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【摘 要】以回转轮为例对零件反求，阐述逆向建模的流程。使用RMS400扫描仪对回转轮零件进行三维数据采集，运用Geomagic Wrap软件对回转轮点云数据处理、Geomagic Design X软件对回转轮进行重构，最终获得回转轮三维模型，该方法可获得高质量的三维模型，对于结构复杂，无规律的模型测绘制造提供了借鉴，而且大大缩短产品研制周期。
【关键词】回转轮；逆向；重构
【中图分类号】TP391.7【文献标识码】A
【文章编号】2095-3089（2018）24-0014-02
引言
逆向工程也称反求工程，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行深化和再创造的过程。是数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。
一些型面特别复杂的零件难以用测绘的方法表示其结构和尺寸时，可以用逆向工程技术对零件进行复制[1]。本文以回转轮为研究对象，通过逆向建模的三个过程：数据采集、处理、重构。探讨了快速还原实物模型的方法，为后续创新及生产提供高质量的数据基础。
一、逆向建模
回转轮模型如图1所示，整个模型是对称件，从结构上看，里、外是带孔的圆柱，外圆柱表面有一回转槽，中间四个均布的爪将内外圆柱连接，连接爪外轮廓是自由复杂的曲面，在只有实物的前提下其模型创建十分困难，因此采用逆向工程技术。
1.回转轮数据采集。
实物的数字化是通过特定的测量设备和测量方法来获取零件表面离散点的几何坐标数据的[2]。回转轮的数据采集通过RMS400扫描仪设备测量获取。
1.1 RMS400三維扫描仪简介。
RMS400扫描仪采用国际最先进的外差式多频相移三维光学测量技术，测量精度从0.008mm到0.05mm，具有多次扫描自动拼接功能，抗干扰能力强，测量扫描速度单幅（最大3m幅面）达到为3-6秒。适用于不规则、复杂曲面产品零件的移动便携式三维测量。
1.2 回转轮模型的扫描。
回转轮几何形状数据的采集是逆向建模的关键，数据的完整性与精度是点云性能的两个重要指标[3]。
由于回转轮实物是对称件。数据扫描时只需扫描回转轮上半部分的三维数据。重构时通过在高度方向创建的对称面镜像，得到整个回转轮三维实体。
RMS400扫描仪通过一个视角无法获取回转轮整个上半部分三维数据点。为了完整地扫描回转轮上半部模型，保证回转轮的精度和稳定性，在采集过程中，将回转轮平放到扫描工作转台上，从多个视角旋转360度进行扫描。见图2
1.2.1 回转轮零件扫描前准备。
（1）由于回转轮实物是塑料件，白色亚光，所以无需喷涂显影剂。
（2）校准和配置扫描仪并选择合适分辨率。
（3）粘贴标识点。回转轮体积不大，扫描之前在回转轮模型表面粘贴标识点见图3。用于多视角自动拼接的坐标转换的。为了测量准确，回转轮模型表面的标识点必须粘贴牢固、无规则，距离适中，保证每个幅面内至少有三个或三个以上的标识点才能自动拼接。
（4）扫描完成后，将各视角扫描的数据点云全部导出在指定盘符下。
2.回转轮点云数据处理。
打开Geomagic Wrap软件，将扫描的数据全部导入见图4。由于该零件精度要求不高±0.15，所以我们直接选择“合并”→ “网格医生”→“松弛（勾选固定边界）”→“砂纸（勾选固定边界）”命令，完成对回转轮点云的处理。将处理好的回转轮数据另存为.stl（binary二进制）格式见图5。
3.回转轮模型重构。
3.1 回转轮逆向建模思路。
（1）带孔的大、小圆柱使用“面片草图”命令，基准平面选择高度方向的对称面，绘制截面草图，拉伸方法选择“平面中心对称”；由于高度尺寸不一样，所以分别创建草图及拉伸。
（2）四个连接爪圆周均布，只需使用“面片草图”在高度的对称面上绘制一个连接爪草图，然后选择“阵列”命令，将其余三个爪的草图阵列出，最后对称拉伸出高度。
（3）大圆柱面上的R槽，通过“面片草图”得到截面草图，草图“回转”与大圆柱实体进行布尔减运算。
3.2 回转轮逆向建模。
主要步骤：
（1）划分领域组。
利用领域组划分的区域，以不同的颜色来判断模型特征[4]，依据领域可以提取摆正、对齐、进一步建模所需要的点、线、面基准要素，还可以利用领域组进行曲面拟合。
