3D扫描技术在活塞顶零件逆向设计中的应用

摘 要：运用3D扫描设备修复失效活塞顶。首先，运用3D扫描仪3DScanGO Laser对失效零件进行高精度数据采集。应用Geomagic Wrap软件对扫描数据进行点云及三角面片优化处理。通过GeomagicDesignX软件重构失效活塞顶参数化模型。最后，应用PolyWorks检测软件对模型进行精度检测与分析。

关键词：数据采集与处理；模型重构；检测分析

中图分类号：TP391.7

文献标识码：B

Application of 3D scanning technology in reverse design of piston crown parts

MIAO Zhuangzhuang， LIU Haitao， SUN Ben， YANG Haixia^*

（Wuxi Institute of Technology， Wuxi 214121， Jiangsu， China）

Abstract： This article aims to use 3D scanning equipment to repair the failed piston crown. Firstly，the 3D scanner 3DScanGO Laser is used to collect high-precision data from the failed parts. Geomagic Wrap software is used to optimize the point cloud and triangular patches of the scanned data. Geomagic Design X software is used to reconstruct the parameterized model of the failed piston crown. Finally，PolyWorks detection software is used to perform accuracy testing and analysis on the model.

Key words： data collection and processing; model reconstruction; dection and analysis

0 引 言

当今，如何使产品短期内快速升级以满足市场的要求已经成为决定企业兴衰的重要因素。相对于传统的产品研发模式，逆向工程可以在前人的基础上进行创新，以现有的产品为参照目标，确定新目标，从而成为企业吸收外来技术、占据市场主动的法宝，得到了业界的广泛重视和应用^［1］。

在引擎盖内板法向变形质量分析中，李沛等^［2］巧妙运用了此项技术实现了高效的质量检测。付云贵等^［3］在柴油机气道正向开发中展现了这项技术的高效性。以上案例皆证实了逆向技术的宽广场景。

1 逆向技术介绍

逆向工程，又称反求工程或逆向技术，与正向设计不同，通常是指通过物理拆解、3D扫描、软件处理等各种手段，采用特殊设备对已有产品或系统进行进一步的研究、分解和测试，进而推导出其设计原理、构造方法等原始信息的过程。逆向工程流程图如图1所示。

2 数据采集

3DScanGO Laser复合式3D扫描仪，其内置红蓝双色激光及摄影测量系统模块，可利用双目视觉原理来获得空间3D点云信息。与传统测量方法相比，3D扫描仪可实现无接触测量，在获得精准测量信息的同时，也避免了零件的二次损坏。同时，扫描仪的高精度性也保证了后续数据处理的真实性。

在扫描前，需对设备进行标定。标定是为了获得世界坐标系中被测物体点的空间坐标，与拍摄图像坐标系中对应点的函数关系^［4］。标定需要严格按照规定进行，标定结果将直接影响到数据采集的精度。

3 点云处理

点云是由大量离散的、具有3D坐标的点所组成的集合。它可直观地将物体形状和表面特征在3D空间中表达出来。然而，原始数据的点云并不能直接用于模型重建，故要对其进行特殊处理。

选用点云处理软件为Geomagic公司的GeomagicWrap。该软件不仅可以处理点云，还可以创建多边形网格和将点云数据转化为CAD模型^［5］。为构造出高质量的模型，通常将模型构造分为3个阶段：点阶段、三角化阶段、面阶段。

4 点阶段

4.1 体外点的删除

“体外孤点”是指那些不属于零件几何特征的异常点。它的位置通常在几何特征的边缘或者与几何特征偏离较大的地方。这些点的产生有多种原因，如操作人员技术问题、扫描设备精度问题、环境干扰问题等。如若不对体外孤点进行适当的处理，则将会影响到后续产品的质量与精度，加大后续模型重建的困难。非连接点和体外弧点是应删除的点云无效特征^［6］。

体外孤点的删除有两种方式。一种为人为手动删除，另一种为软件识别删除。人为手动删除需要通过肉眼去判断并选取目标点进行删除。本研究选用软件识别删除，GeomagicWrap的自动识别并删除体外孤点功能基于其自身的高度智能化，操作人员只需设定合适参数软件即可自动进行选择，极大程度上减少了人工疏忽所导致的误删或遗漏。在选项卡中依次点击“选择”——“体外孤点”，将敏感度调定为100，点击“确定”——“删除”既可完成。体外孤点删除界面如图2所示。

