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摘 要：逆向工程是消化、吸收先进技术的一系列工作方法的技术组合，是一门跨学科、跨专业、复杂的系统工程。基于Geomagic Studio系统环境，从对鼠标进行数据采集，到对鼠标的反求研究设计，提出一种基于零件轮廓线的鼠标模型重建，该方法能够对鼠标更直接、有效的进行模型重建。
关键词：逆向工程 轮廓线 模型重建Geomagic Studio
中图分类号：TQ320 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）004-025-02
1 引言
传统的产品实现测量通常是从理念设计到图样，再生产出产品，称之为正向工程，而逆向工程（Reverse Engineering，RE）是先有实体或样件，从其造型入手，进行全面的分析和研究，使用点云测量软件，得出实体或样件的3D数据，在以逆向软件进行点云数据处理，提取特征，曲面重构，从点线面与实体进行误差分析，反复调试，最终得出较为贴进实物原型的几何模型。逆向工程技术路线，如图1所示。
图1 逆向工程技术路线
2 点云数据采集
针对鼠标实体进行采集的点云数据。采用苏州怡信光电科技有限公司的LSH800三维激光抄数机。在鼠标表面均匀喷涂反差剂，在其干燥后进行数据扫描。
扫描中对鼠标进行了5次旋转扫描得到完整的点云数据。
3 数据处理
数据处理是将测得的点云数据在Geomagic Studio软件下进行优化处理并还原成曲面模型，包括数据预处理、数据分块、数据精简、曲面拟合与拼接等。
4 曲面重构
4.1 进入曲面阶段
从Geomagic Studio软件三角网格阶段进入曲面阶段，但必须是曲面制作阶段，用来提取和编辑轮廓线，而曲面的塑性阶段将自动由三角网格生成未修建曲面的曲面片网格。我们需要对曲面片进行编辑、提取轮廓线并编辑轮廓线，来达到利用零件的轮廓线对零件进行分割的目的，最终利于拟合各曲面片，重建曲面模型。
4.2 曲面编辑
最新的Geomagic Studio 中集成的Fashion模块下首先执行的命令是“探测轮廓线”，对模型进行曲率检测，通过观察模型表面曲率变化，找出变化较大的区域进行中心线抽取，然后得到的轮廓线可将模型分为多个区域；再执行的命令是“延伸轮廓线”，根据模型轮廓线生成的延伸线，在延伸线的作用下，是在各分块曲面之间形成过渡曲面，可以使各分块之间得到非常好的过渡，提高模型整体的平滑和光顺的程度。
提取轮廓线步骤：
（1）探测轮廓线。最小计算区域定义为20mm2，以方便疏漏掉比较小的倒圆角处，也为了计算区域的计算时间不至于太长。计算区域后零件的轮廓线即根据曲率不同显示出来，如图2。
图2 计算区域后鼠标轮廓线显示图
图2中的计算区域经过多次调试，也编辑了轮廓线形成后的曲面，通过删除岛、删除小区域，使得各个区域更光滑。可以看出共48个可编辑区域。鼠标的上表面因为曲率过渡光滑，并没有轮廓线显示出来。而且底部平面补洞完成后也是凸凹不平，但是可以提取出轮廓线，依据提取出的轮廓线，将来在后续建模时可以从理论方面考虑是鼠标上壳和下壳使用桥接的方式并且是圆弧过渡。
（2）检测鼠标路径和区域颜色，提取轮廓线，显示为图3，执行结果为图4。
（3）编辑轮廓线，对轮廓线进行细分，接受细分结果后编辑轮廓线，可以采取包括绘制、抽取、松弛等八种方式。在此绘制轮廓线显示时没显示出来的鼠标面的轮廓，绘制好两条轮廓线后显示如图5。在此注意圆角部分绘制时跨距要小，以确保更好的逼近棱线，直线部分可以从圆弧末端一直连接到鼠标末端的点。
图5 鼠标所有轮廓线
（4）延伸轮廓线。选择全部轮廓线，细分值设为10mm，对轮廓线进行延伸处理。可以发现延伸后各个面之间过渡良好，整体平顺和光滑了许多。
4.3 创建修建曲面
延伸轮廓线并编辑后，创建修剪过的曲面。
