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【摘 要】本文基于逆向工程技术对手机外形设计流程进行了研究，浅析了手机外形从点云数据采集、处理到生成曲面传输至CAD/CAM系统中建模的工艺流程；验证了基于逆向工程技术的手机外形重构方法。
【关键词】逆向工程；数据处理；建模
逆向工程技术是在已有的产品实物、样件或原型，通过外形数据测量与处理，构建3D实体造型，然后在实体造型的基础上进行修改或二次开发；是一个推导、优化、创新设计的过程，在保留原有产品优势的基础上，做进一步改进，从而实现产品的研发周期大大缩短，相对于正向设计工程具有降低开发成本、缩短开发周期的优势。
一、逆向工程的内涵和特征
现代工业设计与制造领域中逆向（反求）工程技术已经成为的非常重要的技术手段，从现有的产品模型经过数据分析与处理，产生相应的二维几何模型或三维模型的过程。在产品外形反求过程中，逆向工程主要包括两个方面的研究内容，一是样件表面的数字化测量技术，二是数据预处理和曲面、几何实体构建技术。逆向工程的工作流程主要包括：数据测量、处理、二维模型重构、模型分析与检测，生成符合技术指标的3D实体造型；然后对 CAD 数据进行变形设计，将修改后的数据进入下游的 RP 制造或 RT 制造，完成新产品或模具的开发与制造。
二、手机外形数据采集与处理
手机外形数据的采集是通过三坐标测量设备上，确定相应合理的测量方法获取产品零件表面的几何坐标数据（离散点）。产品零件外形数据测量与采集是逆向工程技术中的至关重要的一个环节，测量与采集数据的准确性直接影响到产品零件的进一步建模、评价、改进和制造。因此，在数据测量过重必须高精度、高效率的获取零件表面的几何坐标数据点。
（一）数据采集方法
物体本身的几何形态决定了测量分区域的边界的划分，也决定了逆向工程技术的辅助应用软件的基本功能。过大的分区，不能精确的表达曲面各部位的相关信息；分区过多，加大曲面后期拼接的工作量，为更准确的获取数据减少测量过程中所产生的误差，针对于测量设备的特点；在测量数据前将被测件表面贴上标签后，分步骤、分阶段测量数据，处理数据分批次，这样测量速度和测量精度都得到了保证。在测量时要注意以下两个因素：
（二）测量数据完整性和必要性
测量数据的完整性：通过逆向工程测量所获取的数据足以满足产品模型构建时所需的技术指标、精度、整体性要求的信息。测量数据的必要性：是指如果这些点数据不测量，产品的几何特征就不能精确完整的表达。
在逆向工程数据测量过程中既要满足数据的完整性，又需满足零件产品构建所需数据的必要性，用最简要的点云数据，构建建出最符合技术指标的3D模型，为满足测量数据完整性和必要性，尽量降低测量数据的测量次数和步骤，测量定位次数越少，产生测量误差就越小。
三、手机外形数据处理流程
（一）点云处理
通过逆向工程测量所得到的测量数据是由大量的三维坐标点所构成，同时存在大量的垃圾数据点，为使测量数据具备符合技术要求，需进一步对测量数据进行优化处理、误差补偿、数据分区域等处理。在边界附近区域和凹凸区域的测量数据中的存在坏点，对后期产品构建形成影响，所以需对所测到原始点云数据进行优化预处理，通常需要做到以下几点：
1.去掉噪音点：根据产品模型的特征，通过逆向工程软件平台对点云数据进行剔除，或生成曲线曲面数据，用过逆向工程软件相应模块工具对曲线曲面进行光顺处理并对点云数据进一步优化调整处理。
2.数据插补，在扫描过程中出现扫描盲区扫描不到的部分区域，其数据可以通过区域数据插补的方式来解决这一问题，运用到数据插补的方式，将重要部位的数据插补到曲面中进行拟合。
3.数据平滑，为消除测量中出现的噪音点可以采用数据平滑的方式进行，从而可以得到精确的模型和良好的特征提取效果，在保证所得产品数据的完整性、合理性，通过逆向工程软件实现数据平滑处理。
