1 引言

    隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，用戶對(duì)產(chǎn)品的要求越來越高，除了要求能滿足正常的功能，還對(duì)產(chǎn)品的外觀提出了新穎性和個(gè)性化的要求，因此許多產(chǎn)品就需要有著較為美觀的異性曲面，包括機(jī)械、電子、日用等產(chǎn)品。為了縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的研制開發(fā)成本，常常采用逆向工程技術(shù)與快速成型技術(shù)來完成產(chǎn)品的快速數(shù)字建模。逆向工程技術(shù)是對(duì)已有先進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)行分析、改進(jìn)或發(fā)展創(chuàng)造新產(chǎn)品的一種產(chǎn)品開發(fā)方法，也是將三維物理實(shí)體幾何信息數(shù)字化一系列技術(shù)手段的總稱�？焖俪尚图夹g(shù)是將三維CAD模型迅速轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型。這項(xiàng)技術(shù)是從已有的先進(jìn)產(chǎn)品出發(fā)，經(jīng)過精密測量，三維重構(gòu)，再現(xiàn)其形狀結(jié)構(gòu)特征并獲得所有制造加工數(shù)據(jù)，然后或經(jīng)過柔性制造系統(tǒng)輸出產(chǎn)品，或經(jīng)過快速原型制造做出樣品原型，加以修改后再進(jìn)入柔性制造系統(tǒng)。逆向工程信息流如圖1所示。

圖1 逆向工程信息流程

    下面以小龍人玩具為設(shè)計(jì)對(duì)象，介紹其逆向工程技術(shù)與快速成型技術(shù)的設(shè)計(jì)方法。

2 數(shù)據(jù)的提取

    產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)過程中對(duì)產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)采集尤為重要，采集的數(shù)據(jù)對(duì)后期的數(shù)據(jù)處理有著至關(guān)重要的影響，常用的數(shù)據(jù)提取的方法有三角形法、結(jié)構(gòu)光學(xué)法、激光干涉法、計(jì)算機(jī)視圖法、CT測量法、MRI測量法、層切法、超聲波法、接觸式坐標(biāo)測量法等。

    在此，我們采用激光掃描設(shè)備對(duì)小龍人產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。激光三維掃描儀是利用激光光刀對(duì)物體表面進(jìn)行掃描；由光電耦合攝像機(jī)(Charge-coupled Device，簡稱CCD)采集被測表面的光刀曲線，得到光信號(hào)，通過光電傳感器把采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電位差信號(hào)，通過處理電路將電位差信號(hào)轉(zhuǎn)化成類比的影像信號(hào)，最后通過取像卡，把類比的影像信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)像素?cái)?shù)據(jù)，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)。使用激光三維掃描儀對(duì)小龍人模型的拍攝步驟如下：①打開3D ScanWizard軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置；②啟動(dòng)光柵發(fā)射器；③系統(tǒng)標(biāo)定計(jì)算；④立體拍攝；⑤數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)出。

    在產(chǎn)品數(shù)據(jù)提取步驟中，尤為關(guān)鍵的是系統(tǒng)標(biāo)定計(jì)算和立體拍攝這兩個(gè)步驟。在系統(tǒng)標(biāo)定計(jì)算過程中，主要是建立起拍攝坐標(biāo)并設(shè)置零點(diǎn)，通過調(diào)整相機(jī)的不同角度進(jìn)行6次空拍攝獲取零點(diǎn)的6個(gè)標(biāo)定數(shù)據(jù)。立體拍攝過程中主要是對(duì)小龍人模型的各個(gè)不同角度進(jìn)行拍攝以獲取每個(gè)面的數(shù)據(jù)，而在變換模型位置，注意保證與前面拍攝位置至少有4個(gè)公共標(biāo)識(shí)點(diǎn)，以便于數(shù)據(jù)的拼接。

3 數(shù)據(jù)的處理

    由激光三維掃描儀獲取的小龍人模型為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為龐大，而處理該數(shù)據(jù)就是從中識(shí)別和抽取原有的幾何特征信息。在此，使用Geomagic軟件對(duì)小龍人點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。是美國杰魔軟件公司推出的逆向軟件，該軟件是目前對(duì)點(diǎn)云處理及三維曲面構(gòu)建最強(qiáng)大的軟件，從點(diǎn)云處理到三維曲面重建的時(shí)間通常是其他軟件的三分之一。數(shù)據(jù)處理遵循點(diǎn)階段一多邊形階段一成型階段三個(gè)密不可分的階段作業(yè)流程，可以輕易地從點(diǎn)云創(chuàng)建出完美的多邊形模型和樣條四邊形網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換成NURBS曲面，建模效率非常高。新增的Fashion模塊可以通過定義曲面特征類型來捕獲物理原型的原始設(shè)計(jì)意圖，并擬合成準(zhǔn)CAD曲面。

