基于逆向工程的自行车手柄结构的创新设计

朱红萍 梅松

基于逆向工程的自行车手柄结构的创新设计

朱红萍 梅松

（沙洲职业工学院，江苏 张家港 215600）

以自行车手柄结构为原型，采用手持式扫描仪进行点云数据的获取。利用Geomagic studio逆向处理软件对获取的点云数据进行预处理。通过逆向工程将原来自行车手柄的立体信息转换成计算机能直接处理的三维数字模型，并对其结构进行创新、改进设计，最终得到自行车手柄较高精度的数字模型。

自行车手柄；云数据；创新设计；逆向工程

引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是对已有的产品或者实物原型利用三维数字化测量设备快速、准确地获取实物表面的三维坐标数据，进行CAD模型重建。它可以缩短产品的设计周期，降低产品的开发成本[1]。笔者选取自行车手柄为研究对象，将参数化逆向建模技术融入其中，对自行车手柄结构进行创新设计。

1 采集点云数据

逆向工程中的关键技术是数据采集和模型重建[2]。此处，采用阿泰克手持式激光扫描仪对自行车手柄采集点云数据，使用配套的扫描软件获得stl格式的点云数据。在扫描过程中，由于自行车手柄表面存在凹凸的曲面细节特征，因此，可多次扫描以获得所有表面的点云数据。

采用手持式激光扫描仪获取模型数据的基本工作流程如下：

（1）为了确保扫描仪视野内的有效标定点数目，在正式记录扫描点云数据前，需要调整好采集视野范围。如图1所示，物体与扫描仪距离不得超过30 cm，保证点云数据处于绿色区域（箭头所指处）。

（2）由于该手柄是黑色或是金属，扫描时会出现扫描不完整的情况，所以扫描前需喷涂显影剂。

（3）因扫描仪视角有限，扫描时，将手柄固定在基座上，匀速转动基座变换扫描角度，多次扫描得到数字模型。图2是扫描自行车手柄零件的现场实景图。

图1 设置采集区域

图2 扫描获取模型数据

2 模型重建

2.1 点云数据预处理

阿泰克手持扫描仪在获取点云数据的过程中，会受周围环境、产品表面质量等因素的影响，扫描采集得到的数据不可避免地会存在误差。扫描初始采集的手柄模型由于存在无关网格、网格缺失、模型文件过大等问题，不能直接用于逆向设计，需要先进行预处理[3]。为了保证后续曲面重构点云数据的精确性，要多方位扫描，得到基本的扫描模型。

经过扫描得到的点云数据如图3所示。借助Artec Studio 11扫描软件，将扫描得到的点云数据去除基底，并用扫描软件自带的预处理功能，减少噪音、光顺处理、进行优化网格等，如图4所示。对模型进一步优化，最终获得stl格式的基础模型，如图5所示。

图3 扫描所得点云数据

图4 点云数据预处理命令

2.2 实体模型重建

Geomagic studio12的逆向建模将扫描数据的处理与三维正向建模相结合，可得到包含特征树的CAD数据模型[4]。经过点云预处理后的stl格式的模型，特征缺失主要发生在手柄表面凹凸曲面以及上下表面处。

为了还原自行车手柄实物模型的特征，需要进行模型重建。此处，借助逆向建模软件的自动曲面创建、领域、面片拟合等得到曲面，再通过曲面间的修剪，获得所需的曲面特征[5]。在Geomagic Design X中，封闭曲面模型即可转化为实体模型。具体步骤如下：

图5 点云数据预处理结果

（1）将模型转成点云模式，然后把孤点按照一定距离删除，完成封装。

（2）将表面凹凸不平的部分，用填孔、删除钉状物等工具使表面变平滑。模型重建过程中，将突出或不完整形状用删除特征、加强形状、消减等工具进行修正。

（3）用领域自动分割功能对物体曲率和不同特征进行划分，区分不同功能区。模型表面分离单元用面片拟合对表面拟合，物体表面不合理的地方用自动曲面创建对表面进行拉伸、调整。

