基于逆向工程的吹风机后盖造型设计

赵让乾，马宗正

(河南工程学院 机械工程学院，河南 郑州 451191)

基于逆向工程的曲面设计为曲面造型设计提供了一种便捷方法，以现有的某型吹风机后盖为参照，通过逆向工程快速完成吹风机后盖的改造设计，为新产品投放市场赢得了时间.

1 吹风机后盖外形曲面的分析

某吹风机后盖实物如图1所示.该吹风机后盖造型别致、美观，但头部镂空设计造型复杂、通风效果欠佳.以其为参照，保留其造型别致美观的特点，改变其头部造型，增强它的通风效果，使之更简单实用.改造设计以后的造型如图2所示.

图1 吹风机后盖实物Fig.1 Hair dryer back cover material

图2 改造设计后的造型Fig.2 The modelling of design modification

2 吹风机后盖的逆向工程设计

逆向工程又称为反求工程，它是根据已存在的产品模型逆向推出产品设计数据的过程，包括材料反求、造型设计反求和工艺反求等.造型设计反求是逆向工程一个重要的方面，它针对现有产品，利用3D测量扫描仪器准确、快速地测量工件的轮廓形状，获得其轮廓上大量点的坐标数据，即点云，再利用点云处理软件对点云数据进行处理，如降噪或精准配置等，最后通过三维造型软件进行二次曲面重构就可获得新的模型.

3D扫描仪可分为接触式和非接触式三维扫描仪.其中，非接触式三维扫描仪又分为光栅三维扫描仪和激光扫描仪.吹风机后盖的逆向反求工程采用了某三维光学面扫描仪，如图3所示.该扫描仪属于光栅三维扫描仪，单幅扫描一次可获得1 300 000～6 600 000的点云，点云的点间距为0.02～1 mm，测量精度为0.008～0.05 mm，单幅(最大3 m幅面)测量速度为3～6 s[1].

2.1 吹风机后盖实物的前处理

吹风机后盖实物为深红色，由于颜色太深，三维扫描时其轮廓的个别区域扫描不到，点云有破洞.为此，需要对其表面进行显影处理，通常是利用显影剂将其喷成乳白色，以利于光栅捕捉.

2.2 吹风机后盖的扫描测量

在扫描测量吹风机后盖时，首先需将其固定在平板上，然后在测量物体或固定物体的平板上贴上标志点，如图4所示.标志点粘贴时，对于小型物体，可贴在固定物体的平板上，大型物体可直接贴在物体上，标志点直接贴在实物上，扫描出有破洞的点云，需在后续的处理中修补.另外，被扫描物体与镜头的距离保持在1 m左右，使白光尽量垂直工件表面并保证“﹢”线清晰.

图3 光学面扫描仪Fig.3 Optical surface scanner

图4 涂有显影剂的壳体及标志点Fig.4 Coated with developer shell and landmark

然后进入Holon-3DS扫描仪软件界面，打开菜单【控制】/【测量头】/【启动测量头】.系统在预热2～3 min后开启，在下一步启动摄像功能以前要保证测量头最少能捕捉3个以上的绿色标志点，然后开启实时摄像功能进行扫描.

零件扫描时应注意以下问题：①显影剂的均匀性.黑色表面、透明面、反光面往往需要喷洒显影剂，边界或者曲率变化比较明显的地方显影剂通常会喷洒得不均匀，所以喷洒时要确保没有太多的缺失.②标志点的无规律性.贴标志点时要避免贴成直线式，也要避免贴成有规律的点阵，标志点应该贴得交错无序，这样才有利于捕捉及保证精度，图4为扫描剃须刀刀壳的标定方法.③边界的清晰性.待扫描零件的边界要尽量与固定板底面有一定距离，这样有利于保持边界点云数据的清晰性，精度会比较高.④标定板的无明显偏离性.标定板上贴了许多标志点，标志点是扫描时用来作为参考点的，扫描时标定板与投影光一般需要垂直，因为垂直时才能捕捉到比较多的绿点，但也可以有一定的偏角，偏角一般不允许超过30°，超过了就会捕捉不到绿点或者扫描数据有缺失.⑤扫描环境的稳定性.影响稳定性的因素很多，主要有强光照、热对流剧烈等引起的振荡，还有测量扫描过程中系统及测量对象的振动，这些现象都应该避免，否则会影响扫描数据的准确性.⑥扫描时间的规律性.开机后有时并不能立刻扫描，因为扫描仪需要预热才能够开始工作；扫描也不能一直进行，因为扫描时间达2 h以后，扫描仪的温度升高，工作效率会有所下降，扫描质量会受到影响.

