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[摘 要]通过逆向建模可以实现产品设计的重现过程，对产品进行逆向分析及研究，从而对产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素进行明确了解产品主要特征。以逆向建模的方式可以得到机械装备的生产信息过程中，数据处理技术发挥了重要作用，基于此本文将以某种机械装备零件为研究对象，对逆向建模中数据处理技术应用进行分析。
[关键词]机械装备零件 逆向建模 数据处理技术
中图分类号：TH311 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0395-01
数字化测量是通过测量零件表面的三维坐标点，在非接触式测量时是利用电磁、光学、声学等技术对零件进行测量，在接触式测量时是利用触发式和扫描式基本原理对零件进行测量，无论是哪种数据获取方法都体现出数据处理技术的强大应用范围，本文将采用三维激光扫描测量系统获取实验零件的点云数据。
1、数据获取
设备零件在使用过程中可能因为搬运导致表面磨损等现象出现，为了得到较为准确的点云数据，在测量之前需要对设备进行校准，并对测量环境进行控制，保持工作温度稳定和光照均匀，为了防止光照反射对被测量物品测量准确度构成影响，被测量物品的颜色选择浅色系列，使用浅色喷漆对被测件进行事先处理。利用Faro三维测量系统的激光扫描功能，对被测件进行整体的三围信息采集，为了确保采集数据的准确度，在实验过程中分为前后两个步骤，第一步是扫描前部零件，第二部是扫描后部零件，获得两个部分的点云数据，之后将两部分数据进行整合，得到完成的被测件点云数据。
2、数据处理
利用激光扫描对被测件进行测量，由于人为等外界因素影响可能造成较大的测量误差，甚至出现大量点云数据缺失现象，因此在数据处理时就要对这部分缺失数据进行重构，以此保证点云的完整性。
2.1 多视拼合技术
多视拼合技术是指对从不同视角测量的样件数确定一个合适的坐标变换方法进行拼接，将从各个视图测量得到的点集合并到一个公共的坐标系下，从而得到较为完整的模型。如图1所示，是某机械装备零件多视拼合过程示意图，首先将前后两部分测量数据导入多视拼合软件中，进行多点注册，选择拼合的点云文件→对齐→全局注册，就得到最终拼合的零件。
2.2 去除影响
在被测件测量过程中，难免会受到周边环境、人为等因素影响，对测量结果造成不良影响，这种影响直接导致数据处理后呈现出来的模型存在缺陷。在数据处理技术中叫减噪处理，即通过点云数据的统一排布，更好的将被测件表面造型展示出来。针对扫描采集的数据存在缺陷问题，笔者建议可以先进行人工圈选删除大片孤立的点云数据，如扫描时将被测件放在设备平台上，被扫描下来的点云数据可以通过软件被自动过滤掉，这样就可以避免其他数据对被测件点云数据构成影响，大大降低误差范围，而对于误差较小的被測件可以直接通过数据平滑和数据精简进行解决。
2.3 数据平滑
在对被测件数据测量过程中产生噪声是不可避免的，那么如何在产生影响之后去除噪音提高被测件点云数据的准确性成为关键。在目前数据处理技术中，运用的数据平滑处理方法包括数字过滤器法、傅里叶级数法中导出的正弦级数法以及移动平均法中的五点三次移动平均法，不同的数据平滑处理方法最终得到的平滑效果是不一样的，对数据平滑处理所选择的方法可以根据实际需要和实验准确度要求，其本质是确保测量数据的准确性。
2.4 数据精简
数据测量是体现被测件的构造和形状最直观的方式，数据处理是对数据的采集、存储、检索、加工、变换和传输的过程，在此过程中必然会产生更多复杂的多余数据，而数据精简就是针对这些多余数据，通过精简处理将实验中多余的数据进行删除，以保证留下的数据是能够直接反映被测件的特征。点云数据精简的方法包括三角面片简化法、直接点云精简法，三角面片简化法是将点数据重构成三角面片，通过减少冗余数据，使得三角面片达到简化目的，直接点云精简法可以实现直接简化数据过程，不需要对点云数据进行三角化处理，精简速度快、效果好、效率高，应用范围更广。
3、构建模型