回转轮模型重构没有太多、太小的特征，所以领域划分的敏感度选择15。通过“插入新领域”、“合并”命令把同一领域合并见图6。
（2）手动对齐。
将导入的片体摆正在软件中，以提取特征。
①做辅助的基准（点、线、面）。在导入回转轮片体上平面做一个辅助平面，在轴心线位置做辅助圆柱轴，轴心线与辅助平面做辅助交点见图7。
②用辅助的点、线、面与软件参照面对齐见图8。
（3）回转轮模型重构。
①调整精度色谱。
重构前先把精度色谱设定好，零件精度要求±0.15，所以上限选择0.15，下限选择-0.15，见图9。
重构的实体通过“精度分析”界面的偏差色谱反复检查并修整至要求的精度颜色。图9所示模型拟合精度在±0.15范围内，重构模型显示为绿色。
②创建辅助对称面。
在高度方向中间位置创建辅助面，总高度使用游标卡尺测量为20mm。基准面平面选择“前”，方法选择“偏移”，偏移距离10创建中间平面，见图10。
③拉伸实体。
根据回转轮实物，其模型重构基本采用拉伸命令，绘制完截面草图，选择“拉伸”命令，方法选择“平面中心对称”。
面片草图绘制过程中需要尺寸约束，几何约束。有时考虑零件的磨损，因此要进行尺寸圆整见图11。
④最后实体的尖角处倒圆。
⑤精度检测见图12。
重构的实体通过扫描原始数据与逆向重构模型的吻合程度即偏差分析来查看拟合的精度。除扫描不完整部分、圆角过渡部分、标识点粘贴处大部分区域拟合偏差都在±0.15mm之间，满足零件逆向的精度要求。
二、结论
回转轮实物通过使用三维扫描仪和逆向工程软件完整的复制实物，速度快，模型还原精度高。该方法可为相关产品的快速研发设计提供参考，尤其是复杂自由曲面的零件提供了新的手段和思路，在提高产品设计质量的同时，还缩短了产品设计开发的周期。
参考文献
[1]孔艳艳. 基于Geomagic Design X的轴流式风机叶片逆向建模[J].黑龙江工业学院学报7（17）：44-46，2017.
[2]金涛等. 逆向工程技术研究进展[J].中国机械工程 13（16）： 1431-1436，2002.
[3]孔艳艳，基于Geomagic Design X的轴流式风机叶片逆向建模[J].黑龙江工业学院学报7（17）：44-46.
[4]吴钧. 基于 Geomagic Design X 的整体叶轮逆向建模[J].农业装备技术 42（6） ：48-49，2016.
【关键词】回转轮；逆向；重构
【中图分类号】TP391.7【文献标识码】A
【文章编号】2095-3089（2018）24-0014-02
引言
逆向工程也称反求工程，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行深化和再创造的过程。是数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。
一些型面特别复杂的零件难以用测绘的方法表示其结构和尺寸时，可以用逆向工程技术对零件进行复制[1]。本文以回转轮为研究对象，通过逆向建模的三个过程：数据采集、处理、重构。探讨了快速还原实物模型的方法，为后续创新及生产提供高质量的数据基础。
一、逆向建模
回转轮模型如图1所示，整个模型是对称件，从结构上看，里、外是带孔的圆柱，外圆柱表面有一回转槽，中间四个均布的爪将内外圆柱连接，连接爪外轮廓是自由复杂的曲面，在只有实物的前提下其模型创建十分困难，因此采用逆向工程技术。
1.回转轮数据采集。
实物的数字化是通过特定的测量设备和测量方法来获取零件表面离散点的几何坐标数据的[2]。回转轮的数据采集通过RMS400扫描仪设备测量获取。
1.1 RMS400三維扫描仪简介。
RMS400扫描仪采用国际最先进的外差式多频相移三维光学测量技术，测量精度从0.008mm到0.05mm，具有多次扫描自动拼接功能，抗干扰能力强，测量扫描速度单幅（最大3m幅面）达到为3-6秒。适用于不规则、复杂曲面产品零件的移动便携式三维测量。
1.2 回转轮模型的扫描。
回转轮几何形状数据的采集是逆向建模的关键，数据的完整性与精度是点云性能的两个重要指标[3]。
由于回转轮实物是对称件。数据扫描时只需扫描回转轮上半部分的三维数据。重构时通过在高度方向创建的对称面镜像，得到整个回转轮三维实体。
