cloud data by adopttingdomestic hand-held laser 3D scanner， which combined with the Geomagic Design X software introducing modern reverse design method and the industrial product reverse modeling process， 3D printing technology is used for rapid manufacturing to complete product verification. Which can provide ideas and methods for product to mode， reducing product development cycles. Practice has proved that the Geomagic Design X software can quickly deal with the human body complicated surface model design with high quality， and the 3D printing can represent the prototype.
關键词： 逆向设计;Geomagic Design X;3D扫描;3D打印;产品建模
Key words： reverse design;Geomagic Design X;3D scanning;3D printing;product modeling
中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0001-03
0 引言
中国要从制造大国变为智造强国，需要不断提升制造水平，使用新工艺新技术淘汰低端制造过程，不断开发新产品，提升产品生产效率，降低生产成本，满足市场需求，那么如何快速的进行产品创新设计与制造显得尤为重要。逆向工程技术已经成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，成为消化和吸收先进技术、改型与创新设计，实现新产品快速开发的重要技术手段，在工业生产中应用越来越广泛。
至今前人已对逆向工程做了大量的研究，本文将以摩托车连杆作为案例来介绍逆向工程技术与增材制造（AM）3D打印技术相结合的过程。
1 逆向设计方法
1.1 逆向工程CAD建模软件介绍
在逆向工程技术领域，比较著名的逆向软件有美国EDS 公司出品Imageware软件，英国DELCAM公司出品CopyCAD软件，美国 Raindrop公司出品Geomagic Studio软件，韩国INUS 公司出品RapidForm软件，它们并称为全球四大逆向软件。后来美国3D Systems公司收购了Geomagic Studio软件和RapidForm软件，为避免之前软件功能同质化，经产品线整合保留Geomagic品牌，推出了三个模块分别为Geomagic Design X， GeomagicControl X， GeomagicWrap。
Geomagic Wrap主要用于扫描点云数据处理，Geomagic Design X主要用于参数化逆向建模，Geomagic Control X主要用于自动化三维检测。Geomagic Design X与其他三维CAD软件的不同点在于Design X的重点是逆向，具备正向功能，而其他三维CAD软件的重点是正向，个别CAD软件具备逆向模块/功能，比如CATIA和NX软件。
1.2 逆向工程流程
1.2.1 逆向工程定义
逆向工程（Reverse Engineering，RE）或逆向设计也称反求工程或反求设计。它是将实物转变为CAD模型的相关的数字化技术，几何模型重建技术和产品制造技术的总称[4]，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程，其主要包括获取数据，数据处理，重建原型CAD模型，创新优化设计，实物制造几个阶段[5]。其工作流程如图1。
1.2.2 Geomagic Design X混合建模处理流程
Geomagic Design X具有强大的点云和三角面片处理功能，是基于历史参数化进行逆向设计创建原始模型，即使扫描不完整也可以进行正向建模;能快速进行自动化设计，比如智能向导从扫描数据创建CAD特征，同时具备正向和逆向的混合实体和曲面建模功能，使用Accuracy Analyzer偏差功能确保模型创建精度。Geomagic Design X中混合建模处理流程如图2。
2 连杆逆向建模过程 2.1 连杆点云数据获取
采用国产杭州思看PRINCE775手持式激光扫描仪完成连杆数据扫描，该扫描仪拥有7束交叉的红色激光用于大面积扫描，1束单独工作的红光激光用于补扫深孔等结构，5束平行蓝光用于产品上的细节扫描，扫描精度可达0.03。
该连杆表面颜色是深灰色，根据扫描仪的功能特点，所以不喷显像剂，直接使用“黑色物体”扫描模式，采用背景模式，利用标准模式+精扫模式完成主体和细节字母的扫描，扫描参数设置解析度为0.5mm，曝光为1.0ms，扫描物体设为黑色，扫描环境选择弱光，景深选择精细，使用高反光普通标记点，半径为1.43mm，延伸范围0.5mm，专业参数选择默认。获取ASC格式的点云数据如图3。
2.2 连杆数据后期处
2.2.1 点云数据点阶段预处理
由于是采用高精度的便携式激光扫描仪进行数据获取，点云质量较好，且点云数据是完整的单片数据如图4，所以在点处理阶段比较简单。不同以往采用支架式的白光或蓝光光栅拍照式扫描仪获取的点云数据有很多噪点和多次翻面扫描造成的拼接误差，或者采集过程中环境光线原因造成数据不全。该点云数据在Design X软件中导入后无需过多处理。如果有大量的噪点、杂点可以使用其中的 “杂点消除”“采样”“平滑”等命令进行處理。点云处理的好坏直接关系到模型逆向精度，所以这个点处理环节非常重要。
