仿古家具產(chǎn)品數(shù)模重構(gòu)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)制造研究

高 敏，周仁和

(淮陰工學(xué)院，淮安 223001)

0 引言

仿古家具的造型元素以曲面造型為主，其制作需要一定的文化基礎(chǔ)和扎實(shí)的技術(shù)，利用現(xiàn)有普通技術(shù)要批量生產(chǎn)制造這種類型的家具非常困難，因此目前它的價(jià)格比普通大批量生產(chǎn)的家具要高出許多。早期這類型的仿古家具的制作主要靠有著豐富經(jīng)驗(yàn)的熟練匠人，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械化加工的方法引入到家具加工當(dāng)中，形成了批量的生產(chǎn)模式和方法。這種機(jī)械化的生產(chǎn)方式的不足之處在于應(yīng)用機(jī)械在加工這些家具時(shí)，很多的裝飾性的元素很難加工出來(lái)。這一狀況隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展有所好轉(zhuǎn)，在家具加工過(guò)程中，逐步引入數(shù)字控制的概念，引入數(shù)控機(jī)床，使得這一矛盾有所緩解，但還沒(méi)有完全解決。其原因就在于在仿古家具中，造型及裝飾元素中有很多元素屬于曲面造型元素。而這些元素正是這些家具的精華所在，是最難去仿制的。因此，生產(chǎn)難點(diǎn)集中在這些曲面的加工方法上。因此要批量生產(chǎn)制造這些家具，最好采用多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，這些機(jī)床的數(shù)控代碼的生成需要三維數(shù)字模型，而這些仿古家具的裝飾造型的數(shù)模建立又非常困難，尤其是細(xì)節(jié)方面的模型重構(gòu)更是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。

采用逆向工程技術(shù)，可以快捷準(zhǔn)確的生成其三維數(shù)字模型?；跀?shù)字模型，就可對(duì)這些家具方便的進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并可以快速的導(dǎo)入CAM軟件，生成數(shù)控代碼，從而實(shí)現(xiàn)批量快速的數(shù)字化制造。另外，一般家具廠的仿古家具還存在數(shù)量雖大但款式不多，遠(yuǎn)不能滿足消費(fèi)市場(chǎng)的需求的問(wèn)題。這也需要我們擴(kuò)大仿制的古典家具的范圍，豐富仿造內(nèi)容。同時(shí)，社會(huì)的進(jìn)步又對(duì)仿制家具也提出了要求，那就是單純的仿制已經(jīng)不能滿足當(dāng)代市場(chǎng)的需求，必須把古董家具，如明清家具的特點(diǎn)融入適當(dāng)?shù)默F(xiàn)代特色，并與當(dāng)代的加工工藝、材料等相結(jié)合，才有可能設(shè)計(jì)出既具有中國(guó)傳統(tǒng)風(fēng)格又具有現(xiàn)代時(shí)尚元素的家具產(chǎn)品。

1 數(shù)模重構(gòu)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 逆向工程技術(shù)

逆向工程是將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)模型和概念模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造的過(guò)程[1]。目前逆向工程技術(shù)研究較多的是將獲得的三維離散數(shù)據(jù)作為初始素材，借助專用的曲面處理軟件完成曲面重構(gòu)，通過(guò)一定的軟件平臺(tái)，在完成產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)后，輸出NC加工指令或用STL文件驅(qū)動(dòng)快速成型機(jī)制造出產(chǎn)品或原型。其過(guò)程一般包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和曲面重構(gòu)等[2]。

1.1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集是利用特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法來(lái)獲取實(shí)物模型或零部件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，是逆向工程的最基本最關(guān)鍵的步驟[3]。點(diǎn)云的規(guī)則化程度和精度決定了曲面重構(gòu)的質(zhì)量。傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量速度很慢，只能完成很少的檢測(cè)任務(wù)，本研究采用的FARO測(cè)量系統(tǒng)適用于復(fù)雜曲面的數(shù)據(jù)采集，可高速掃描不規(guī)則曲面，能夠精確捕捉并最終形成形象逼真的三維圖像。

FARO測(cè)量系統(tǒng)是一種便攜式的測(cè)量臂系統(tǒng)，具有便攜性、高精度和易操作的特點(diǎn)，主要由FARO測(cè)量臂、激光掃描頭、三角架和電腦等組成。整個(gè)FARO測(cè)量系統(tǒng)中的主要部分為FARO測(cè)量臂，測(cè)量臂有六個(gè)光柵碼盤來(lái)記錄探頭工作時(shí)任意姿態(tài)的六個(gè)轉(zhuǎn)角，通過(guò)對(duì)固定臂長(zhǎng)及實(shí)時(shí)變化的角度的記錄，即可換算出探頭在任意位置時(shí)的坐標(biāo)值。測(cè)量系統(tǒng)的掃描頭發(fā)射出激光，照射到被測(cè)物體表面，然后利用CCD接受漫反射光成像點(diǎn)，當(dāng)漫反射光斑隨被測(cè)物體表面起伏時(shí)，成像光點(diǎn)作相應(yīng)移動(dòng)，根據(jù)光源、物體表面反射點(diǎn)和成像點(diǎn)之間的三角關(guān)系，可以計(jì)算出被測(cè)表面測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)[4]。