4.数据光顺，指测量到的模型特征表面光滑、外形理想，但由于产品本身精度的要求，不能通过大量修改测量的数据点来满足点云数据光顺的要求，由于测量环境和产品零件造型的多样化，边界区域上的重要特征点云数据要保留，需谨慎处理边界区域的坏点。
5.点云的重定位整合，在测量过程中由于零件的多样化，需在测量过程中对被测零件进行多次装夹，在测得的数据需要进行重定位整合。根据所测得点云数据的特点，本文处理点云数据的过程中，采用了坐标点对齐的方法实现点云对齐，对点云数据做进一步的优化整合。
（二）生成曲面
在逆向工程设计中，为保证扫描或拟合所得到的曲线的光顺性，通过逆向工程软件相关功能来调节、修正测量数据点，来构建光顺的插值曲线。在逆向设计中尽可能减少曲线上曲率极值点，坐标位置相近的极值点之间曲率变化尽量接近线性变化。若曲面质量不符合产品要求，需要对边界的曲线进行相切性和曲率调整，直到曲面质量符合设计标准的要求。
（三）实体的特征建模的方法及过程
通过前一过程生成的曲面数据，基于逆向工程软件进行实体化处理。在逆向工程软件平台构建手机模型过程中，需根据产品的特征逐一进行构造三维实体模型的操作，然后在实体建模的基础上进行部分特征的的构建。如：手机的按键、按键孔、屏幕区域等特征的构建。手机按键、按键孔、屏幕安装区域可采用曲线数据通过逆向工程软件的拉伸、修剪功能模块进行构建。
在设计与制造该模型时，往往根据正向思维方式生产，根据相关图纸和加工工艺的要求。逆向工程所设计到的零件重构相对于原始的设计参数存在一定误差，实物原型所生产的制造误差和在使用中的磨损和破损的误差。在对实物原型测量时，采取的测量设备和技术手段也会存在一定的误差。
参考文献：
[1]王宵，刘会霞，梁仕洪.逆向工程技术及其应用[M].化学工业出版社，2004年.
[2]施法中.计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条[M].北京：高等教育出版社，2001年.
[3]朱心雄.自由曲线曲面造型技术[M].北京：科学出版社，2005年.
[4]金涛，童水光.逆向卜程技术[M].北京：机械出版社，2003年.
[5]许智钦，孙长库.逆向工程测量技术[M].北京：中国计量出版社，2002年.
【关键词】逆向工程；数据处理；建模
逆向工程技术是在已有的产品实物、样件或原型，通过外形数据测量与处理，构建3D实体造型，然后在实体造型的基础上进行修改或二次开发；是一个推导、优化、创新设计的过程，在保留原有产品优势的基础上，做进一步改进，从而实现产品的研发周期大大缩短，相对于正向设计工程具有降低开发成本、缩短开发周期的优势。
一、逆向工程的内涵和特征
现代工业设计与制造领域中逆向（反求）工程技术已经成为的非常重要的技术手段，从现有的产品模型经过数据分析与处理，产生相应的二维几何模型或三维模型的过程。在产品外形反求过程中，逆向工程主要包括两个方面的研究内容，一是样件表面的数字化测量技术，二是数据预处理和曲面、几何实体构建技术。逆向工程的工作流程主要包括：数据测量、处理、二维模型重构、模型分析与检测，生成符合技术指标的3D实体造型；然后对 CAD 数据进行变形设计，将修改后的数据进入下游的 RP 制造或 RT 制造，完成新产品或模具的开发与制造。
二、手机外形数据采集与处理
手机外形数据的采集是通过三坐标测量设备上，确定相应合理的测量方法获取产品零件表面的几何坐标数据（离散点）。产品零件外形数据测量与采集是逆向工程技术中的至关重要的一个环节，测量与采集数据的准确性直接影响到产品零件的进一步建模、评价、改进和制造。因此，在数据测量过重必须高精度、高效率的获取零件表面的几何坐标数据点。
（一）数据采集方法
物体本身的几何形态决定了测量分区域的边界的划分，也决定了逆向工程技术的辅助应用软件的基本功能。过大的分区，不能精确的表达曲面各部位的相关信息；分区过多，加大曲面后期拼接的工作量，为更准确的获取数据减少测量过程中所产生的误差，针对于测量设备的特点；在测量数据前将被测件表面贴上标签后，分步骤、分阶段测量数据，处理数据分批次，这样测量速度和测量精度都得到了保证。在测量时要注意以下两个因素：
