基于3-matic的RE/RP直接集成与再设计

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在科学技术日新月异的大环境下，要保证竞争实力就需要不断创新、引进、吸收新的技术和方法，其中以创新最难 ，而引进和吸收新的技术成为提高竞争力的重要因素。逆向工程技术(RE)是对实物原形进行数据采集，经过数据处理、三维重构等过程，构造具有形状结构的原形的三维模型。然后，在对原形进行复制或在原形的基础上进行再设计，实现创新f1]§速原型技术用现代的高科技手段和技术来改造传统的产品设计方法，能够促进产品在虚拟设计、产品创新、并行设计和管理模式的变革，对产品设计开发提供了新的途径日∠为常见的-种途径是以CAD模型数据为起点，转换成STL文件格式，以某-坐标方向将模型按-定厚度切片分层，通过逐层增加的方法把每-层加工出来，即得到整体模型。逆向工程的终点即为快速原型的起点，将二者结合起来可大大缩短产品设计与制造周期，有效地引进、吸收和改进现有技术。

当前大多数 CAD造型软件都有生成STL格式(快速原型机普遍支持格式)文件的功能。如在UG软件中只要在保存时选择格式为STL，并给定-定的精度，就可以完成对STL格式文件的输出。但这些CAD软件系统不能有效地将STL模型进行逆向的逻辑操作，如拼合和分割等处理[31。而且在此过程中存在两次转换(STL模型--般CAD模型-sTL模型)使得处理后的STL模型的精度大大地降低，甚至出现缺陷 。3-rnatic软件包含了点云处理和网格模型修复等功能，提供草图和CAD拈，可实现从产品设计到产品制造的快捷方式。3-matic的所有操作都是基于数字化的形式(基于三角面片)进行处理，可以直接减少逆向工程和传统 CAD之间循环的反复，直接由STL格式进行后续 RP处理。它改变了产品设计从准备到产品研发制造流程之间的不断反复的过程，减少了各正逆向软件之间的相互转换次数。这样，缩短了产品设计时间和避免了多次转换所带来的误差影响。通过 3-matic软件处理最后得到的STL文件导人快速原型机即可实现再设计结果的快速制造。

2 RE/RP的集成方式通过RE/RP集成可减少产品设计与制造周期，对市场反馈来稿日期：2012-08-10基金项目：国家自然科学基金(51105078，50805025)；东莞市高等院衅研机构科技计划项目资助(201010810205)作者简介：王学鹏，(1988-)，男，湖南人，研究生在读，主要研究方向：逆向工程：成思源，(1975-)，男，重庆人，博士，教授，主要研究方向：逆向工程与计算机辅助测量第6期 王学鹏等：基于3-matic的RE/RP直接集成与再设计 249信息及时做出改善和有效提高，是当今形势下提升竞争力的-种重要的方法。国内外常见的集成方法有以下几种，如图 1所示陶。

方法①对测量得到的零件表面点云数据进行特征识别，提取出面片的边界特征点，拟合边界曲线，构造出零件的CAD模型，然后将 CAD文件转换为快速成型设备可以接受的STL格式，再对其进行分层处理得到截面数据，进而可用于快速原型同；方法②跳过导人CAD软件这-步，将点云数据经去噪、采样及多视对齐等处理后，再利用三角剖分算法直接生成STL文件；方法③对CAD文件直接切层，将测量数据经曲面重构软件拟合生成曲面CAD模型，然后通过平面与曲面求交算法直接产生等高线形式的RP层片文件 ；仔细分析RP系统的工作原理，不难看出RP制作的基础是零件的轮廓信息，据此生成数控代码来指导原型制作，方法④直接将点云数据经预处理，通过保留特征轮廓数据点直接获得RP层片数据日。