FARO測(cè)量系統(tǒng)所配套使用的掃描軟件為Geometric Studio，通過(guò)這個(gè)軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量面的點(diǎn)、線、面的等多種數(shù)據(jù)處理功能，可以存儲(chǔ)為IGES、STEP、VDA、STL等多種導(dǎo)入和導(dǎo)出格式，能夠滿足與其他工程軟件的相互兼容。因此，F(xiàn)ARO測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)仿古家具構(gòu)件表面甚至內(nèi)部點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自由測(cè)量。利用FARO測(cè)量系統(tǒng)掃描的基本過(guò)程如下：

1）對(duì)測(cè)量臂和激光掃描頭進(jìn)行安裝和校準(zhǔn)后，均勻噴涂顯像劑，將被測(cè)實(shí)物放置到穩(wěn)定的平臺(tái)上并固定，保證其在測(cè)量過(guò)程中不受震動(dòng)干擾；

2）開機(jī)，校驗(yàn)FARO測(cè)量系統(tǒng)接觸式探頭和激光掃描頭是否工作正常；

3）沿物體表面進(jìn)行掃描。首先進(jìn)行曝光度測(cè)試，掃描時(shí)盡量保持掃描頭與被測(cè)表面的合適距離，盡量使激光投射方向垂直于被測(cè)表面；

4）激光掃描儀能自動(dòng)記錄所獲取的曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)動(dòng)態(tài)顯示在電腦屏幕上，對(duì)未掃描到或點(diǎn)密度太小的部位可重復(fù)掃描；

5）保存點(diǎn)云數(shù)據(jù)為IGS格式，可得到仿古家具構(gòu)件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是在Geometric Studio軟件中處理所獲得的二維數(shù)據(jù)，使其符合后續(xù)操作的要求。初始掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可能存在體外點(diǎn)，同時(shí)在掃描過(guò)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處理不好等原因，有可能將一些噪音點(diǎn)引入數(shù)據(jù)中，表現(xiàn)為點(diǎn)云離散，曲面粗糙、不均勻。因此，必須對(duì)通過(guò)FARO測(cè)量所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使之更加規(guī)則化。另外，點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)密不利于后續(xù)的數(shù)據(jù)多邊形化，所以對(duì)點(diǎn)數(shù)過(guò)多的點(diǎn)云數(shù)據(jù)要進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾。

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括：

1）消除體外點(diǎn)；

2）減少噪音點(diǎn)；

3）合并點(diǎn)云；

4）減少點(diǎn)的數(shù)量。

1.1.3 曲面重構(gòu)

根據(jù)曲面拓?fù)湫问讲煌?，自由曲面建模分為兩大類：一是以B樣條或NURBS曲面為基礎(chǔ)的四邊域曲面構(gòu)造方案；二是以三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的三角曲面構(gòu)造方案[5]。三角Bezier曲面擬合具有構(gòu)造靈活、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，適合表現(xiàn)無(wú)規(guī)則、復(fù)雜型面的物體，但所構(gòu)造的曲面模型與通用CAD/CAM系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)困難[6]。本研究中利用Geometric studio軟件將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終生成高精度的NURBS四邊域參數(shù)曲面。

1）仿古家具構(gòu)件三角面片重構(gòu)

首先在點(diǎn)云對(duì)象上創(chuàng)建多邊形網(wǎng)格。一旦點(diǎn)對(duì)象被凈化和條理化，就可以用多邊形網(wǎng)格來(lái)封裝對(duì)象。

（1）填充孔。利用填充孔功能可在缺失數(shù)據(jù)的區(qū)域里來(lái)創(chuàng)建一個(gè)基于曲率的填充（curvaturebased fi lling）或一個(gè)平面填充（fl at fi lling），可以執(zhí)行全部填充、部分填充和橋填充。

（2）去除特征。利用去除特征命令可以快速去除對(duì)象上的腫塊和壓痕。該命令可以減少先刪除選中的幾何形狀、再基于曲率填充空隙的步驟。利用sandpaper(砂紙)命令來(lái)光順或松弛對(duì)象上的區(qū)域。

（3）簡(jiǎn)化多邊形。利用Decimate（簡(jiǎn)化多邊形）命令可以減少多邊形模型的三角片數(shù)量。該命令將在曲率較小的區(qū)域減少三角片，而在曲率較大的區(qū)域保持三角片數(shù)量。