    3.1 點(diǎn)階段

    小龍人點(diǎn)云數(shù)據(jù)中含有比較多的離散點(diǎn)，這些點(diǎn)通常都是遠(yuǎn)離我們的主點(diǎn)云并且并不參與我們想要的任何幾何形狀的表達(dá)。而這些點(diǎn)的產(chǎn)生通常是因?yàn)槲覀冊(cè)趻呙柽^程中無意中從背景中取得的，比如是工程臺(tái)、房間的墻壁或是工件的支撐架等等。結(jié)合以下方法可以去除特征：①用選擇工具手動(dòng)移除游離點(diǎn)；②對(duì)于比較靠近主云點(diǎn)的非主云點(diǎn)，可以設(shè)置非連接項(xiàng)的“尺寸”數(shù)值來選擇刪除，該“尺寸”可設(shè)置為5.0；③對(duì)于還殘留的體外游離點(diǎn)，可以體外孤點(diǎn)的“敏感性”為85左右來刪除；④在掃描過程中，由于掃描設(shè)備輕微震動(dòng)、掃描校準(zhǔn)不精確或被掃描物體表面準(zhǔn)備處理不好等原因，有可能將一些噪聲點(diǎn)引入數(shù)據(jù)中，表現(xiàn)為曲面對(duì)象粗糙、不均勻。為了減少這些噪音點(diǎn)，可以使用減少噪聲。具體操作為：從Points（點(diǎn)）菜單中選擇ReduceNois（減少噪音）或者直接點(diǎn)擊圖標(biāo)進(jìn)入減少噪音選項(xiàng)頁。選擇Free-form shapes（自由曲面形狀））如果模型有很多銳邊或者小細(xì)節(jié)需要保留，可選擇Prismatic shapes（棱柱形）），并切拖動(dòng)Smoothness Level（光滑程度）動(dòng)條到中間位置，Iterations（插值）設(shè)為3便可，然后點(diǎn)確定就可以進(jìn)行減少噪音的過程，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)利用噪音點(diǎn)進(jìn)行平均化以得到更光滑的表面；⑤通過統(tǒng)一采樣設(shè)置點(diǎn)間距為0.6來減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)；⑥封裝數(shù)據(jù)：通過設(shè)置目標(biāo)三角形數(shù)目把小龍人點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)化為多邊形模型。

    3.2 多邊形階段

    對(duì)于多邊形階段，主要是對(duì)整個(gè)小龍人模型的缺口進(jìn)行補(bǔ)修，并得到更光滑的面。結(jié)合以下方法：①利用填充孔功能可在缺失數(shù)據(jù)的區(qū)域里來創(chuàng)建一個(gè)基于曲率的填充（curvature-based filling）或一個(gè)平面填充(flat fill)，把小龍人多邊形多邊形模型的孔進(jìn)行填充；②通過打磨工具對(duì)小龍人模型表面凹凸不平的地方進(jìn)行光滑修復(fù)；③通過去除特征對(duì)模型的腫塊和壓痕；④通過簡化多邊形來減少小龍人模型的三角片數(shù)量。

    3.3 成型階段

    成型階段即曲面階段，主要是把小龍人多邊形模型轉(zhuǎn)化為曲面模型，并輸出常用的三維模型編輯格式，以便使用別的軟件進(jìn)行下一步的編輯。曲面階段可以通過以下幾個(gè)步驟來完成：①通過修復(fù)相交區(qū)域來檢測是否存在相交的區(qū)域；②探測輪廓線：設(shè)置“曲率敏感性”為70.0，設(shè)置“分隔符敏感度”為40，設(shè)置“最小區(qū)域”為71.31，敏感性”為50，即可根據(jù)模型的形狀描繪輪廓線；③通過構(gòu)造曲面片，把模型劃分為多個(gè)小曲面片；④對(duì)輪廓線進(jìn)行“升級(jí)/約束”，分隔輪廓線與各曲面片；⑤定義劃分曲面片：通過添加/刪除2條路徑等來編輯輪廓線區(qū)域；⑤通過編輯曲面片移動(dòng)模型上的頂點(diǎn)，從而調(diào)整各個(gè)曲面的平滑度；⑥定義曲面細(xì)節(jié)總數(shù)：構(gòu)造模型格柵，細(xì)分各曲面；⑦最后把模型擬合成NURBS曲面；⑧把文件保存為STL格式，以便在別的軟件可以繼續(xù)編輯。

    對(duì)于小龍人模型的數(shù)據(jù)處理，已從點(diǎn)云階段轉(zhuǎn)化成曲面階段，提取了大部分的曲面幾何特征信息，轉(zhuǎn)化成我們都熟悉的幾何特性，再次基礎(chǔ)上還可以對(duì)小龍人模型進(jìn)行改造，創(chuàng)新。

4 數(shù)據(jù)輸出

    獲取小龍人模型常用格式文件后，需要對(duì)小龍人進(jìn)行加工制造成成品，在此，我們采用FDM快速成型機(jī)設(shè)備加工小龍人。FDM快速成型，絲狀材料選擇性熔覆(Fused Deposition Manufacturing，簡稱FDM)，又稱熔融沉積造型。FDM工作原理：①絲狀熱塑性材料材料由供絲機(jī)構(gòu)送進(jìn)噴頭，在噴頭中加熱到熔融態(tài)；②熔融態(tài)的絲狀材料被擠壓出來，按照計(jì)算機(jī)給出的截面輪廓信息，隨加熱噴頭的運(yùn)動(dòng)，選擇性地涂覆在工作臺(tái)的制件基座上，并快速冷卻固化；③一層完成后工作臺(tái)下降一個(gè)層高，再進(jìn)行下一層的涂覆，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。在快速成型過程中，關(guān)鍵是對(duì)分層參數(shù)的設(shè)置，分層參數(shù)影響著產(chǎn)品最終的加工質(zhì)量。在經(jīng)過四小時(shí)的三維打印后，小龍人成品在設(shè)備的工作室中已完成，如圖2所示。

圖2 小龍人成品

5 結(jié)束語

    通過以上實(shí)驗(yàn)，結(jié)合逆向工程技術(shù)與快速成型技術(shù)可以加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，縮短制造產(chǎn)品的時(shí)間，便于對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)新修改，大大降低了產(chǎn)品的成本，提高產(chǎn)品制造效率。

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