2.2.2 多边形片面处理
使用“单元化“命令完成点到三角面片化有四种方式，即2D单元化，3D单元化，构造面片，高清面片构建。一般选择3D单元化和高清面片构建。他们的区别在于3D单元不会自动进行补孔，保留在扫描时贴标记点形成的孔洞，以及扫描连杆上很小的数字编号和字母区域时存在的扫描盲区导致的破孔，使用高清面片命令会自动完成模型表面的补孔处理，但有些局部区域自动补孔不太适合需要再次修改，对于连杆字母标识区自动补孔效果好，使用“填孔”“删除特征”命令补孔，利用“修补精灵”命令对连杆字母区域进行修复，最后使用“优化”命令提高三角面片质量，处理过程如图5。
2.2.3 实体重构
Geomagic Design X软件中，实体重构模型首先应该进行领域划分，方便后续特征拟合，第二步对齐坐标，方便正向建模。第三绘制草图，便于使用特征命令正向建模，第四曲面创建，一般采用面片拟合和放样完成，在创建的过程中始终全程使用“Accuracy Analyzer”偏差功能进行检测重构的精度。对于连杆上字母区域由于特征比较复杂，逆向效果字体轮廓不清晰，所以采用在正向NX软件中进行创建。具体连杆的模型重构过程如图6。
3 3D快速成型
为直观验证模型的形状特征，反应设计效果，将逆向重构创新设计完成的CAD数据模型保存为3D打印机可识别的STL数据格式，使用增材制造方式，利用3D打印机完成模型的快速制造。本案例采用北京太尔时代UP BOX+桌面级3D打印机，选择ABS材料完成连杆制造。其打印过程如图7。
4 结论
本文以案例的形式介绍主流的逆向工程软件Geomagic Design X处理流程和使用方法结合3D打印技术完成产品快速制造实现的过程，重点讲述了连杆逆向建模与制造的相关操作流程和方法，为同类产品逆向建模与成型提供思路和方法，减少产品开发周期。
参考文献：
[1]赵毅，王明辉.基于GeomagicStudio的汽车连杆锻件逆向建模技术[J].CAD/CAM与制造业信息化，2007（10）：60-62.
[2]蔡敏，成思源，杨雪荣，等.基于逆向工程的混合建模技术研究[J].制造业自动化，2014，36（5）：120-149.
[3]夏会芳，汤剑，张琳琅，等.基于逆向工程的复杂工艺品设计及快速成型[J].机械工程与自动化，2021（2）：52-54.
[4]李小明.基于GeomagicStudio的人体建模研究与3D打印成型[J].时代农机，2015，42（5）：39-42.
[5]杨晓雪，闫学文.Geomagic Design X三维建模案例教程[M].北京：机械工业出版社，2016：1-167.
Abstract： It is an object with the industrial product design， obtaining the model point cloud data by adopttingdomestic hand-held laser 3D scanner， which combined with the Geomagic Design X software introducing modern reverse design method and the industrial product reverse modeling process， 3D printing technology is used for rapid manufacturing to complete product verification. Which can provide ideas and methods for product to mode， reducing product development cycles. Practice has proved that the Geomagic Design X software can quickly deal with the human body complicated surface model design with high quality， and the 3D printing can represent the prototype.
關键词： 逆向设计;Geomagic Design X;3D扫描;3D打印;产品建模
Key words： reverse design;Geomagic Design X;3D scanning;3D printing;product modeling
中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0001-03
0 引言
中国要从制造大国变为智造强国，需要不断提升制造水平，使用新工艺新技术淘汰低端制造过程，不断开发新产品，提升产品生产效率，降低生产成本，满足市场需求，那么如何快速的进行产品创新设计与制造显得尤为重要。逆向工程技术已经成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，成为消化和吸收先进技术、改型与创新设计，实现新产品快速开发的重要技术手段，在工业生产中应用越来越广泛。
至今前人已对逆向工程做了大量的研究，本文将以摩托车连杆作为案例来介绍逆向工程技术与增材制造（AM）3D打印技术相结合的过程。
1 逆向设计方法
1.1 逆向工程CAD建模软件介绍