4.2 降噪处理

由于物体表面材质不均匀、环境干扰等因素，往往会使采集到的数据中带有一些不规则分布的离散点。通常这些点并不能准确反映物体的真实几何特征，反而会对模型的精度产生影响，称为噪声。降噪处理是必不可少的关键数据处理步骤。

在选项卡中点击“减少噪声”，在降噪对话框中，根据该零件选择参数模式为“自由曲面”，设置迭代次数为5，偏差限制为0.1 mm。点击“预览”可看到处理效果。减少噪声如图3所示。

4.3 统一曲率

在一次数据采集中，往往采集到的点云数量是巨大的，影响效率。因此，需要运用“统一曲率”对数据进行简化。它可根据产品的特征，通过数学运算，在保证特征明显的同时对点进行简化。

“统一曲率”有多种选择方式，每种方式所带来的效果是不同的。其中，“曲率优先”的统一采样方式最为常用。在这种方式下，软件会精确分析每个点周围的曲率变化特征，在曲率变化较大的地方，如边缘、拐角等将被定义为重要区域，并留下相对较多的点来表达这一特征。对于曲率变化不大的地方，如平面等，则会留下较少的点，从而减少点云整体数量。

4.4 封装

点云数据处理完成后，需要将其转变为多边形面片，为下一步处理做准备，此时需要使用“封装”命令。封装是逆向建模的至关重要的衔接部分，它是以点云数据为基础，通过数学计算将点云数据转换为连续的多个小三角形组，通过连接点来创建三角形面网格，从而将统一采样后的点云数据转换为直观的数据模型^［7］。点云数据封装成为面片后，才能进行下一步操作。

点击“封装”，在其对话框中设置最大三角形数，调整封装质量，最终点击“确定”即可完成封装。封装界面如图4所示。

5 三角化阶段

点云数据只是零件特征在空间中的位置信息，这种信息是不连续的且无法参数化修改的，多边形面片则是点云数据与参数化模型的连接桥梁。将点云数据转化为多边形面片的方法有多种，这里推荐转化为三角形面片。三角网格相对于四边形网格更稳定、灵活，通过点云数据的三角化，可以更好地突出模型的轮廓。以辅助逆向建模。^［8］

5.1 网格医生

“网格医生”是多边形处理中一个高度智能化的工具，它可自行判断检测出高度折射边、钉状物、小孔等杂乱特征并对其自动修复。

在多边形选项卡中，点击“网格医生”，等待软件自行计算，计算完成后可在网格医生对话框中查看其检测出的不规则特征，点击应用即可完成修复。网格医生界面如图5所示。

5.2 填充孔

当使用扫描设备获取物体表面信息时，由于扫描环境、扫描视角、遮挡等因素，时常会出现数据不连续或缺失的现象。然而在点云处理过程中，无法有效地将这些缺失点补齐，这就直接导致封装后的多边形出现明显的孔状结构。这时则需要使用“填充孔”对这些孔进行填补。

在填充孔命令中，有3种计算方式，即曲率、切线、平面。有3种填充方式，即内部孔、边界孔、搭桥。内部孔主要用于处于填充模型非边界表面处的小孔，边界孔则主要用于填充处于模型拐角处的缺口，搭桥则适用于填充远距离整体变化不大的大孔。对于不同性质的孔，采用合适的填充方法以及合理的计算方法往往可以达到事半功倍的效果。

该多边形大多为独立的孔，故选择“单个孔填充”命令。使用鼠标点击孔的边缘，此时这个要填充的孔就会高亮显示，选择“完成”后再点击“填充孔”即可完成填充，依次点击所需填充的孔即可完成全部填充。

5.3 快速光顺

“松弛”与“快速光顺”均是高效的重要曲面优化技术，是多边形面片处理中不可缺少的一环。松弛功能主要使现有网格结构产生微小而有控制的变形，从而达到减少应力、消除局部不连续性，以及优化曲面平滑度的目的，使得原本由于各种因素导致的表面细节不准确或者边缘过渡生硬的地方变得更加自然流畅。快速光顺则是通过算法快速生成光滑连续的曲面，将原始不规则的多边形网格快速转化为形态平滑的网格模型。