创建完各分块区域和过渡曲面后，执行得命令是“创建修剪曲面”，对分块和过渡曲面进行编辑。该命令分为五步：第一步是“分类”，将各分块进行自动分类，可根据自身几何性质将其定义为平面、圆锥面等基本几何模型，或除此之外的自由曲面；第二步是“拟合初级曲面”，即把上一步定义的各分块进行拟合；第三步是“拟合连接”，即拟合过渡曲面部分；第四步是“分析”，可对模型的偏差大小、初级曲面以及过渡曲面拟合效果进行分析，对于不合理的部分返回进行修改；第五步是“修剪/缝合”，对拟合的初级曲面和过渡曲面进行修剪，并对修剪结果进行缝合，生成CAD模型。
拟合所有初级曲面，公差默认，小于0.5mm。可以发现该鼠标曲面共由7个初级曲面构成。如图6。
图6 重构的鼠标曲面
4.4 编辑轮廓线
从Geomagic中生成鼠标的曲面模型后，经过曲面与点云的误差分析，认为满足曲面重构这部分的精度要求，然后提取出零件的轮廓线。
在Geomagic软件中提取出的鼠标轮廓线，以IGES格式输入到三维建模软件Pro/E后，必须采取措施编辑轮廓线，使得在Pro/E中草绘时，可以很方便地依照轮廓线绘制二维草图。
5 基于轮廓线在三维建模软件Pro/E中建模
将上述IGES格式的鼠标轮廓线文件导入Pro/Eengineer软件中进行造型处理，此过程中，也可以对曲面局部或整体进行适当的修改，以设计出更加完整、美观的鼠标。如图7。
图7 鼠标的三维模型
6 总结语
在整个逆向工程工作流程中，零件的三维数据测量是基础，也是逆向工程整个过程的首要前提；数据处理是逆向工程中关键技术环节，数据处理质量的好坏直接影响三维模型重建；曲面重构逆向造型是当中最繁琐最困难的一步。在分析和总结逆向工程关键技术的基础上，采用基于零件轮廓线的鼠标模型重建处理方法对其它相似零件的模型重构具有借鉴意义。
参考文献：
[1] 王霄.逆向工程技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2004.
[2] 胡影峰.Geomagic Studio软件在逆向工程后处理中的应用[J].制造业自动化，2009，31（9）：135-137.
[3] 黄曼慧，成思源.基于Geomagic的CAD模型重构技术研究[J].机床与液压，2008，36（9）：106-108.
[4] 马云，杨燕燕.基于轮廓线透视反求的三维重构建模研究[J].科学技术与工程，2009，5（3）：1317-1319.
关键词：逆向工程 轮廓线 模型重建Geomagic Studio
中图分类号：TQ320 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）004-025-02
1 引言
传统的产品实现测量通常是从理念设计到图样，再生产出产品，称之为正向工程，而逆向工程（Reverse Engineering，RE）是先有实体或样件，从其造型入手，进行全面的分析和研究，使用点云测量软件，得出实体或样件的3D数据，在以逆向软件进行点云数据处理，提取特征，曲面重构，从点线面与实体进行误差分析，反复调试，最终得出较为贴进实物原型的几何模型。逆向工程技术路线，如图1所示。
图1 逆向工程技术路线
2 点云数据采集
针对鼠标实体进行采集的点云数据。采用苏州怡信光电科技有限公司的LSH800三维激光抄数机。在鼠标表面均匀喷涂反差剂，在其干燥后进行数据扫描。
扫描中对鼠标进行了5次旋转扫描得到完整的点云数据。
3 数据处理
数据处理是将测得的点云数据在Geomagic Studio软件下进行优化处理并还原成曲面模型，包括数据预处理、数据分块、数据精简、曲面拟合与拼接等。
4 曲面重构
4.1 进入曲面阶段
从Geomagic Studio软件三角网格阶段进入曲面阶段，但必须是曲面制作阶段，用来提取和编辑轮廓线，而曲面的塑性阶段将自动由三角网格生成未修建曲面的曲面片网格。我们需要对曲面片进行编辑、提取轮廓线并编辑轮廓线，来达到利用零件的轮廓线对零件进行分割的目的，最终利于拟合各曲面片，重建曲面模型。
4.2 曲面编辑