RMS400扫描仪通过一个视角无法获取回转轮整个上半部分三维数据点。为了完整地扫描回转轮上半部模型，保证回转轮的精度和稳定性，在采集过程中，将回转轮平放到扫描工作转台上，从多个视角旋转360度进行扫描。见图2
1.2.1 回转轮零件扫描前准备。
（1）由于回转轮实物是塑料件，白色亚光，所以无需喷涂显影剂。
（2）校准和配置扫描仪并选择合适分辨率。
（3）粘贴标识点。回转轮体积不大，扫描之前在回转轮模型表面粘贴标识点见图3。用于多视角自动拼接的坐标转换的。为了测量准确，回转轮模型表面的标识点必须粘贴牢固、无规则，距离适中，保证每个幅面内至少有三个或三个以上的标识点才能自动拼接。
（4）扫描完成后，将各视角扫描的数据点云全部导出在指定盘符下。
2.回转轮点云数据处理。
打开Geomagic Wrap软件，将扫描的数据全部导入见图4。由于该零件精度要求不高±0.15，所以我们直接选择“合并”→ “网格医生”→“松弛（勾选固定边界）”→“砂纸（勾选固定边界）”命令，完成对回转轮点云的处理。将处理好的回转轮数据另存为.stl（binary二进制）格式见图5。
3.回转轮模型重构。
3.1 回转轮逆向建模思路。
（1）带孔的大、小圆柱使用“面片草图”命令，基准平面选择高度方向的对称面，绘制截面草图，拉伸方法选择“平面中心对称”；由于高度尺寸不一样，所以分别创建草图及拉伸。
（2）四个连接爪圆周均布，只需使用“面片草图”在高度的对称面上绘制一个连接爪草图，然后选择“阵列”命令，将其余三个爪的草图阵列出，最后对称拉伸出高度。
（3）大圆柱面上的R槽，通过“面片草图”得到截面草图，草图“回转”与大圆柱实体进行布尔减运算。
3.2 回转轮逆向建模。
主要步骤：
（1）划分领域组。
利用领域组划分的区域，以不同的颜色来判断模型特征[4]，依据领域可以提取摆正、对齐、进一步建模所需要的点、线、面基准要素，还可以利用领域组进行曲面拟合。
回转轮模型重构没有太多、太小的特征，所以领域划分的敏感度选择15。通过“插入新领域”、“合并”命令把同一领域合并见图6。
（2）手动对齐。
将导入的片体摆正在软件中，以提取特征。
①做辅助的基准（点、线、面）。在导入回转轮片体上平面做一个辅助平面，在轴心线位置做辅助圆柱轴，轴心线与辅助平面做辅助交点见图7。
②用辅助的点、线、面与软件参照面对齐见图8。
（3）回转轮模型重构。
①调整精度色谱。
重构前先把精度色谱设定好，零件精度要求±0.15，所以上限选择0.15，下限选择-0.15，见图9。
重构的实体通过“精度分析”界面的偏差色谱反复检查并修整至要求的精度颜色。图9所示模型拟合精度在±0.15范围内，重构模型显示为绿色。
②创建辅助对称面。
在高度方向中间位置创建辅助面，总高度使用游标卡尺测量为20mm。基准面平面选择“前”，方法选择“偏移”，偏移距离10创建中间平面，见图10。
③拉伸实体。
根据回转轮实物，其模型重构基本采用拉伸命令，绘制完截面草图，选择“拉伸”命令，方法选择“平面中心对称”。
面片草图绘制过程中需要尺寸约束，几何约束。有时考虑零件的磨损，因此要进行尺寸圆整见图11。
④最后实体的尖角处倒圆。
⑤精度检测见图12。
重构的实体通过扫描原始数据与逆向重构模型的吻合程度即偏差分析来查看拟合的精度。除扫描不完整部分、圆角过渡部分、标识点粘贴处大部分区域拟合偏差都在±0.15mm之间，满足零件逆向的精度要求。
二、结论
回转轮实物通过使用三维扫描仪和逆向工程软件完整的复制实物，速度快，模型还原精度高。该方法可为相关产品的快速研发设计提供参考，尤其是复杂自由曲面的零件提供了新的手段和思路，在提高产品设计质量的同时，还缩短了产品设计开发的周期。
参考文献
[1]孔艳艳. 基于Geomagic Design X的轴流式风机叶片逆向建模[J].黑龙江工业学院学报7（17）：44-46，2017.
[2]金涛等. 逆向工程技术研究进展[J].中国机械工程 13（16）： 1431-1436，2002.
[3]孔艳艳，基于Geomagic Design X的轴流式风机叶片逆向建模[J].黑龙江工业学院学报7（17）：44-46.
[4]吴钧. 基于 Geomagic Design X 的整体叶轮逆向建模[J].农业装备技术 42（6） ：48-49，2016.