基于逆向工程技术的产品创新设计实验教学

杨雪荣，何佳乐，成思源，张湘伟，郭钟宁

（广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006）

产品创新设计和快速开发是关系到企业可持续发展的一项重要活动，是带给企业活力和竞争优势的源泉，是决定企业竞争力的关键。大学生毕业后直接服务于企业，其创新能力和创新意识对企业的发展至关重要。因此，培养学生的创新能力已成为高校人才培养的重要目标。作为高等教育中实践教学的重要环节，实验教学中创新能力的培养日益受到重视[1－4]。在实践教学环节中，设计多种创新实验增强学生实践动手能力，能够使广大学生在本科阶段得到科学研究与发明创造的训练。在机械设计制造及其自动化专业开设基于逆向工程技术的产品创新设计实验，有助于调动学生的主动性、积极性和创造性，激发学生的创新思维和创新意识，以及提高学生的创新实践能力。

1 基于逆向工程的产品创新综合实验设计

逆向工程（reverse engineering，RE）是指从实物得到其CAD模型这一过程中数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是消化吸收已有原型产品成果和先进技术，并进行产品创新开发的重要手段。将RE和快速成型（rapid prototyping，RP）技术相结合，能够以较低的成本与更高的效率制造出原型产品，从而有力支持新产品的创新设计和快速开发[5]。在机械类本科生教学中开设逆向工程实验，加强创新实践教学环节，培养学生的创新设计思想，增强学生实践动手能力[6]。设计实验流程如图1所示。

图1 实验流程示意图

在实验中，首先要根据实物模型的自身特性、精度要求、制造材质等多项因素选择合适的数字化设备，完成模型表面数字化；其次对数字化获得的数据进行处理，输入专门的数据处理软件或带有数据处理能力的三维CAD软件进行前处理；然后进行曲面和三维实体建模；最后在重建CAD模型的基础上进行修改或创新设计，获得新产品的CAD模型，利用快速成型技术进行实物制造。实验的开设有利于学生掌握逆向设计技术，对于拓展学生的知识结构，提高学生的工程实践能力，培养学生对现代设计与制造技术的应用能力起到积极作用[7]。

2 基于关节臂测量机的数字化实验

关节臂式测量机如图2所示，是三坐标测量机的一种特殊机型，可选配触发式测头和激光扫描测头。触发式测头可用于常规尺寸检测和点云数据的采集。激光扫描测头，可实现密集点云数据的采集，常用于逆向工程的实物模型数字化[8]。

图2 关节臂测量机

实验室配备关节臂测量机用于实物模型数字化。实验时首先要对实物模型进行表面处理，清理干净所有要进行数据采集的表面，对反射效果较为强烈的模型表面可通过喷施着色剂增强模型表面的漫反射，使CCD摄像机采集到高精度的点云数据。

用关节臂测量机配备的激光扫描测头对实物表面进行扫描。扫描数据需遵循以下原则：沿着特征线走，沿着法线方向扫；从曲率变化小的面开始，扫描完一个面再转到下一个相邻面；在扫描完得到大部分数据之后，一般要暂停扫描，动态转动数据，检查疏密和纰漏，看是否需要追加扫描数据，以达到数据完整。

下面是学生在实验中扫描的实物模型及扫描的点云数据。图3为丁当猫玩具的实物模型，高15cm左右，表面细节较多，一次扫描无法得到整个模型的点云数据，故要多次扫描。分别以站立、左侧卧和右侧卧3个方向进行扫描。图4为扫描的三组点云数据。

图3 实物模型

图4 表面数字化数据

3 数据处理实验

实验室配备Geomagic Studio逆向软件进行数据处理，曲面重建过程被划分为点处理阶段、多边形处理阶段和造型处理阶段。

3.1 点处理

在数字化过程中，会采集到一些无关的数据（如实验台表面），同时扫描数据量大，伴有大量的噪音，所以点云阶段主要对点云进行整理，减少噪音并采样[9－10]，从而得到一个完整而理想的点云数据，并封装成可用的多边形数据模型。处理流程如图5所示。

图5 点阶段基本操作流程图

下面是学生分别对采集到的3组数据进行点处理，然后利用3组数据共同点的联系应用“手动注册”功能，将3组数据合为1组数据。由于合并后的数据比较大，会影响计算机的计算速度，所以对点云进行采样处理，然后进行封装，将多组数据合并为1个多边形模型，如图6所示。

