數(shù)字化技術的應用為產品設計和開發(fā)提供了快捷方法，逆向工程則在產品開發(fā)中占據(jù)重要地位。簡單而言，逆向工程產品設計就是根據(jù)已經存在的產品，反向推出產品設計數(shù)據(jù)，包括各類設計圖或數(shù)據(jù)模型。逆向工程的發(fā)展大大縮短了產品的開發(fā)周期。正逆向混合建模方法是一種逆向技術和正向技術互補的建模方法，這一方法符合產品設計高效、創(chuàng)新的要求。
產品的開發(fā)過程大致包括產品設計、制定生產工藝流程、零部件制造及裝配、產品檢驗及性能測試等環(huán)節(jié)。筆者研究的逆向建模屬于產品設計階段的先前部分，所得到的模型與后續(xù)的產品再設計、產品工藝流程、產品制造加工及產品檢驗等環(huán)節(jié)息息相關。
對于結構類產品的逆向建模而言，如何實現(xiàn)產品再設計是關鍵。在傳統(tǒng)的正向設計方法中，有多種方法可以使模型具備再設計功能。因此，筆者提出在模型重建階段采用正向設計的建模流程，創(chuàng)建參數(shù)化模型。試驗流程包括逆向數(shù)據(jù)采集、模型逆向處理、正逆向混合模型重建、產品再設計能力檢驗4個階段，采用三維掃描設備及正、逆向軟件來實現(xiàn)。
1 數(shù)據(jù)采集
掃描的基本流程是分析產品外形、確立掃描方案、進行掃描輔助工作(噴反差增強劑、貼標志點等)、描，圖1所示為減速器上蓋掃描分區(qū)圖。
該零件底面較平，內部是空腔，壁厚均勻。掃描時可忽略底面數(shù)據(jù)，在計算機輔助設計(CAD)建模時再將忽略的部分補齊。產品其余5個面需要掃描，由于難以在一個點云文件中采集到所有數(shù)據(jù)， 因此需要分區(qū)域掃描．左右兩面數(shù)據(jù)量較小，可以合并到其它掃描區(qū)域中。按以上分析，將產品劃分成左側、頂部、有側3個區(qū)域進行掃描，掃描后得到3個點云文件。
2 模型逆向處理
設計期間所得到的數(shù)字化模型可以直接應用到產品開發(fā)下游的各個環(huán)節(jié)，然而從掃描得到的離散型數(shù)據(jù)無法與下游環(huán)節(jié)對接，為此必須通過逆向建模獲取參數(shù)化模型，然后才能進行再設計、制定工藝、制造、檢驗等。模型逆向處理的目的是將離散的點按物體表面變化規(guī)律轉化為參數(shù)化曲面。
筆者采用Geomagic Studio軟件進行逆向處理，處理的關鍵步驟如下。
(1)點數(shù)據(jù)的處理。包括點云數(shù)據(jù)拼接(圖2)、去噪、合并等。
(2)多邊形階段的處理。為了獲取相對平滑、符合產品原型的多邊形網格。需對點及多邊形進行處理，處理后的效果如圖3所示。
(3)曲面的處理。曲面處理有兩種方法：在制造階段，對于結構類產品而言，其表面一般具有簡單的幾何特性，通常可以轉換為可用初等解析式表達的參數(shù)化曲面；在造型階段，對于具有自由曲面的模型而言，對多邊形網格進行區(qū)域劃分，然后轉換為非均勻有理B樣條(NURBS)曲面。此步驟需根據(jù)模型特點進行選擇性操作，本實例屬于結構類產品，選用制造階段的操作。這一步驟還會影響后期CAD模型制作的準確性，具體操作主要包括探測輪廓線、編輯輪廓線、區(qū)域分類和擬合曲面等。
執(zhí)行探測輪廓線命令后，得到的紅色區(qū)域為分隔符，其它區(qū)域以不同的顏色作為區(qū)分，此命令的目的是對模型小同特征的表面進行區(qū)域劃分。接著執(zhí)行編輯輪廓線命令，對輪廓線不合理的部分進行細節(jié)凋整，直至獲得準確表達模型輪廓的輪廓線。如圖4所示。
