摘要：逆向工程是一门先进的制造技术，它是CAD应用技术里面的一个重要分支。文章运用逆向工程技术，以某坭兴陶器形为研究对象，重点阐述了如何通过激光扫描、点云处理、曲面重构、三维实体建模四大步骤构建产品三维模型数据库的流程及关键技术点。通过三维模型数据库的重构，可实现产品三维数据的永久保存，缩短产品的开发周期，实现产品标准化与信息化，具有一定的现实意义与实用价值。
关键词：坭兴陶；逆向工程；数据采集；实体建模
1坭兴陶器形发展现状及存在的问题
1.1坭兴陶器形发展现状
坭兴陶作为中国的四大名陶之一，素有“万年桂陶，千年传奇”之说。它以浓厚的地域风情，丰富的民俗文化而享誉国内外。作为一个有明显地理标志的产品，它以紫红陶土为原料制成陶器?料，在坯体上雕刻诗文和绘画，经过坭兴陶烧制技艺烧制后形成，象征着人民的形态意识，精神追求和艺术情趣。其发展历史悠久，鼎盛于清末民初年间，100多年来，多次参加国际和部级展览会评比并获得大奖40多项，坭兴陶产品远销东南亚、东欧、美洲以及港澳台等30多个国家和地区，驰名海内外。但随着历史的变迁，岁月的流逝，及人们的不够重视与保护，一些优秀作品已消失在时光长河中。
1.2坭兴陶器形传承中存在的问题
据相关资料显示，坭兴陶作为一种工艺品在其保护与发展过程中，存在着以下问题：一是随着时间的流逝，历史上一些优秀的作品不可避免慢慢地劣化；二是早年的一些优秀工艺作品受到科技的限制，没有形成相关的设计图纸；三是伴随着商品经济的发展，市场对新产品开发的速度与质量要求更高[1]。近年来在政府的重视与引领下，坭兴陶产业又赢来了发展高潮。与此同时对已出土产品的保护，对样品的再创造要求也日益提高，但目前无论保护方面还是再开发过程基本上都采取传统的方式，即实物保存，二维图像存贮、人工复制，正向设计，其缺点是费用成本高，人力成本大，对工匠技艺要求高，且无法避免其劣化，设计周期长。如何应用现代科技手段完整真实地保存其三维形态与数据，并实现产品的再创造是一个时展迫切需要解决的问题[2]。
2逆向工程
逆向工程（ReverseEngineering，RE），也称为反向工程，即以实物样件为基础，通过三维测量设备对产品进行数据采集，获取其真实有效的三维几何信息，并对其进行点云处理，曲面构建，实体造型，建立样件的三维模型，并以此为依据加工出产品的一种先进技术，它能将已有产品或实物模型转换为工程设计模型，并在些基础上对已有产品进行解剖，深化和再创造[3]。其流程如图1所示。其关键的技术有两点：一是数据的采集，它是能否完整正确清晰反应样件真实面貌的关键，一般使用三坐标测量机或激光扫描测量装置来获取物体表面的特征数据。二是逆向建模，逆向专用软件有Surfacer，geomagicstudio，实体建模软件有solidwork、pro/e、UG，一般在进行逆向工程时将两种软件结合使用，即采用逆向专用软件对数据进行点云处理，再用建模软件进行曲线构造与实体造型。
3坭兴陶器形传承在逆向工程的应用
3.1坭兴陶样件的选取
铜鼓作为一种打击乐器，是中国古代悠久而灿烂文化的结晶，是中国少数民族先民智慧的象征，它具有东方艺术的特色，是世界文化艺术宝库之珍藏，至今在广西河池的瑶族都流传铜鼓舞。茶有着悠久的发展历史，它起源于中国，茶文化常常代表中国精神的象征。文章选用融入铜鼓元素与茶艺元素的坭兴陶铜鼓茶罐为研究对象，如图2所示，它由罐身和罐盖组成，具有少数民族文化的特色，具有浓郁的地方风情，具有一定的代表性。
3.2点云数据的采集
点云数据的采集是逆向工程的第一步，数据采集的是否完整、快速、正确是样件3D模型能否高精度重构的第一步。通常数据采集的方式是三维数据坐标采集法，它根据产品的精度、外观、周期、经济等要求不同又可采用接触式测量方法与非接触式测量方法。接触式测量方法会根据样件的形状不一需要制造专用夹具，且扫描过程为逐点扫描，从而引起成本过高，周期过长等问题，此处对样件采用非接触式测量方法。文章选的样件在罐身和罐盖上都存在着大量的细小花纹，它由较为复杂的自由曲面组成，在对这些曲面进行数字化处理时，尺寸精度要求相对弱化，工艺性、美观性、可制造性、经济性是它相对需要考虑的主要因素，也是扫描的重点与难点。综合以上因素，文章采用非接触式测量方法中的激光三角形测量法。具体扫描仪器选用PRINCE系列手持式三维激光扫描仪，其扫描精度为0.03mm，扫描分辨率为0.05mm，扫描速率为480000次测量/s，扫描时将模式设为R标准扫描模式，首先在样件上取几个固定视觉标记点，以方便确定仪器在扫描过程中的空间位置，再手持探测头，利用7束交叉红色激光，对样件进行快速扫描和超精细扫描，为了保证扫描数据的完整性，扫描时需要变换不同的扫描角度，同时为了保证扫描数据的准确性及精度，扫描时还需保证激光垂直于花纹的缝。