在逆向工程技术领域，比较著名的逆向软件有美国EDS 公司出品Imageware软件，英国DELCAM公司出品CopyCAD软件，美国 Raindrop公司出品Geomagic Studio软件，韩国INUS 公司出品RapidForm软件，它们并称为全球四大逆向软件。后来美国3D Systems公司收购了Geomagic Studio软件和RapidForm软件，为避免之前软件功能同质化，经产品线整合保留Geomagic品牌，推出了三个模块分别为Geomagic Design X， GeomagicControl X， GeomagicWrap。
Geomagic Wrap主要用于扫描点云数据处理，Geomagic Design X主要用于参数化逆向建模，Geomagic Control X主要用于自动化三维检测。Geomagic Design X与其他三维CAD软件的不同点在于Design X的重点是逆向，具备正向功能，而其他三维CAD软件的重点是正向，个别CAD软件具备逆向模块/功能，比如CATIA和NX软件。
1.2 逆向工程流程
1.2.1 逆向工程定义
逆向工程（Reverse Engineering，RE）或逆向设计也称反求工程或反求设计。它是将实物转变为CAD模型的相关的数字化技术，几何模型重建技术和产品制造技术的总称[4]，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程，其主要包括获取数据，数据处理，重建原型CAD模型，创新优化设计，实物制造几个阶段[5]。其工作流程如图1。
1.2.2 Geomagic Design X混合建模处理流程
Geomagic Design X具有强大的点云和三角面片处理功能，是基于历史参数化进行逆向设计创建原始模型，即使扫描不完整也可以进行正向建模;能快速进行自动化设计，比如智能向导从扫描数据创建CAD特征，同时具备正向和逆向的混合实体和曲面建模功能，使用Accuracy Analyzer偏差功能确保模型创建精度。Geomagic Design X中混合建模处理流程如图2。
2 连杆逆向建模过程 2.1 连杆点云数据获取
采用国产杭州思看PRINCE775手持式激光扫描仪完成连杆数据扫描，该扫描仪拥有7束交叉的红色激光用于大面积扫描，1束单独工作的红光激光用于补扫深孔等结构，5束平行蓝光用于产品上的细节扫描，扫描精度可达0.03。
该连杆表面颜色是深灰色，根据扫描仪的功能特点，所以不喷显像剂，直接使用“黑色物体”扫描模式，采用背景模式，利用标准模式+精扫模式完成主体和细节字母的扫描，扫描参数设置解析度为0.5mm，曝光为1.0ms，扫描物体设为黑色，扫描环境选择弱光，景深选择精细，使用高反光普通标记点，半径为1.43mm，延伸范围0.5mm，专业参数选择默认。获取ASC格式的点云数据如图3。
2.2 连杆数据后期处
2.2.1 点云数据点阶段预处理
由于是采用高精度的便携式激光扫描仪进行数据获取，点云质量较好，且点云数据是完整的单片数据如图4，所以在点处理阶段比较简单。不同以往采用支架式的白光或蓝光光栅拍照式扫描仪获取的点云数据有很多噪点和多次翻面扫描造成的拼接误差，或者采集过程中环境光线原因造成数据不全。该点云数据在Design X软件中导入后无需过多处理。如果有大量的噪点、杂点可以使用其中的 “杂点消除”“采样”“平滑”等命令进行處理。点云处理的好坏直接关系到模型逆向精度，所以这个点处理环节非常重要。
2.2.2 多边形片面处理
使用“单元化“命令完成点到三角面片化有四种方式，即2D单元化，3D单元化，构造面片，高清面片构建。一般选择3D单元化和高清面片构建。他们的区别在于3D单元不会自动进行补孔，保留在扫描时贴标记点形成的孔洞，以及扫描连杆上很小的数字编号和字母区域时存在的扫描盲区导致的破孔，使用高清面片命令会自动完成模型表面的补孔处理，但有些局部区域自动补孔不太适合需要再次修改，对于连杆字母标识区自动补孔效果好，使用“填孔”“删除特征”命令补孔，利用“修补精灵”命令对连杆字母区域进行修复，最后使用“优化”命令提高三角面片质量，处理过程如图5。
2.2.3 实体重构
Geomagic Design X软件中，实体重构模型首先应该进行领域划分，方便后续特征拟合，第二步对齐坐标，方便正向建模。第三绘制草图，便于使用特征命令正向建模，第四曲面创建，一般采用面片拟合和放样完成，在创建的过程中始终全程使用“Accuracy Analyzer”偏差功能进行检测重构的精度。对于连杆上字母区域由于特征比较复杂，逆向效果字体轮廓不清晰，所以采用在正向NX软件中进行创建。具体连杆的模型重构过程如图6。
3 3D快速成型
为直观验证模型的形状特征，反应设计效果，将逆向重构创新设计完成的CAD数据模型保存为3D打印机可识别的STL数据格式，使用增材制造方式，利用3D打印机完成模型的快速制造。本案例采用北京太尔时代UP BOX+桌面级3D打印机，选择ABS材料完成连杆制造。其打印过程如图7。
4 结论
本文以案例的形式介绍主流的逆向工程软件Geomagic Design X处理流程和使用方法结合3D打印技术完成产品快速制造实现的过程，重点讲述了连杆逆向建模与制造的相关操作流程和方法，为同类产品逆向建模与成型提供思路和方法，减少产品开发周期。
参考文献：
[1]赵毅，王明辉.基于GeomagicStudio的汽车连杆锻件逆向建模技术[J].CAD/CAM与制造业信息化，2007（10）：60-62.
[2]蔡敏，成思源，杨雪荣，等.基于逆向工程的混合建模技术研究[J].制造业自动化，2014，36（5）：120-149.
[3]夏会芳，汤剑，张琳琅，等.基于逆向工程的复杂工艺品设计及快速成型[J].机械工程与自动化，2021（2）：52-54.
[4]李小明.基于GeomagicStudio的人体建模研究与3D打印成型[J].时代农机，2015，42（5）：39-42.
[5]杨晓雪，闫学文.Geomagic Design X三维建模案例教程[M].北京：机械工业出版社，2016：1-167.