接著執(zhí)行區(qū)域分類命令，此命令的作用是對曲面的類型進行定義，可選的類型有平面、圓柱面、圓錐面、球面、拉伸面、旋轉面、掃掠面等常見初等曲面，用戶可以采用自動分類使系統(tǒng)自行分析選擇。若自動分類的結果不理想，則可點選曲面，再選擇相應的曲面類型，如圖5所示。
最后執(zhí)行擬合曲面命令，系統(tǒng)按用戶所選的曲面類型擬合出NURBS曲面，如圖6所示。
3 正逆向混合模型重建
3．1 參數(shù)化建模概念
為了使產品能再設計，零件模型應易于修改。參數(shù)化設計方法將模型中的定量信息變量化，使之成為可任意調整的參數(shù)。對變量化參數(shù)賦予不同數(shù)值，就可得到不同大小和形狀的零件模型。在CAD中要實現(xiàn)參數(shù)化設計，建立參數(shù)化模型是關鍵。參數(shù)化模型表示了零件圖形的幾何約束和工程約束。幾何約束包括結構約束和尺寸約束。結構約束指幾何元素之間的拓撲約束關系，如平行、垂直、相切、對稱等。尺寸約束通過尺寸標注進行約束，如距離、角度、半徑等。工程約束指尺寸之間的約束關系，通過定義尺寸變量及它們之間在數(shù)值和邏輯上的關系來表示。
從曲面轉實體建模的結果來看，模型特征草圖的幾何元素能夠實現(xiàn)約束關系，然而特征之間卻無法建立約束關系，因而不能完全滿足參數(shù)化建模的要求。可見，在后續(xù)的實體特征建模過程中，必須滲透參數(shù)化建模方法，以達到產品再設計的目的。
3．2 模型重建具體操作
創(chuàng)建3個半圓柱模型，屬于拉伸特征，需要獲得的數(shù)據(jù)為草圖平面、草圖、拉伸長度。如圖7所示，在Geomagic Studio中將相關曲面通過參數(shù)交換命令轉換至SolidWorks軟件。
得到轉換的曲面后，先要獲得草圖平面。本實例是一個兩側對稱的模型，因此3個半圓柱體的草圖平面應為對稱中心平面。以半圓柱體兩端面為參照物創(chuàng)建出對稱中心平面，如圖8所示。
接著需創(chuàng)建拉伸所用的草圖，參照物為3個圓柱面與對稱中心平面。隱藏不需要的平面，將圓柱面延伸至中心平面，以對稱中心為草圖平面創(chuàng)建草圖。選取3個圓柱面、底平面和對稱中心平面，執(zhí)行交叉曲線命令，草圖中獲得3個圓和l條直線。對草圖進行編輯，以便后期參數(shù)化管理。刪除草圖中原有的約束，使草圖與參數(shù)曲面脫離父子關系，便于后期更改尺寸。對草圖添加約束、標注尺寸，并作適當修改。上述操作完成后，對草圖進行拉伸， 參照物為逆向軟件轉換而來的圓柱兩端面，如圖9所示。
所有特征按類似步驟建立后，經過抽殼、細小特征建模等操作，最終得到模型如圖l0所示。
4 總結
筆者針對結構類產品研究了正逆混合的建模方法。采用逆向軟件對離散數(shù)據(jù)進行處理，獲得參數(shù)化曲面數(shù)據(jù)。并且將這些數(shù)據(jù)轉換至正向軟件。使用正向軟件按傳統(tǒng)設計方法進行模型重構，在建模過程中建立符合設計意圖的特征約束，得到參數(shù)化設計的模型。建模和設計結果表明：筆者所用的建模方法有效提高了建模效率，模型符合參數(shù)化要求，有利于產品的二次開發(fā)和創(chuàng)新設計。
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