基于小轿车车门拉手的逆向建模设计

周雯雯　殷振　茆廷学　高青　范道全

【摘 要】3D逆向工程是一项新兴的设计与制造技术，在工业领域有着良好的前景和广泛的应用。以小轿车车门拉手的复杂曲面为原型，通过Win3DD-M扫描仪进行非接触式测量方法获取点云数据，提高了点云数据的质量，基于Geomagic软件进行点云数据的精简与处理，导入Geomagic Design X软件进行三维逆向建模，最终基于Geomagic Qualify软件进行精度分析，保证了精度要求且极大地缩短了产品的生产周期，降低了成本，可应用于实际生产加工。

【关键词】逆向工程；数字化测量；数据预处理；逆向建模；质量精度分析

0 引言

目前，消费市场竞争日益激烈，产品更新步伐不断加快，部分商品已呈现多样化，尺寸难以掌握的曲面化趋势。与时俱进和缩短产品的生产周期是企业能否发展的关键。为顺应新时代的发展要求，各种先进的设计思想和制造方式应运而生。随着现代测量设备、计算机辅助设计技术的发展及人类对设计理念的逐步深入，为缩短产品的生产周期，实现并行工程的新设计理念，逆向工程技术作为快速设计与制造的核心，逐渐被社会认可，而今已成为工业领域研究与应用的热点。

逆向工程是一个根据已经存在的样品模型，反向推出产品设计数据，并加工出产品的过程。利用现有的硬件和软件设施，对逆向工程在復杂曲面零件加工中的应用进行探讨和研究。

对小轿车车门拉手进行快速设计制造，不仅可以减少产品设计制造的周期，还可以提高产品在传统设计制造过程中的精度要求。同时在汽车被普遍代步的时代，汽车更新换代也日益频繁，小轿车车门拉手的设计和制造成为整车产品开发中的重要环节之一，将逆向工程技术引入到设计制造的过程中，可快速、准确地得到小轿车车门拉手的三维模型，为实现小轿车车门拉手快速设计制造奠基。

以小轿车车门拉手的逆向设计为原型，其逆向工程流程图如图1所示。

1 小轿车车门拉手的数字化测量

随着工业智能化的发展，人们对产品的测量、设计与制造提出了高精度和高效率的要求。由于复杂的曲面模型难以构建，因此需要通过逆向工程技术对零件的复杂曲面进行精密测量扫描，将零件的模型转化成数据点，然后根据数据点进行零件的三维模型重建及后续的产品加工。

测量方式也由熟练的手工测量转变为以计算机为主的精密仪器测量。在现阶段的测量技术中，根据测量探头是否与物品表面接触，将获取零件表面基本信息的测量方法分为接触式和非接触式两种。在选取测量方法的过程中，应综合测量精度、测量速度、工件的材质、零件的表面特征等因素进行考虑。在结合现有测量设备的情况下，本文采用非接触式测量法对小轿车车门拉手进行数据采集。

1.1 制定扫描策略

利用北京三维天下公司所研发生产的Win3DD系列型号的非接触式Win3DD-M单目三维扫描仪进行测量，设备单幅扫描范围为300×210×200mm，扫描距离600mm，扫描点距为0.2-1.1mm，相机分辨率为130万像素，最终输出文件格式为asc，stl，igs，obj。启动扫描系统和硬件系统，扫描系统预热大约需要5-10分钟。打开专用计算机，启动扫描软件，点击“扫描标定切换”按钮，进入软件的标定界面如图2所示。调整扫描仪的高度和俯仰角度，使投影在标定板上的黑色十字线与标定板上的四个大的白色标定点尽可能重合，使“相机预览”中黑色十字线和白色十字线重叠，完成标定过程。

1.2 点云数据的采集

1.2.1 前期准备

测量之前，需对样品的表面、转盘等部件进行清洁，以免影响测量精度。由于小轿车车门拉手是反光件，具有较强的反光特性，相机无法高效地记录点云信息，从而影响点云数据的质量，因此需要喷显像剂，显像剂应喷的均匀且薄。

1.2.2 粘贴标志点

由于小轿车车门拉手的曲面结构较为复杂，且存在多处特征，需要进行多次扫描，因此设计出具体的扫描方案：首先在回转盘上贴些标志点，起定位作用，在转盘上贴标志点时要注意不能太过密集，同时不能在同一直线上出现过多的点，其次考虑其结构的特点，采用平躺在转盘上，翻身手动拼接的方法分两次扫描。

扫描时将实物放置在转盘上后，转动转盘，保证未超出边界。调整扫描头，将小轿车车门拉手显现在屏幕中央，第一次扫描时优先考虑特征线多和面积大的曲面，确保第一次能够扫到尽可能多的点。从第二次扫描开始，之后的每次扫描，至少要存在之前扫出来的3个标志点，否则无法扫描成功。

