【正文】 e mobile phone’ s shapedesign, a method based on the integrated reverse engineering is discussed in the paper. Furthermore, the concept and method of the Reverse Engineering is also illustrated, and the step of the integrated reverse engineering of mobile phone’ s shapedesign process is presented in detail with the example of Panasonic G60. Keywords: Reverse Engineering , Point Cloud , Rapid Manufacturing , STL 1．概 述 1． 1 逆向工程原理 在瞬息萬(wàn)變的產(chǎn)品市場(chǎng)中，能否快速地生產(chǎn)出合乎市場(chǎng)要求的產(chǎn)品就成為企業(yè)成敗的關(guān)鍵。 傳統(tǒng)的復(fù)制方法時(shí)間長(zhǎng)而效果不佳，已漸漸為新型數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)所取代。另外，也可傳給一些 CAM系統(tǒng)（如： UG、 MASTERCAM、 SMARTCAM等），做刀具路徑設(shè)定，產(chǎn)生數(shù)控代碼， 由 CNC機(jī)床將實(shí)體加工出來(lái)。 高速三維掃描及數(shù)字化系統(tǒng)在逆向工程中發(fā)揮著巨大作用。激光掃描速度快、精確度適當(dāng)，并且可以掃描立體的物品獲得大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以利曲面重建。在得到產(chǎn)品的數(shù)據(jù)后，以逆向工程軟件進(jìn)行點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理，經(jīng)過(guò)分門(mén)別類、群組分隔、點(diǎn)線面與實(shí)體誤差的比對(duì)后，再重新建構(gòu)曲面模型，產(chǎn)生CAD 數(shù)據(jù)、制造或 NC 加工。 6 圖 2. 2 不同控制 點(diǎn) 建構(gòu)的 Bezier曲 線 Bezier 曲 線 有以下的特 點(diǎn) ： (1) 控制 點(diǎn) 多角形 (control point polygon) (2) 凸面被覆 (convex hull property) 曲 線 被包含在自由控制 點(diǎn) 所構(gòu)成的多角形 內(nèi) ，此性 質(zhì)對(duì) 于 處 理曲 線 相交 時(shí) 相 當(dāng) 有用。在擬合Bspline 曲面 時(shí) ，方法是 獲 得曲面 U、 V參數(shù) 方向的控制 點(diǎn) 坐 標(biāo) 值，以建立 Bspline曲面。然而 對(duì) 于平滑或有規(guī)則 性， 對(duì)稱 性的曲面， 這 種曲面擬合法 會(huì)對(duì)產(chǎn) 品在加工制造及量 測(cè) 上的 誤 差明 顯 的顯現(xiàn) 出 來(lái) ，以至于 無(wú) 法擬合出具有上述特性的曲面。 因此對(duì)于掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)而言，由于點(diǎn)數(shù)據(jù)量大以近似法來(lái)重建曲面將會(huì)較插補(bǔ)法節(jié)省控制點(diǎn)的儲(chǔ)存空間，而且對(duì)于掃描時(shí)所滲入的誤差有抑除的效果，然而，以近似法來(lái)建立曲面，卻會(huì)耗費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存及較多時(shí)間在曲面的計(jì)算上，因此我們?cè)诮⑶娴倪^(guò)程中應(yīng)配合所測(cè)量得的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目及精度來(lái)決定曲面重建所使用的方法。近年來(lái)，制造業(yè)市場(chǎng)的制造戰(zhàn)略重點(diǎn)正在發(fā)生從成本與質(zhì)量到時(shí)間與響應(yīng)的重大轉(zhuǎn)移。 RP 系統(tǒng)可分為兩大類：基于激光或其它光源的成形技術(shù)，如：立體光造型（ Stereo 9 lithography： SL）、迭層實(shí)體制造（ Laminated Object Manufacturing： LOM）、選擇性激光燒結(jié)（ Selected Laser Sintering： SLS）、形狀沉積制造（ Shape Deposition Manufacturing：SDM）等等。 STL文件格式是由美國(guó) 3D System公司于 1987年提出的，由于它在數(shù)據(jù)處理上較簡(jiǎn)單，而且與 CAD系統(tǒng)無(wú)關(guān)，所以很快發(fā)展為快速成形制造領(lǐng)域中 CAD系統(tǒng)與快速成形機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)格式。本次選用的 KREON 系列中的KZ 50是近距三維激光掃描系統(tǒng)。