这4种集成方法各有优缺点。方法①的优点在于有很多成熟的商业软件可以使用，并且生成的曲面模型能够方便地应用于优化设计、工程分析、生成刀具路径等，但散乱的点云数据处理和各个曲面的重构都将花费大量的时间，并且这个过程对于有经验的人员来说仍是比较困难的。方法③虽也能运用很多三维造型软件，但需要大量的时间和经验丰富的操作人员。对比方法①，由于此种方法是对 CAD文件的直接切层，需要转换成 RP系统接收的文件格式，并且将零件复杂及精度较高的CAD模型转换成STL模型时会产生很多缺陷。方法④虽然大大简化了集成过程，绕开了通常需要熟练技巧和经验的 CAD建模环节，但此种方法只适用于对现有模型的简单复制，不能在集成的过程中加入新的设计和想法。方法②虽也需要将点云形成STL文件，但这种文件格式是大部分陕速原型机通用的格式，应用广泛；而且与方法( 湘 比，避免繁琐的点云CAD造型，属于RE/RP的直接集成。RE/RP集成方式，如图 1所示。在得到修复好的STL文件的情况下，根据市场反馈的信息或者其他意图，对模型进行改进或加入新的设计，导人快速原型机进行实体加工。这种方法缩短了产品设计和制造周期，降低设计成本，对提高竞争力有很大的帮助。正是采用这种方法。

图 1 RE/RP集成方式Fig.1 Interfacing Modes Between RE and IRP3基于3-matic的RE/RP集成与再设计3-matic软件是由比利时某公司开发，是直接对点云数据进行重建和操作设计的工具，它提供了-个可选的快速处理方式，与传统CAD软件不同之处在于传统CAD软件大多通过NURBS的点、线、面三种几何元素描述模型，而3-matic用单-的三角片元素表示模型。单-的三角片元素减少了不同元素之间繁琐的几何关系运算，使得模型处理更快捷。提出的操作流程，如图2所示。为了得到质量较好的网格模型文件，首先需对扫描数据进行点云前处理操作，因质量好的模型文件可大大减少后期修复工作；然后对网格模型进行修复处理，这样可保证得到的模型没有几何上的缺陷；最后根据具体模型特点和市场情况加以再设计。

综上可知，整个操作流程都是在同-软件下进行，对象都是简单的网格模型，这样可大大缩短产品设计周期。

3.1点云前处理将扫描所得的点云数据导人3-matic软件中，因扫描的过程中不可避免的带入噪声点，为了保证后续处理的准确性，首先进行去噪处理。同时由于扫描所获得的点云数量巨大，而且很多数据在网格化过程中是多余的，所以要对其进行采样处理，根据零件的复杂情况选择具体的参数来保证采样的准确性。然后对点云进行网格化操作，3-matic根据已有的点云数据通过表面三角剖分法形成网格化模型。

32网格化模型修复网格化模型是以三角形集合来表示物体外轮摩 形状的几何模型，由三角形的三个顶点坐标和三角形面片的外法线矢量来表示，即STL文件即为多个三角形面片的集合。离散的点云数据在生成网格化模型的过程中会不可避免引人问题，这-阶段的任务就是修复网格化模型的错误，直至与原物模型-样。主要包括调整法向、粘贴缝隙、补洞等操作。

3.3再设计阶段通过上述步骤得到的零件模型通过形成STL文件并分层处理后，可直接导人快速成型机，但这只是对原物的简单复制。在此基础上添加新的设计不仅能够对市场反应做出迅速调整，也能避免产权纠纷问题。再设计过程可以运用到草图、CAD拈等功能，实现对已有模型的更新。当然，再设计对于具体的例子有不同的设计方法，就通过下面这个例子来说明整个集成的过程。

实物模型l数据扫描. .. -. .. .. J-.-..--点云前处理生成 STL模型jSTL模型修复J，再设计. - . . . L..-。

快速原型3-matie处理图2基于 3-marie的RE/RP集成处理流程图Fig.2 The Integration Process Flow Chart Based on 3-matie