（4）将物体缺少的部分重新利用3D草图命令画图，进行拉伸将特征补充完整。运用曲面切割实体、实体之间的布尔运算等建模方法[6]，得到自行车手柄重建后的实体模型（图6）。

图6 自行车手柄重建后的实体模型

3 自行车手柄零件结构的创新设计

经过逆向扫描、模型重构的自行车手柄三维数模，在满足功能的前提下，结构上还有一定的改进空间，如骑车人的手感、手柄的外观、产品的个性化需求以及经济成本等。

图7(a)、(b)分别是结构创新设计前后的自行车手柄三维模型。其结构上的创新之处为：

（1）将自行车手柄头部结构设计成组合装配形式，其手柄头部可根据不同客户的需求加以组合拼接，使产品具有多样化、个性化的特点。

（2）将原来的自行车手柄主体结构进行了简化。去除之前的鱼尾形结构，在满足功能条件的前提下，将手柄主体部分条状纹路修改成网状结构，加大手与手柄把手的接触面积，增大摩擦力，使之更加安全舒适。

（3）手柄表面增加手握式的凹槽，这样可以使手放松，减小手对手柄的压力，也可使手不易打滑。

（4）自行车手柄表面增加了产品logo区域，可以定制个性化商标logo。

将结构创新设计后的stl格式的模型保存在SD卡上，将SD卡插入3D打印机卡槽。完成穿丝操作后，在打印界面选择自行车手柄模型(ma.gsd)，打印。

打印完成后，用工具将内、外支撑去除，即得到最终的自行车手柄实物模型（如图8所示）。

图7 自行车手柄三维模型

图8 自行车手柄3D打印实物模型

4 结束语

以自行车手柄零件为研究对象，利用逆向扫描技术，更加灵活、便捷地实现了手柄结构的创新设计。在产品结构设计开发过程中，将三维扫描技术、点云预处理技术、参数化逆向建模技术等相结合，对重构后的模型快速实现再设计，可缩短研发周期，满足个性化设计要求。

[1] 张海德. 三维数字化建模与逆向工程[M]. 北京: 北京大学出版社, 2016: 9-10.

[2] 胡彦萍. 3D扫描和逆向建模技术应用[J]. 机械工程与自动化, 2019 (6): 202-203.

[3] 张栋. PDC钻头三维扫描及逆向设计技术[J]. 石油钻探技术, 2018 (1): 62-67.

[4] 刘勇, 赖啸, 郭晟, 等．基于Geomagic的叶轮逆向建模与再设计研究[J]. 机械工程与自动化, 2017 (6): 51-52+56.

[5] 闫磊, 冯兰芳, 惠延波, 等. 基于逆向工程的支架零件优化设计及快速成型[J]. 制造业自动化, 2019 (6): 30-33.

[6] 李卫民, 马平平. 三维激光扫描点云数据的获取及逆向技术研究[J]. 制造业自动化, 2015 (20): 68-70+101.

Innovative Design of Bicycle Handle Structure Based on Reverse Engineering

Zhu Hongping, Mei Song

With the bicycle handle structure as the prototype, the point cloud data is obtained by the handheld scanner. At the same time, the acquired point cloud data are preprocessed by means of the Geomagic studio reverse processing software. The 3D information of the original bicycle handle is converted into a 3D digital model which can be processed directly by the computer through the reverse engineering, and its structure is innovated and improved, and finally the digital model with high precision of the bicycle handle is obtained.

bicycle handle; cloud data; innovative design; reverse engineering

TP391.72

A

1009－8429(2020)04－0006－04

2020-08-26

2020年江苏省大学生实践创新项目（202011288016Y）

朱红萍（1978-），女，沙洲职业工学院机电工程系副教授；

梅 松（1998-），男，沙洲职业工学院机电工程系2018级模具设计与制造专业学生。