通过上述一系列处理方法得到较为准确的数据之后，就可以根据数据构建CAD模型。首先利用Cyclone软件将点云数据进行分块化处理，得到分成小模块后的点云数据的一部分，然后在分接处设立三四个参考点，形成多个点云模块，其次是对数据进行稀化处理，采集的很多X、Y、Z坐标相差有限，有的只有毫米级差别，在实际应用中可以将其看做多余，对这些点进行稀化处理，就可以大大减少数据量，也可以保证被测件点云数据的准确性，最后将处理后的点云数据导出，转换成CAD格式的点云数据，经过处理后的数据能够实现从100多万降低到3万的目标，这样就可以减少在CAD平台上操作步骤和复杂程度。在对机械装备零件进行模型构建过程中，我们通常都会遇到不规则形状的零件，例如叶轮或转子类产品，对于这类产品的模型构建需要注意确定第二基准轴，在建立坐标系时需要注意以下几个问题，坐标系的第二基准元素设为空，不选择任何元素，第二基准轴的确认需要通过两个过程完成，即产品在三大坐标大理石面的摆放方式和模型接近、建立CAD最佳拟合坐标系来求解第二基准轴，这样在点云数据导入CAD软件之后就可以建立基本坐标系，从而生成被测件模型。
4、模型曲面处理
要想在CAD软件中首先曲面模型构建，就要利用3DFACE、PFACE、3DMESH、EDGESURF等命令命令，就可以完成复杂平面立体或曲面体的表面的创建。首先需要在CAD中形成三围线框图形，假设模型表面画出一系列的直线及空间曲线，将这些线条在计算机中绘制出来就形成真实模型的三围线框，为了更加准确的表达被测件的曲面造型，我们将转化过的点云数据导入CAD中，用SPLINE，命令将点连接起来，就形成了一条三维曲线，无论被测件的表面形状多么复杂，我门总是可以利用这种方法形成表面的近似三维线框。绘制模型线框后，接下来就要对线框图形进行蒙面处理，至于在线框的某个部分应生成何种类型的表面，就要根据真实表面的特性来判断，然后选择相应的“蒙面”命令绘制完成。在CAD中构建曲面模型就是将点云数据作为基准线，生成被测件的曲面模型。
结语
被測件的点云数据采集和处理是逆向建模的关键，只有准确定位后才能得到相对准确的点云基础数据，由于获取点云数据过程中受到外界环境等元素干扰，导致数据失真严重，因此要对数据进行处理，通过对模型的处理和观察能够准确掌握该种产品的设计原理和组织结构，对产品更新和维护有非常重要的意义和价值。
参考文献
[1] 本刊.机械产品逆向工程三维建模技术要求[J].机械工业标准化与质量，2015，11：17-20.
[2] 刘勇，郭晟，赖啸，谢明株.3D逆向技术在复杂曲面产品反求设计中的应用[J].模具制造，2016，12：63-66.
[关键词]机械装备零件 逆向建模 数据处理技术
中图分类号：TH311 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0395-01
数字化测量是通过测量零件表面的三维坐标点，在非接触式测量时是利用电磁、光学、声学等技术对零件进行测量，在接触式测量时是利用触发式和扫描式基本原理对零件进行测量，无论是哪种数据获取方法都体现出数据处理技术的强大应用范围，本文将采用三维激光扫描测量系统获取实验零件的点云数据。
1、数据获取
设备零件在使用过程中可能因为搬运导致表面磨损等现象出现，为了得到较为准确的点云数据，在测量之前需要对设备进行校准，并对测量环境进行控制，保持工作温度稳定和光照均匀，为了防止光照反射对被测量物品测量准确度构成影响，被测量物品的颜色选择浅色系列，使用浅色喷漆对被测件进行事先处理。利用Faro三维测量系统的激光扫描功能，对被测件进行整体的三围信息采集，为了确保采集数据的准确度，在实验过程中分为前后两个步骤，第一步是扫描前部零件，第二部是扫描后部零件，获得两个部分的点云数据，之后将两部分数据进行整合，得到完成的被测件点云数据。
2、数据处理
利用激光扫描对被测件进行测量，由于人为等外界因素影响可能造成较大的测量误差，甚至出现大量点云数据缺失现象，因此在数据处理时就要对这部分缺失数据进行重构，以此保证点云的完整性。
2.1 多视拼合技术
多视拼合技术是指对从不同视角测量的样件数确定一个合适的坐标变换方法进行拼接，将从各个视图测量得到的点集合并到一个公共的坐标系下，从而得到较为完整的模型。如图1所示，是某机械装备零件多视拼合过程示意图，首先将前后两部分测量数据导入多视拼合软件中，进行多点注册，选择拼合的点云文件→对齐→全局注册，就得到最终拼合的零件。
2.2 去除影响