在多边形处理过程中，松弛和快速光顺都是降低多边形网格表面的不连续性，提升表面光滑度的手段，但两者的侧重不同。快速光顺的重点在于去除多边形表面的高频噪声并使其快速获得较为平滑的表面；松弛则是对各个小区域逐步分析，以每个区域的应力为参照来优化表面，以最大限度减少单独多边形之间的角度，使面片更加平滑^［9］。

5.4 锐化向导

经点云处理和多边形光顺处理后的模型虽然在形状上接近于产品，却并不能直接使用，还需经锐化处理使其各个特征表面突出显示，才能运用于3D模型的重建。

在多边形面片特征细化处理过程中，锐化向导是一种极具智能化的处理工具。基于Wrap强大的自识别功能，在棱角、孔洞等细节特征的轮廓处理时，其可直接识别出特征区域并针对性地进行强化处理，使原本模糊的边缘重新变得尖锐清晰。锐化向导的另一大亮点便是它的引导式操作。在数据处理过程中，锐化向导以引导形式逐步提示用户该如何做。这种方法极大程度上降低了对用户专业知识的要求，用户只需设定合理的参数并手动处理，将各个特征之间进行分区即可完成操作。分区完成后，系统将会根据所划分区域在平坦区域之间的高曲率区域上生成等高线。操作者也可通过绘制曲线——延伸切线——编辑切线这3个步骤使得所产生的目标线更加贴合。最终，点击“锐化多边形”，将多边形网格延伸到新定义的边，从而创建一条锋利的边界。锐化向导如图6所示。

5.5 拟合

经上述处理后的面片仍属于半光滑状态，如果直接将其用于模型重建，其精度是非常差的。因此需要运用拟合命令，将三角多边形模型转换为高质量、连续光滑的NURBS曲面。拟合的主要目的在于生成的特征曲面是连续且光滑的，在确保同一特征面上无明显凸起的同时，保证模型与实物相贴合。Wrap中的拟合功能具备高度智能化的特点。软件能够自动识别选区的曲率特征，自动计算和优化控制点布局，并通过用户参数选择自动完成特征拟合，提高了工作效率。

以活塞顶的顶面为例，根据其表面特征选择平面拟合。此时，界面中则会出现一个平面，在拟合方式中选择最佳拟合，此平面则会根据算法达到理想位置，点击“确定”即可将这个平面转变为光滑的平面。拟合界面如图7所示。

拟合的重点需要用户通过判断，选择基本实体，软件则会基于数学算法来逼近和重建实物零部件的精确几何形状。面片拟合的核心在于通过选择合适的控制点和调整权重，以最佳方式构建NURBS曲面片，确保这些曲面片之间能够平滑过渡且无明显接缝。

6 面阶段

初次生成的三角面片会存在很多缺陷，可以灵活使用孔填补、平滑、整体再造等功能使三角面片更加完整，经过上述处理后即可进入面阶段^［10］。本研究采用的面阶段3D模型重建软件为GeomagicDesignX。其主要用于将多边形面片转化为3D实体模型，通过对Wrap处理后的文件进行进一步编辑、优化，进而将这些数据生成高质量的CAD模型。GeomagicDesignX凭借自身特点在市场上被广泛使用。

6.1 分割领域

“领域”是逆向工程中的一个特殊名词，它是指将一个复杂的3D模型通过特定的数学逻辑算法分割成一个个小的区域，每个小的区域既是“领域”。领域是整个模型重建的基石，精准的领域分割可使后续重建模型的精度更为准确。

“领域”的划分方式有两种，既自动分割与手刷，自动分割较于手刷可以使操作更加快速便捷，其通过构建的模型外形的复杂情况进行软件敏感值参数的设置，根据软件中自动分割功能对点云数据模型进行划分领域组^［11］。点击“自动分割”，设置敏感度为100，调整面片粗糙度并点击“确定”即可完成分割。领域分割如图8所示。

6.2 对齐

在实体模型的扫描过程中，点云的产生依赖于扫描仪自身所建立的坐标系，而在3D模型设计中的设计坐标系与扫描仪自身的坐标系并不重合。然而，在后续的模型重建过程中，如若没有一个准确的坐标系则会导致某些依赖坐标系才能使用的命令无法高效使用。因此，需要通过对齐操作，将数据放在一个合适的坐标系下才可继续进行下一步的操作。