当位置确定好之后，点击“扫描标定切换”按钮，回到扫描界面，新建一个工程，完成小轿车车门拉手的数据采集如图3所示。小轿车车门拉手整个表面扫描完成后，需要判断是否有区域没有扫到，是否有分层的现象。若存在分层，则需要查明分层的原因，排除之后再重新开始扫描；若不存在，则将扫描数据保存为“.asc”格式。

2 小轿车车门拉手点云数据的预处理

通过Geomagic Wrap软件对小轿车车门拉手扫描出的点云数据进行预处理，将获取的点云数据导入到Geomagic Wrap软件中，点击“着色点”按钮，将黑色的点云上色如图4所示，以便后续处理。打开“体外孤点”和“减少噪音”，根据实际情况修改数据后应用并确定，将有效地去除采集的点云数据中的杂点。

点击“手动注册”，选择需要手动对齐的对象，将其位置放置一致，并在两者对应的位置取三个以上的点如图5（a）所示，点击“注册”，实现拼接。最终点击“全局注册”，将分散的点云拼合如图5（b）所示，减少拼接时的误差。

先后点击“联合点对象”、“封装”，将点云数据转变为三角面片。点击“删除钉状物”，将表面一些比较明显的凹凸处进行初步平滑。由于扫描时一些地方被遮挡住，无法被扫描到，导致变成面片后出现表面漏洞，因此需要根据漏洞周围的数据点建立拓扑关系，弥补数据缺陷，得到原始表面信息。然后通过“填充单个孔”，选中所需要填充的孔的边线，完成填孔。先后点击“去噪音点”和“自由曲面形状”，根据实际情况修改参数，更改迭代数为5，偏差限制为0.008mm，从而进一步平滑表面，最后点击“快速平滑处理”，完成最终表面的平滑并将数据保存为“.stl”格式。

3 小轿车车门拉手测量数据的几何造型与质量检测

3.1 小轿车车门拉手点云数据的几何造型

利用三维建模软件Geomagic Design X进行造型。将之前保存好的门拉手点云数据导入软件。点击领域组，将门拉手点云分成多个领域。经分析该车门拉手有“自由曲面部分”和“结构部分”，因此需要分别进行建模。

由于该门拉手曲面部分是自由曲面，找出具有代表性的曲线轮廓。通过在合适的地方建立平面，并通过面片草图功能将其外轮廓线画出，利用面片扫描功能将草图转化为面片。门拉手的背部曲面曲率存在一定的变化，需通过放样功能作图，将草图转换为面片，延长其边界，使面片覆盖整个曲面部分。该车门拉手的结构部分通过面片草图、拉伸、剪切等基本操作进行造型，最后将“自由曲面部分”和“結构部分”进行求和、倒圆角等操作，完成小轿车车门拉手的最终几何造型如图6所示。

图6 小轿车车门拉手几何造型

3.2 小轿车车门拉手三维模型的质量检测分析

使用Geomagic Qualify对小轿车车门拉手进行精度的对比，可以实现迅速检测产品的逆向重建模型和产品的物理模型之间的精度差异，并以直观明显的图形形式显示两者之间的差异，首先将建立好的模型和先前处理好的点云数据导入到软件中，紧接着先对比模型的外形特征，确保所有特征都具备，其次进行三维和二维的对比分析，最后生成分析如图7所示。

经检验，本次逆向建模的小轿车车门拉手的所有特征全部具备，且在允许偏差范围±0.05mm以内。

4 总结

以小轿车车门拉手为原型，通过非接触式测量方法采集点云数据，通过Geomagic软件进行点云数据的预处理，并通过Geomagic Design X软件进行三维造型，最终基于Geomagic Qualify软件进行精度分析。得出如下结论：

1）为保证产品的精度要求，设计了合理的小轿车车门拉手的扫描方案。

2）为使建模时模型的表面光滑，使用Geomagic Wrap软件将冗杂的点云进行精简，保存为.stl格式，为数据采集和点云数据的处理奠定了逆向工程设计的基础。

3）产品的表面精度直接关系到模型的建立，使用Geomagic Design X逆向软件根据点云数据建立三维模型，模型的重建是逆向工程设计的关键环节。

4）最终使用Geomagic Qualify软件将建立的模型与物理模型的点云数据进行精度对比，确保了后续加工的顺利进行。

通过研究证明了上述各软件之间的良好兼容性，有机地结合使用，能够实现复杂自由曲面零件的重建和精度检测，不仅能够提高实际生产的工作效率，也缩短了开发周期，降低了生产成本。

【参考文献】

[1]黄斌达.复杂曲面零件的逆向建模——数控加工及仿真的研究[D].南昌：南昌航空大学，2011.

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[责任编辑：田吉捷]