在被测件测量过程中，难免会受到周边环境、人为等因素影响，对测量结果造成不良影响，这种影响直接导致数据处理后呈现出来的模型存在缺陷。在数据处理技术中叫减噪处理，即通过点云数据的统一排布，更好的将被测件表面造型展示出来。针对扫描采集的数据存在缺陷问题，笔者建议可以先进行人工圈选删除大片孤立的点云数据，如扫描时将被测件放在设备平台上，被扫描下来的点云数据可以通过软件被自动过滤掉，这样就可以避免其他数据对被测件点云数据构成影响，大大降低误差范围，而对于误差较小的被測件可以直接通过数据平滑和数据精简进行解决。
2.3 数据平滑
在对被测件数据测量过程中产生噪声是不可避免的，那么如何在产生影响之后去除噪音提高被测件点云数据的准确性成为关键。在目前数据处理技术中，运用的数据平滑处理方法包括数字过滤器法、傅里叶级数法中导出的正弦级数法以及移动平均法中的五点三次移动平均法，不同的数据平滑处理方法最终得到的平滑效果是不一样的，对数据平滑处理所选择的方法可以根据实际需要和实验准确度要求，其本质是确保测量数据的准确性。
2.4 数据精简
数据测量是体现被测件的构造和形状最直观的方式，数据处理是对数据的采集、存储、检索、加工、变换和传输的过程，在此过程中必然会产生更多复杂的多余数据，而数据精简就是针对这些多余数据，通过精简处理将实验中多余的数据进行删除，以保证留下的数据是能够直接反映被测件的特征。点云数据精简的方法包括三角面片简化法、直接点云精简法，三角面片简化法是将点数据重构成三角面片，通过减少冗余数据，使得三角面片达到简化目的，直接点云精简法可以实现直接简化数据过程，不需要对点云数据进行三角化处理，精简速度快、效果好、效率高，应用范围更广。
3、构建模型
通过上述一系列处理方法得到较为准确的数据之后，就可以根据数据构建CAD模型。首先利用Cyclone软件将点云数据进行分块化处理，得到分成小模块后的点云数据的一部分，然后在分接处设立三四个参考点，形成多个点云模块，其次是对数据进行稀化处理，采集的很多X、Y、Z坐标相差有限，有的只有毫米级差别，在实际应用中可以将其看做多余，对这些点进行稀化处理，就可以大大减少数据量，也可以保证被测件点云数据的准确性，最后将处理后的点云数据导出，转换成CAD格式的点云数据，经过处理后的数据能够实现从100多万降低到3万的目标，这样就可以减少在CAD平台上操作步骤和复杂程度。在对机械装备零件进行模型构建过程中，我们通常都会遇到不规则形状的零件，例如叶轮或转子类产品，对于这类产品的模型构建需要注意确定第二基准轴，在建立坐标系时需要注意以下几个问题，坐标系的第二基准元素设为空，不选择任何元素，第二基准轴的确认需要通过两个过程完成，即产品在三大坐标大理石面的摆放方式和模型接近、建立CAD最佳拟合坐标系来求解第二基准轴，这样在点云数据导入CAD软件之后就可以建立基本坐标系，从而生成被测件模型。
4、模型曲面处理
要想在CAD软件中首先曲面模型构建，就要利用3DFACE、PFACE、3DMESH、EDGESURF等命令命令，就可以完成复杂平面立体或曲面体的表面的创建。首先需要在CAD中形成三围线框图形，假设模型表面画出一系列的直线及空间曲线，将这些线条在计算机中绘制出来就形成真实模型的三围线框，为了更加准确的表达被测件的曲面造型，我们将转化过的点云数据导入CAD中，用SPLINE，命令将点连接起来，就形成了一条三维曲线，无论被测件的表面形状多么复杂，我门总是可以利用这种方法形成表面的近似三维线框。绘制模型线框后，接下来就要对线框图形进行蒙面处理，至于在线框的某个部分应生成何种类型的表面，就要根据真实表面的特性来判断，然后选择相应的“蒙面”命令绘制完成。在CAD中构建曲面模型就是将点云数据作为基准线，生成被测件的曲面模型。
结语
被測件的点云数据采集和处理是逆向建模的关键，只有准确定位后才能得到相对准确的点云基础数据，由于获取点云数据过程中受到外界环境等元素干扰，导致数据失真严重，因此要对数据进行处理，通过对模型的处理和观察能够准确掌握该种产品的设计原理和组织结构，对产品更新和维护有非常重要的意义和价值。
参考文献
[1] 本刊.机械产品逆向工程三维建模技术要求[J].机械工业标准化与质量，2015，11：17-20.
[2] 刘勇，郭晟，赖啸，谢明株.3D逆向技术在复杂曲面产品反求设计中的应用[J].模具制造，2016，12：63-66.