有時(shí)候由于零件形狀復(fù)雜，一次掃描無(wú)法獲得全部的數(shù)據(jù)，或是零件較大無(wú)法一次掃描完成，這就需要移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)零件，這樣會(huì)得到很多單獨(dú)的點(diǎn)云。 Imageware12軟件能提供很多種生成點(diǎn)的網(wǎng)格和點(diǎn)的分段工具，這些工具使用起來(lái)靈活方便，還可以一次生成多個(gè)點(diǎn)的分段。 Imageware12軟件提供很多工具來(lái)調(diào)整和修改曲線。比較曲面與點(diǎn)云的吻合程度，檢查曲面的光順性及與其他曲面的連續(xù)性，同時(shí)可以進(jìn)行修改，例如可以讓曲面與點(diǎn)云對(duì)齊，可以調(diào)整曲面的控制點(diǎn)讓曲面更光順，或?qū)η孢M(jìn)行重構(gòu)等處理。 MDT軟件包包括零件造型、零件裝配、曲面造型及二維出圖等部分。 5)切割特征：用曲面可以切割實(shí)體。 2)裝配文檔管理。完全滿足我們的要求。采用美國(guó)著名品牌 SYNARAD生產(chǎn)的金屬管 CO2激光器，功率高、速度快，無(wú)需充氣，維護(hù)保養(yǎng)容易，費(fèi)用低。它們分別是上表面，下表面，側(cè)面和倒角面。建立一個(gè)平面有很多種方法，如三點(diǎn)式，在視角平面上，平面偏移，中心法向式。由于上表面接近放樣曲面的特征，并且使用放樣得到的曲面質(zhì)量比較好，因此主要的曲面建立方法還是使用放樣。 在進(jìn)行曲面放樣操作時(shí)，必須首先對(duì)要放樣的曲 線進(jìn)行匹配，否則會(huì)出現(xiàn)扭曲等影響曲面質(zhì)量的問(wèn)題。我們理想的情況是手機(jī)外表面是正向，這里顯示的是灰色，因此需要調(diào)整。對(duì)要放樣的曲線進(jìn)行匹配。此時(shí)的投影變?yōu)?xz坐標(biāo)平面，而且要進(jìn)行兩次曲線鏡像操作，這樣才可以使建立的側(cè)面曲面足夠大，可以進(jìn)行上下表面的裁剪操作。使用 Modify —— 〉 Parameterization—— 〉 Reparameterize命令，選擇將要放樣的曲線，參數(shù)還是使用 4階 8段。在兩曲面相交處就建立了一條 3D曲線。使用 Construct —— 〉 Surface—— 〉 Loft進(jìn)行放樣操作，依次選擇兩個(gè)倒角邊曲線。分析按鍵位置分布，左右是關(guān)于對(duì)稱面對(duì)稱的，因此只 需要建立一邊的按鍵就可以。 24 具體操作：使用 Modify —— 〉 Orient—— 〉 Mirror命令進(jìn)行曲線鏡像操作，沿對(duì)稱面，距離為 0。 25 圖 4. 13曲面連續(xù) 12．誤差分析 在進(jìn)行完曲面重構(gòu)，需要對(duì)重構(gòu)的誤差進(jìn)行分析。另存是為了以后需要修改的時(shí)候方便。由于是兩個(gè)公司的開(kāi)發(fā)的軟件，各自的文 件格式不兼容，但是國(guó)際上提供了一種通用的描述三維特征的標(biāo)準(zhǔn) IGS。分步縫合完畢后，對(duì)曲面進(jìn)行整體縫合時(shí)曲面輸出形式要使用零件。按鍵要安裝到手機(jī)上，因此還需要在手機(jī)實(shí)體模型上進(jìn)行切除操作形成按鍵孔。 30 圖 4. 19手機(jī)按鍵模型 使用，修改 —— 〉偏移，把重建的按鍵曲線尺寸放大 。 手機(jī)外形已經(jīng)是手機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)有力的籌碼，采用逆向工程來(lái)開(kāi)發(fā)手機(jī)外形的方法效率高、周期短，適應(yīng)企業(yè)所要求的外形開(kāi)發(fā)針對(duì)市場(chǎng)的快速反應(yīng)。 [2] 竇忠強(qiáng) .《 實(shí)用教程》 機(jī)械工業(yè)出版社。通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我增長(zhǎng)了逆向工程和快速制造的知識(shí)。 圖 4. 21手機(jī)模型和按鍵模型配合 5．結(jié) 論 本次對(duì)松下 G60手機(jī)的外形重新建模設(shè)計(jì)，采用了逆向工程和快速制造技術(shù)。然后使用，曲面 —— 〉創(chuàng)建曲面 —— 〉平面曲面，來(lái)建立一個(gè)平面。這對(duì) MDT中的實(shí)體建模很有幫助。先縫合上表面，然后是下表面，然后是側(cè)面，最后是倒角邊。為了后期的三維模型可以在其他的三維軟件中打開(kāi)，在Imageware 中把精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)后的文件另存為擴(kuò)展名為 IGS的文件。如下圖： 26 圖 4. 14曲面誤差分析 13．?dāng)?shù)據(jù)精簡(jiǎn) 在曲面模型已經(jīng)建立起來(lái)之后，需要做的就是精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)。曲面連續(xù)性包括位置連續(xù)，相切連續(xù)，曲率連續(xù)。然后使用鏡像操作，使左右按鍵孔對(duì)稱。使用 Modify — — 〉 Snip —— 〉 Snip Surface 命令，選擇要裁剪的曲面和參考曲線進(jìn)行曲面的裁剪。