3.3点云数据的预处理
测量的点云数据通常在排列上是无序的、没有规律的。在进行数据采集时，为了获取大量而足够多的数据以保证扫描的准确性，打描精度参数通常会设得比较高，从而使数据不可避免地出现冗余点；测量方法，系统误差，随机误差等因素使数据出现明显或不明显的噪音点；人为测量方法的错误，从而使数据出现杂点，对点云数据的预处理是逆向工程中的关键步骤。目前比较流行的逆向专用软件有Surfacer，geomagicstudio，文章选用geomagicstudio软件对点云数据进行预处理。在进行点云数据预处理时按四大步骤来进行：删除杂点，去除噪音点，点云数据精减，构建拟合线。其关键技术点在于识别有用的数据，把多余的点删除掉，将无序的点云进行区域分割，剖切。点云数据预处理完成后，导出*.igs格式文件保存。
3.4曲面重构
曲面重构是逆向工程中最难的部分，它能构建正向设计CAD软件能够识别的曲面，以方便实体建模及进一步的编辑与处理。在逆向工程中比较成熟的曲面重构方法有二种：一是基于三角Bezier的三角曲面构建法；二是以Bezier曲面、B-Spline、NURBS曲面为基础的四边域曲面构建法。三角形曲面构建法不符合产品描述标准，不能反映零件的高层次几何特征，在曲线的光滑度与精度上不太理想，故常采用四边域曲面构建法，文章采用四边域曲面构建法。在构建时需根据曲率的不同划分网格，调整同一网格中所有曲线的起始点并保证其相同，调整起点终点连接的光滑度，调整曲线的切向方向等，并需不断地尝试不同的构建方式，以保证曲面的光滑度与精度，最终形成许多形状与大小不一的NURBS曲面。在构建曲面的过程最关键的技术在于对花纹形状、花纹深度及花纹分布的把握。构建完成后导出*stl格式文件保存，如图4所示。该文件可直接用于3D打印，以方便快速成型，减少开发周期。
3.5CAD三维实体建模
CAD三维实体建模是实现产品数据数字化，产品数据信息化，产品三维模型永久保存的最后步骤，是产品再设计，产品快速成型，产品批量生产的基础[4]。常用的CAD正向设计软件有SolidWork、Pro/e、UG、FreeForm，样件整体外形简单且规则，其上的花纹细小复杂，故采用FreeForm与UG两种软件结合对其进行三维实体造型。FreeForm主要生成花纹实体部分，UG用于生成其他实体部分。主要步骤：将*.stl格式的文件导入软件；调整坐标系使两软件中的坐标系保持一致；采用旋转、缝合曲面、生成实体、放样切除等生成罐身罐盖主体；采用样条扫描生成罐盖手柄部分；采用扫描面画线，投影曲线生成字体部分；最后倒圆检查是否有重合体。在此过程需要注意罐身与罐盖的大小是否契合，是否满足装配要求。完成后导出*stp格式文件保存。
4结束语
文章利用逆向工程思维，以具有民族特色和地方风情的坭兴陶铜鼓茶罐为研究对象，采用手持式三维激光扫描仪来获取样件外形的真实点云数据，运用逆向工程软件geomagicstudio对点云数据进行预处理和NURBS曲面重构，运用正向设计软件FreeForm与UG来构建三维实体模型。通过运用逆向工程构建坭兴陶器形的三维数据，有利于产品三维数据的永久保存，有利于缩短产品的开发周期，有利于实现产品标准化、系列化与信息化，希望为坭兴陶器形的研究与传承提供一些新的现代化思路。
参考文献：
[1]张荣强.逆向工程技术在古典家具保护方面的应用与研究[J].机械设计，2013，30(1):101-103.
[2]王刚.钦州坭兴陶产业数字化发展对策研究[J].开封教育学院报，2016，36(11):283-284.
[3]王海南.逆向工程技术在贵州少数民族文化遗产保护中的应用研究[D].贵州:贵州大学，2008.
[4]公丕平，刘武强，周付明.工程装备逆向建模中的点云配准技术研究[J].机械管理开发，2019，34(6):239-242+280.
作者:黄善厚 龙燕燕 单位:广西英华国际职业学院