基于逆向工程的机身曲面重构方法及光顺技术分析

苟国庆 王思蕾 杜颖娜

摘 要：曲面重构与光顺技术为逆向工程的重要组成部分，二者有效应用可确保设计模型以1：1比例生产为实物产品。本文分析基于逆向工程的机身曲面重构方法及光顺技术，通过对曲面重构方法及光顺技术的合理调整，充分实现机身模型特征，提高机身生产质量。

关键词：逆向工程;曲面重构;光顺技术

0 引言

逆向工程指将实物模型化的过程，其涵盖数字化、模型重建、产品制造等多项技术。逆向工程将已有产品模型转换为设计模型，以准确了解产品的细节特征，然后对现有产品进行优化创造。逆向工程的最大优势就体现在可精准复刻实物模型的特征上，由此产生的设计图纸、数据更具可靠性和精确度，有必要对相关理论进行总结。

1 基于逆向工程的模型数据采集

机身曲面模型数据采集是开展后续工作的基础，目前常用的模型数字化处理方式主要有接触测量和非接触测量，采用测量机、数控机床测量装置、数字化设备等完成数据采集。以上方法、工艺的发展已相对成熟，但存在测量精度低、测量周期长的缺陷，一般不用做软实物的测量。现阶段，信息技术、光电技术迅速发展，图像处理工作多在计算机系统内完成，以此为基础的非接触测量在逆向工程中的应用越来越广泛，并衍生出光栅法测量、激光三角测量等技术分支。

在使用激光扫描仪开展机身曲面模型测量时，需对仪器进行调零，选择光线强度适宜的环境开展测量操作，以减少获取点云数据中的杂点。提升机身曲面模型的反射度可使数据测量过程进展更为顺利，提高点云获取精度，因此模型装夹之前，可在其表面均匀涂刷反差剂[1]。将机身曲面模型固定在转台上，适当调整其方位，确保激光扫描仪全面扫描曲面。扫描仪的边界、步距可通过Y轴和Z轴控制，以使边界与曲面模型边界相适应，减少点云中干扰项。采用单镜头扫描模式，保存扫描数据，为方便后期数据处理，每次保存前可更改点云名称。一次扫描完成后，将转台旋转120°，无需记录角度，旋转完毕后进行调零，然后重复一次扫描的操作步骤。扫描过程中会出现局部扫描不到位的现象，此时可进行局部扫描，补齐点云数据。

测量过程中，机身曲面模型被装夹固定，因此在转台角度调整的过程中，系统可自动将全部点云数据整合到同一坐标系内。测量结束后，在同一坐标系内呈现三次扫描结果。

2 基于逆向工程的機身曲面重构

在CATIA软件环境下开展机身曲面重构作业。首先，进行模型数据预处理，弥补数据点不足，清除无效数据及冗余数据，以降低测量误差。模型扫描系统存在既定的有效作用范围，该范围内出现的物体数据均可被扫描，使获取的机身模型数据中存在干扰项，此时可使用Remove工具将多余数据点清除，仅保留与机身构件有关的点云。为使曲面构建呈现的最终效果尽可能接近机身模型，还可对点云做网格化处理，具体工具为Mesh Creation。平滑处理则使用Mesh Smoothing工具开展，通过调节拉杆改变平滑程度。在实际操作中，平滑度的选择不宜过高，避免机身曲面细节丢失，保证最终曲面重构的完整性。

其次，目标机身构件需利用曲面模型表示，因此需将点云数据划分为多个模块，以得到不同的曲面模型。各个曲面片之间光滑衔接、过渡，才能顺利完成重构过程，同时减少工程计算量，提高设计精度。在曲面片划分过程中，要求数据块凹凸性相一致，强化机身曲面重构时态，合理利用曲率法及散乱数据可提高划分质量。在软件平台内，通过平面与机身构件相交，可得到交线，或调整交线曲率，确保曲面划分的精确度，另外交线数量的合理控制也可发挥精度提升作用。注意在交线调节过程中，应重点围绕曲面拟合展开，确保机身拟合曲面能够与真实的机身部件完美贴合。

最后，机身曲面重构方式分代数法和参数法两种。机身曲面拟合完毕后，将各曲面结合并做加厚处理即可得到实际的曲面结构。但是形成的曲面结构往往带有一定质量缺陷，主要来自于逆向设计模型与理想模型、数据采集与既有模型间的误差，需要进行人工调整，以避免对机身曲面构建带来过多干扰。

3 基于逆向工程的机身光顺技术

完成以上操作步骤后，不一定能得到高质量的机身曲面重构，主要是由于曲面模型需要同时达到性能及精度的要求。机身曲面模型多由多张曲面构成，曲面模型的性能和精度也就对应多张曲面的性能、精度以及连接质量。单个曲面的性能指标有光顺度、气动性、可加工性等，若为自由曲面，还需对其光滑性做严格控制，避免出现褶皱、平点或曲率不明等问题[2]。单个曲面之间的连续性控制要点则在位置、曲率及切线上。

引发机身曲面模型性能不足的原因主要有以下两点，在利用光顺技术时需予以重点关注：第一，点云数据本身非常复杂，若直接开展拟合操作，会导致算法处理难度及处理时间显著上升。另外，不同机身曲面特征间的连接处存在较大误差，节点分布密度大，进而导致操作难度提高。第二，为充分保留机身曲面模型的局部性能，需对点云节点进行拟合，使用Merge工具及圆角做过渡处理。过渡曲面受原曲面边界性质的影响较大，其精度无法通过点云拟合来保证，进而导致拟合结果的形态无法被有效控制，引发畸变。

基于光顺技术，拟合曲面的边界不受限，在拟合完毕后，需根据实际机身曲面模型完成曲面剪裁。此外，边界不受限还会导致空间点参数域坐标值的变化非常灵活，提高点云性能的可控程度，确保最终的机身曲面性能达到设计要求。但由于剪裁曲面的量化值只受曲线的约束，相应的平移、圆角等操作均会被过多限制，且曲面便边界之间存在较高的差异性，因此曲面间缝隙的影响无法被忽视，导致机身曲面很难快速成型。因此在进行光顺处理时，相关人员需确保曲面间的连续性，严格控制调整过程，以免对机身曲面的性质、精确度等造成干扰。

4 结论

利用激光扫描仪全面采集机身曲面模型点云数据，经点云数据处理及网格化，为后期曲面重构及光顺提供有利条件。通过逆向工程，实现机身曲面模型的快速、精确搭建，从而为机身优化提供最佳的设计方案，推动相关产业健康发展。

参考文献：

[1]莫小凤.基于逆向工程曲面构建与曲面光顺技术研究[J].大科技，2018（29）：377-378.

[2]李兰兰.HD-SHM2005系统中数学技术在光顺船体型线设计中的应用[J].无线互联科技，2018，15（11）：134-136.

作者简介：苟国庆（1989-），男，甘肃白银人，学士，工程师，主要研究方向：工艺数据建模和修形。