使用 Construct —— 〉 Fillet—— 〉 Surface命令，選中相鄰兩個(gè)曲面，設(shè)置 基本曲率為 。也不需要進(jìn)行曲面法向的調(diào)整。接著使用 Construct—— 〉 Curve On Surface —— 〉 Project Curve to Surface 命令把該空間曲線沿對(duì)稱平面的法線方向上投影到 XZ 坐標(biāo)平面上。此時(shí)曲面將顯示紅色，背面是灰色。使用 Create —— 〉 3D Curve —— 〉 3D BSpline命令，使用點(diǎn)云捕捉建立一條 3D曲線。然后觀察曲面是否符合預(yù)計(jì)的形態(tài)，使用 Shift+D 快捷健組合，調(diào)出曲顯示狀態(tài)描述對(duì)話框，使用 Shaded選項(xiàng)。此時(shí)在 Z方向上看，這條空間曲線是比較光滑，走向也接近手機(jī)外形上表面的曲面走向。使用Create —— 〉 3D Curve —— 〉 3D BSpline命令，分別使用中心捕捉選兩球的球心，建立線段。因此可以考慮使用對(duì)稱面來(lái)建立整個(gè)曲面模型。采用獨(dú)特的均勻加熱方式，保障系統(tǒng)可平衡地加熱到最高 400℃，可兼容其它供應(yīng)商提供的成形材料。采用激光切割速度與切割功率的自動(dòng)匹配控制技術(shù)，硬件實(shí)現(xiàn)速度跟蹤，反應(yīng)速度快。 MDT智能地連接三維造型和二維視圖，簡(jiǎn)化了工程圖紙的生成過(guò)程，從三維造型自動(dòng)地生成詳細(xì)的二維視圖 —— 軸測(cè)、正交投影、剖視等。 9)工作特征：工作軸、工作點(diǎn)和工作平面。功能如下： 1)草圖特征：由草圖生成實(shí)體，支持拉伸、旋轉(zhuǎn)和掃掠。與別的三維設(shè)計(jì)軟件不同的是，它基于以被廣大的中國(guó)用戶所熟知的 AutoCAD平臺(tái)。 2．創(chuàng)建曲面。根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建曲線，可以改變控制點(diǎn)的數(shù)目來(lái)調(diào)整曲線。 3．通過(guò) 可視化點(diǎn)云觀察和判斷，規(guī)劃如何創(chuàng)建曲面。特征曲線的構(gòu)造在其中起著重要的作用。最大特點(diǎn)就是：精度高、速度快、逼近原形。 快速制造技術(shù)的優(yōu)越性和特點(diǎn)： 制造原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用； 產(chǎn)品制造過(guò)程幾乎與零件的復(fù)雜性以及幾何形狀 無(wú)關(guān)，在加工復(fù)雜曲面時(shí)更顯優(yōu)越，這是傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的； 加工周期短，成本低，成本與產(chǎn)品復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，一般制造費(fèi)用降低 50%，加工周期節(jié)約 70%以上； 產(chǎn)品的單價(jià)幾乎與批量無(wú)關(guān)，特別適合于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)； 整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化，與 CAD 模型具有直接的關(guān)聯(lián)，零件可大可小，所見(jiàn)即所得，可隨時(shí)修改，隨時(shí)制造； 與傳統(tǒng)方法結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)快速鑄造，快速模具制造、小批量零件生產(chǎn)等功能，為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力。Manu facturing：RP）技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的 加工模式，是近 20 年制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。 建立三維模型，有助于理解零件的特征，更加直觀方便，而且對(duì)于快速制造很必要。 2. 插補(bǔ)法 (interpolation) 8 以插補(bǔ)的方式來(lái)進(jìn)行曲面的建立，則是將每個(gè)截面的點(diǎn)數(shù)據(jù)，分別插補(bǔ)得到通過(guò)這些點(diǎn)的曲線，再利用這些曲線來(lái)建立一個(gè)曲面。因此 Loft曲面的擬合方式是由 兩組 一 維 的 Bspline 曲 線 擬合所 組 成。 對(duì) 于 NURBS曲 線 (nonuniformrational Bspline curve)方程式我 們 描述如下： 其中 Pi：控制 點(diǎn) N(u )： (P1)階 BSpline基函 數(shù) w：加 權(quán)數(shù) u： 參數(shù) 值 Ri,p( u ) 為 有理基函 數(shù) (rational basis function)。因此若要 將產(chǎn) 品 應(yīng) 用逆向工程的技 術(shù) ，反求出此 產(chǎn) 品的原 CAD 模型，并非 單純 的使用一種方法即可完成