对齐操作是基于领域进行的，对齐操作有两种方式。一种为对齐向导，对齐向导可使软件自行计算然后自行放置于一个坐标系下，这种方式通常适用于回转体零件而对箱体类零件效果不佳；另一种为手动对齐，手动对齐则需要用户自行判断在对齐选项卡中是否选择“3-2-1”对齐方式或“x-y-z”对齐方式。显然，作为一个回转件的活塞顶，运用对齐向导更为适合。点击“对齐向导”，在对话框中点击“确定”即可完成对齐。

6.3 面片草图

面片草图是模型重建中至关重要的一步，其可在非参数化的模型上直接创建和编辑2D草图，有助于精确地捕捉和理解原始零件的设计意图，最终经过拉伸旋转等命令将绘制的2D草图加以编辑，即可生成参数化模型。需注意的是，面片草图的使用非常依赖领域的划分。在绘制活塞顶平面的草图时，选择和目标平面平行的领域，拉动位置可实时更新轮廓特征曲线，选择合适位置即可以此为基础绘制草图。面片草图如图9所示。

6.4 面片拟合

对于基础实体立方体、锥体等的建模，使用面片草图就可完成。然而，市面上绝大多数零件都不是由简单的基础平面所构成的，而往往都包含了大量的曲面。对于曲面的建模，面片草图无法进行，需要运用面片拟合命令。

面片拟合是GeomagicDesignX特有的功能，其与面片草图一样都需要借助领域才能进行。它主要借助曲面区域的领域，通过数学逻辑算法，利用所选领域的曲率特征构建一个高质量、连续且平滑的NURBS实体面片，这种方法也类似于UG中的四点曲面。面片拟合主要分为曲面片阶段、栅格阶段、曲面阶段和轮廓线阶段^［12］。点击面片拟合依次点击活塞顶的轮廓领域设置许可偏差为0.1 mm，设置拟合的平滑等级，点击“确定”则可生成相应的片体，这个片体即为拟合的曲面。面片拟合如图10所示。

7 模型检测

经逆向工程处理后的模型是否达到使用要求是未知的，因此需要运用检测软件对重建的参数化模型进行3D检测分析。3D分析是通过将待检测附座产品模型和参考附座产品3D实体理想模型对齐后，进行直接比较，生成能反映整个附座产品各部位误差情况的3D彩色偏差模型^［13］。本研究采用检测软件为PolyWorks。它可将重建模型与点云数据或与三角形面片对比，通过数学算法，以彩图直观展现模型的偏差。同时，PolyWorks也可以根据用户需要生成相应的检测报告。

首先，将面片数据导入到PolyWorks中，设置好对象类型、单位等信息。接着将重建的模型保存为Prt格式，然后导入到PolyWorks中。导入后运用最佳拟合命令将点云数据与模型进行自动对齐。两数据完全重合即为对齐成功，对齐后可进行检测。

对齐后的零件运用曲面测量偏差命令进行检测。在检测过程中，对于有特殊要求的特征表面可以对其公差进行单独检测以生成特定的报告单。

设置检测偏差为双向偏差并生成彩图，对其视图进行分析。绿色为偏差范围在0～1.00 mm、浅蓝色为偏差范围在-1.00～0 mm内，分别采集活塞顶具有特殊要求的8个点对其公差进行分析，其公差均在-1.00～1.00 mm范围内，故符合设计要求。偏差值如表1所示，检测报告如图11所示。

8 结 论

本文通过3D扫描技术、逆向设计及检测分析对失效活塞顶实现修复，得出以下结论。

（1） 本实验运用3DScanGO Laser复合式3D扫描仪对磨损活塞顶进行非接触式扫描，实现了产品实体信息采集。

（2） 在数据处理过程中，通过运用降噪、锐化向导等操作逐步提高产品数据的质量，为后续重建模型提供更精准的基础。

（3） 模型重建过程中，运用GeomagicDe-signX独有的面片拟合功能以实现曲面特征的高精度重建，使重建模型更加贴合实际。

（4） 通过最后的产品精度检测，进一步证明了经逆向工程所设计修复的零件可达到精度要求。

本研究对汽车零部件及其他产品有一定的借鉴和参考意义。随着工业技术的发展，3D扫描和逆向设计技术在产品设计研发中会得到更广泛的应用和发展。

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