（二）测量数据完整性和必要性
测量数据的完整性：通过逆向工程测量所获取的数据足以满足产品模型构建时所需的技术指标、精度、整体性要求的信息。测量数据的必要性：是指如果这些点数据不测量，产品的几何特征就不能精确完整的表达。
在逆向工程数据测量过程中既要满足数据的完整性，又需满足零件产品构建所需数据的必要性，用最简要的点云数据，构建建出最符合技术指标的3D模型，为满足测量数据完整性和必要性，尽量降低测量数据的测量次数和步骤，测量定位次数越少，产生测量误差就越小。
三、手机外形数据处理流程
（一）点云处理
通过逆向工程测量所得到的测量数据是由大量的三维坐标点所构成，同时存在大量的垃圾数据点，为使测量数据具备符合技术要求，需进一步对测量数据进行优化处理、误差补偿、数据分区域等处理。在边界附近区域和凹凸区域的测量数据中的存在坏点，对后期产品构建形成影响，所以需对所测到原始点云数据进行优化预处理，通常需要做到以下几点：
1.去掉噪音点：根据产品模型的特征，通过逆向工程软件平台对点云数据进行剔除，或生成曲线曲面数据，用过逆向工程软件相应模块工具对曲线曲面进行光顺处理并对点云数据进一步优化调整处理。
2.数据插补，在扫描过程中出现扫描盲区扫描不到的部分区域，其数据可以通过区域数据插补的方式来解决这一问题，运用到数据插补的方式，将重要部位的数据插补到曲面中进行拟合。
3.数据平滑，为消除测量中出现的噪音点可以采用数据平滑的方式进行，从而可以得到精确的模型和良好的特征提取效果，在保证所得产品数据的完整性、合理性，通过逆向工程软件实现数据平滑处理。
4.数据光顺，指测量到的模型特征表面光滑、外形理想，但由于产品本身精度的要求，不能通过大量修改测量的数据点来满足点云数据光顺的要求，由于测量环境和产品零件造型的多样化，边界区域上的重要特征点云数据要保留，需谨慎处理边界区域的坏点。
5.点云的重定位整合，在测量过程中由于零件的多样化，需在测量过程中对被测零件进行多次装夹，在测得的数据需要进行重定位整合。根据所测得点云数据的特点，本文处理点云数据的过程中，采用了坐标点对齐的方法实现点云对齐，对点云数据做进一步的优化整合。
（二）生成曲面
在逆向工程设计中，为保证扫描或拟合所得到的曲线的光顺性，通过逆向工程软件相关功能来调节、修正测量数据点，来构建光顺的插值曲线。在逆向设计中尽可能减少曲线上曲率极值点，坐标位置相近的极值点之间曲率变化尽量接近线性变化。若曲面质量不符合产品要求，需要对边界的曲线进行相切性和曲率调整，直到曲面质量符合设计标准的要求。
（三）实体的特征建模的方法及过程
通过前一过程生成的曲面数据，基于逆向工程软件进行实体化处理。在逆向工程软件平台构建手机模型过程中，需根据产品的特征逐一进行构造三维实体模型的操作，然后在实体建模的基础上进行部分特征的的构建。如：手机的按键、按键孔、屏幕区域等特征的构建。手机按键、按键孔、屏幕安装区域可采用曲线数据通过逆向工程软件的拉伸、修剪功能模块进行构建。
在设计与制造该模型时，往往根据正向思维方式生产，根据相关图纸和加工工艺的要求。逆向工程所设计到的零件重构相对于原始的设计参数存在一定误差，实物原型所生产的制造误差和在使用中的磨损和破损的误差。在对实物原型测量时，采取的测量设备和技术手段也会存在一定的误差。
参考文献：
[1]王宵，刘会霞，梁仕洪.逆向工程技术及其应用[M].化学工业出版社，2004年.
[2]施法中.计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条[M].北京：高等教育出版社，2001年.
[3]朱心雄.自由曲线曲面造型技术[M].北京：科学出版社，2005年.
[4]金涛，童水光.逆向卜程技术[M].北京：机械出版社，2003年.
[5]许智钦，孙长库.逆向工程测量技术[M].北京：中国计量出版社，2002年.