最新的Geomagic Studio 中集成的Fashion模块下首先执行的命令是“探测轮廓线”，对模型进行曲率检测，通过观察模型表面曲率变化，找出变化较大的区域进行中心线抽取，然后得到的轮廓线可将模型分为多个区域；再执行的命令是“延伸轮廓线”，根据模型轮廓线生成的延伸线，在延伸线的作用下，是在各分块曲面之间形成过渡曲面，可以使各分块之间得到非常好的过渡，提高模型整体的平滑和光顺的程度。
提取轮廓线步骤：
（1）探测轮廓线。最小计算区域定义为20mm2，以方便疏漏掉比较小的倒圆角处，也为了计算区域的计算时间不至于太长。计算区域后零件的轮廓线即根据曲率不同显示出来，如图2。
图2 计算区域后鼠标轮廓线显示图
图2中的计算区域经过多次调试，也编辑了轮廓线形成后的曲面，通过删除岛、删除小区域，使得各个区域更光滑。可以看出共48个可编辑区域。鼠标的上表面因为曲率过渡光滑，并没有轮廓线显示出来。而且底部平面补洞完成后也是凸凹不平，但是可以提取出轮廓线，依据提取出的轮廓线，将来在后续建模时可以从理论方面考虑是鼠标上壳和下壳使用桥接的方式并且是圆弧过渡。
（2）检测鼠标路径和区域颜色，提取轮廓线，显示为图3，执行结果为图4。
（3）编辑轮廓线，对轮廓线进行细分，接受细分结果后编辑轮廓线，可以采取包括绘制、抽取、松弛等八种方式。在此绘制轮廓线显示时没显示出来的鼠标面的轮廓，绘制好两条轮廓线后显示如图5。在此注意圆角部分绘制时跨距要小，以确保更好的逼近棱线，直线部分可以从圆弧末端一直连接到鼠标末端的点。
图5 鼠标所有轮廓线
（4）延伸轮廓线。选择全部轮廓线，细分值设为10mm，对轮廓线进行延伸处理。可以发现延伸后各个面之间过渡良好，整体平顺和光滑了许多。
4.3 创建修建曲面
延伸轮廓线并编辑后，创建修剪过的曲面。
创建完各分块区域和过渡曲面后，执行得命令是“创建修剪曲面”，对分块和过渡曲面进行编辑。该命令分为五步：第一步是“分类”，将各分块进行自动分类，可根据自身几何性质将其定义为平面、圆锥面等基本几何模型，或除此之外的自由曲面；第二步是“拟合初级曲面”，即把上一步定义的各分块进行拟合；第三步是“拟合连接”，即拟合过渡曲面部分；第四步是“分析”，可对模型的偏差大小、初级曲面以及过渡曲面拟合效果进行分析，对于不合理的部分返回进行修改；第五步是“修剪/缝合”，对拟合的初级曲面和过渡曲面进行修剪，并对修剪结果进行缝合，生成CAD模型。
拟合所有初级曲面，公差默认，小于0.5mm。可以发现该鼠标曲面共由7个初级曲面构成。如图6。
图6 重构的鼠标曲面
4.4 编辑轮廓线
从Geomagic中生成鼠标的曲面模型后，经过曲面与点云的误差分析，认为满足曲面重构这部分的精度要求，然后提取出零件的轮廓线。
在Geomagic软件中提取出的鼠标轮廓线，以IGES格式输入到三维建模软件Pro/E后，必须采取措施编辑轮廓线，使得在Pro/E中草绘时，可以很方便地依照轮廓线绘制二维草图。
5 基于轮廓线在三维建模软件Pro/E中建模
将上述IGES格式的鼠标轮廓线文件导入Pro/Eengineer软件中进行造型处理，此过程中，也可以对曲面局部或整体进行适当的修改，以设计出更加完整、美观的鼠标。如图7。
图7 鼠标的三维模型
6 总结语
在整个逆向工程工作流程中，零件的三维数据测量是基础，也是逆向工程整个过程的首要前提；数据处理是逆向工程中关键技术环节，数据处理质量的好坏直接影响三维模型重建；曲面重构逆向造型是当中最繁琐最困难的一步。在分析和总结逆向工程关键技术的基础上，采用基于零件轮廓线的鼠标模型重建处理方法对其它相似零件的模型重构具有借鉴意义。
参考文献：
[1] 王霄.逆向工程技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2004.
[2] 胡影峰.Geomagic Studio软件在逆向工程后处理中的应用[J].制造业自动化，2009，31（9）：135-137.
[3] 黄曼慧，成思源.基于Geomagic的CAD模型重构技术研究[J].机床与液压，2008，36（9）：106-108.
[4] 马云，杨燕燕.基于轮廓线透视反求的三维重构建模研究[J].科学技术与工程，2009，5（3）：1317-1319.