图6 封装后的模型

3.2 多边形处理

多边形处理阶段是在点云数据封装后进行破洞补填、边界修补、重叠三角形处理和多边形编辑等一系列的处理，从而得到一个完整的理想多边形数据模型，为后续的曲面拟合打下基础。处理流程如图7所示。

图7 多边形阶段基本操作流程图

经点阶段处理后的多边形模型中存在的非流型三角形会阻碍曲面的重建[11－12]，同时由于扫描不完整或者封装效果不好等原因，模型表面会出现孔洞，如图6所示。所以在多边形阶段，首先要创建流型去除非流型的三角形数据，之后对孔进行填充。

多边形模型的表面有时也会出现凸出或者凹孔等不需要特征，可用“去除特征”命令删除所选择的不规则的三角形区域，并用一个更有秩序且与三角形连接更好的多边形网格代替。

原模型的表面光滑程度达不到要求时，可进行“松弛”和“砂纸打磨”处理。图6所示的多边形模型经多边形阶段处理后，模型效果如图8所示。

3.3 形状处理

图8 多边形处理后的模型

形状处理阶段是在多边形阶段处理的基础上进行探测曲率、构造曲面片、构造格栅和拟合曲面等处理，得到一个理想的曲面模型，主要流程如图9所示。

图9 形状阶段基本操作流程图

3.4 基于重建CAD模型的产品创新设计

在实体模型的基础上可以进行产品的创新设计。将重建的曲面模型导入到正向设计软件。由于导入的模型是由多个曲面片组成的，所以首先需要在正向设计软件中进行缝合曲面，同时将曲面模型转化为实体模型，然后以此为基础进行变型设计。

下面是学生在实验中利用丁当猫的外形进行U盘设计，可丰富U盘种类，迎合年轻人对U盘外形多样化的需求。在进行U盘结构设计时，将丁当猫的整体模型分为头部和身体两部分，以头部作为U盘的主体，身体部分作为USB槽。连接部分的设计为：将下部分的凸块对准插入上部分的凹孔中，然后将上部分顺时针旋转90°锁紧。设计效果如图10所示。

图10 设计效果图

4 结束语

逆向工程技术不仅丰富了产品创新设计的方法，同时可以大大缩短产品创新设计的周期。在机械设计制造及其自动化专业开设基于逆向工程技术的产品创新设计实验，在实验中引入先进的测量设备及数据处理软件，可使学生对高精度的三维传感器、先进的测量软件在实际工程中的应用有全新的认识。同时此实验有助于学生熟悉逆向工程设计的流程，提高学生数字化设计水平，提高学生的工程实践能力，有助于培养学生的创新能力。

（References）

[1]章军军，崔秀红.创新实验的设计性和自主性[J].实验技术与管理，2008，25（7）：23-24.

[2]成思源，张湘伟，何汉武.机械设计实验教学示范中心建设与实践[J].实验室研究与探索，2010，29（6）：107-109.

[3]李丽洁，施瑞，陈树森.大学生创新实验项目中的实验教学[J].实验技术与管理，2011，28（3）：162-164.

[4]郑志远，蒋芸，薛巍，等.大学生创新实验计划实施的实践及探索[J].实验技术与管理，2010，27（10）：30-31.

[5]金涛，陈建良，童水光.逆向工程技术研究进展[J].中国机械工程，2002，13（16）：1430-1436.

[6]朱志松，徐海黎，朱龙彪.机电专业创新实践项目的设计与实现[J].实验室研究与探索，2009，28（9）：8-10.

[7]梁珣，周兴.基于产品数字化设计的CAID实验室架构研究[J].实验技术与管理，2009，26（8）：152-153.

[8]高贯斌，王文，林铿，等.关节臂式坐标测量机误差仿真系统建模与分析[J].计算机集成制造系统，2009，15（8）：1534-1540.

[9]陈裕芹，成思源，邹付群，等.基于Geomagic Studio的叶片修复与曲面建模[J].广东工业大学学报，2011，28（3）：70-72.

[10]罗之军，何彪.基于Geomagic Studio的逆向工程技术[J].贵州工业大学学报，2008，37（5）：102-104.

[11]付伟，张海.基于Geomagic Studio软件的逆向工程设计[J].工具技术，2007，41（11）：54-57.

[12]黄一心，成思源，黄曼慧.基于手持式激光扫描和Geomagic的CAD模型重建[J].机床与液压，2009，37（12）：176-178.