为了提高吹风机后盖扫描轮廓的完整性，应该在不同的角度扫描多幅点云，然后点击工具条中的重叠面删除按钮，设定重叠面删除参数，对扫描获得的多幅点云数据进行重叠面删除合并.之后,再单击菜单项【文件】/【导出】/【保存全部】完成点云的扫描.完成的吹风机后盖点云如图5所示.

2.3 吹风机后盖点云数据处理与二次设计

对扫描得到的点云进行处理极为重要，是逆向工程中的关键技术之一.如图5所示的点云数据点达160 000以上且伴有大量重复多余的数据点，排列散乱无规律，给二次改造设计带来了困难.点云数据处理的方法主要有数据点的排序与数据平滑处理、数据简化处理等[2].吹风机后盖的点云数据处理是利用专业点云处理软件Geomagic进行的，将图5所示点云导入Geomagic后，进行点云的数据降噪和等距离简化等操作，就得到如图6所示的点云数据，此时数据点已降为数千个了.完成点云处理后将其保存为.igs格式的文件，再导入UG软件进行曲面的改造设计和重构[3].

图5 多幅点云合并后获得的吹风机后盖点云Fig.5 The blower back cover point cloud of multiple image point cloud after the merger

图6 经Geomagic简化处理后的点云Fig.6 The point cloud after Geomagic simplified

在UG中的曲面重构有如下步骤：①由扫描点构建样条曲线.通过扫描获得了曲面上大量的点数据，选取对曲面特征影响显著部位的点云通过每个点构建出特征曲线.②样条曲线光顺.对样条曲线进行光顺处理,曲线光顺时有两个设置参数，即 “边界约束”和“光顺因子”.边界约束控制曲线和其他边界曲线之间是连接关系，如相切、垂直等；光顺因子控制曲线光顺程度，其值在1～100，值越大曲线越光顺，但光顺后的曲线和原曲线的误差就越大.本次设计光顺因子选50，光顺后的曲线如图7所示.③由曲线构建曲面，曲面细节特征处理.在UG软件中，曲面构建方法很多[4]，可选网格曲线构造曲面的方法，构建出的曲面如图8所示.④吹风机后盖的二次改造设计.针对实物后盖镂空造型复杂、通风不良的情况，逆向设计时需进行二次改造设计，在UG软件中，利用绘制【草图】/【拉伸除料】等功能进行造型设计，得到了性能改善的吹风机后盖，如前面的图2所示.

图7 由扫描点构建样条曲线并进行光顺处理Fig.7 Build a spline curve by scanning spot and smoothing processing

图8 利用“网格曲面”构建的曲面模型Fig.8 Use of “meshes” building surface model

3 结语

利用逆向工程完成复杂曲面设计是一种快捷有效的方法，既可以赢得先机又能够对产品进行完善和创新设计，具有重要的现实意义.本研究说明了逆向工程设计的路线，指出了扫描点云的方法及注意事项，实现了吹风机后盖的二次改造设计，对实际生产有一定的指导意义.

参考文献：

[1] 深圳华郎科技有限公司.Holon-3DS三维光学面扫描系统使用手册[Z].2011：3-4.

[2] 陈君梅，邓学雄，周敏.基于UG软件的反求数据处理[J].工程图学报，2005(4)：231-235.

[3] 陶桂宝，徐虹.反求工程及其在UG中的实现[J].组合机床与自动化加工技术，2005(2)：131-142.

[4] 查韬，刘大慧.UG NX 6模具设计[M].北京:清华大学出版社，2009：101-110.