然后進(jìn)入形狀編輯階段。利用多邊形模型編輯功能對(duì)不完美之處和孔進(jìn)行修復(fù)之后，即可進(jìn)入下一階段——Shape Phase（形狀階段），在多邊形對(duì)象上創(chuàng)建曲面，開始曲面擬合過(guò)程。操作方法為：點(diǎn)擊Edit(編輯)→Phase(階段)→Shape Phase（形狀階段），點(diǎn)擊OK進(jìn)入Shape Phase（形狀階段）對(duì)話框。用Auto Surface（自動(dòng)曲面）在多邊形對(duì)象上擬合一個(gè)曲面。點(diǎn)擊Patches(曲面片)→Auto Surface（自動(dòng)擬合曲面），移動(dòng)Surface Detail(曲面細(xì)節(jié))滑桿到Max（最大）。該設(shè)置將決定在多邊形對(duì)象上最終曲面將包含的曲面數(shù)量。采用軟件的誤差分析功能可以對(duì)重構(gòu)后的三角面片進(jìn)行誤差分析。

2）仿古家具構(gòu)件NURBS曲面重構(gòu)

NURBS曲面重構(gòu)是在三角面片重構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，即最終曲面成形階段(Shape Phase)，此階段主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分塊與曲面構(gòu)造功能[7]。

（1）通過(guò)檢測(cè)曲率(Detect Curvature)功能檢測(cè)家具構(gòu)件曲率，根據(jù)軟件計(jì)算的曲率結(jié)果找出多邊形數(shù)據(jù)中的特征線(Contour Line)。

（2）創(chuàng)建面片(Construct Patches)功能在多邊形數(shù)據(jù)上可自動(dòng)根據(jù)特征曲線生成四邊形網(wǎng)格，此時(shí)為不規(guī)則網(wǎng)狀。

（3）利用網(wǎng)格編輯功能將網(wǎng)格面規(guī)則化。

（4）利用創(chuàng)建柵線(Construct Grid)功能在每一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)建立UV參數(shù)線，然后使用擬合曲面(Fit Surface)功能使得每一個(gè)四邊形網(wǎng)格自動(dòng)生成GI連續(xù)的曲面片（可設(shè)置最大控制點(diǎn)數(shù)和調(diào)整公差值）。

（5）最后利用Geometric studio的誤差分析功能對(duì)NURBS重構(gòu)曲面進(jìn)行誤差分析。

曲面重構(gòu)后，可將該曲面STL數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維工程軟件，如UG中進(jìn)行再設(shè)計(jì)。

1.2 逆向工程技術(shù)實(shí)施的軟件條件

目前比較常用的通用逆向工程軟件有Surfercer ，Delcam以及Strim。本研究中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要是在Geometric Studio軟件中進(jìn)行，這是和FARO相配套的數(shù)據(jù)處理軟件。本研究的逆向工程軟件平臺(tái)為UG軟件，其逆向工程模塊可以接受點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.3 CAD/CAM技術(shù)

這里的CAD主要指的是三維CAD。在逆向工程軟件里處理完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（一般格式為IGES或STEP格式）可以直接導(dǎo)入CAD軟件，以導(dǎo)入數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，可以完成產(chǎn)品建模過(guò)程，得到產(chǎn)品的完整CAD模型，從而能夠描述產(chǎn)品的全部相關(guān)數(shù)字信息。模型制作完成后，可以在所得模型基礎(chǔ)上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，也可以通過(guò)所選擇設(shè)計(jì)平臺(tái)的工程圖模塊功能輸出工程圖。在本設(shè)計(jì)中使用的是軟件是UG。將再設(shè)計(jì)后的三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件的加工模塊中，生成刀具軌跡，判斷加工的合理性，并作適當(dāng)?shù)男拚?。等確定各加工過(guò)程準(zhǔn)確無(wú)誤后就可以進(jìn)行程序的輸出。NC加工程序生成后，再將生成的數(shù)控加工代碼送至加工中心加工完成加工。此即為仿古家具構(gòu)件的數(shù)模重構(gòu)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)制造過(guò)程。

2 結(jié)論

本研究課題以FARO測(cè)量系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用逆向工程思想對(duì)明清等傳統(tǒng)中式家具結(jié)構(gòu)、造型進(jìn)行數(shù)模重構(gòu)，并通過(guò)產(chǎn)品造型創(chuàng)新完成仿制和創(chuàng)新設(shè)計(jì)全過(guò)程，主要包括：點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲面重構(gòu)、逆向工程軟件平臺(tái)再設(shè)計(jì)和CAD/CAM數(shù)控加工等步驟。通過(guò)研究，得出結(jié)論如下：

1）FARO測(cè)量系統(tǒng)是獲取仿古家具部件中復(fù)雜裝飾面的曲面數(shù)據(jù)的重要工具；

2）基于三角化方法的曲面構(gòu)造靈活、邊界適應(yīng)性好，具有構(gòu)造復(fù)雜形狀的潛力，是仿古家具產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)數(shù)模重構(gòu)的一種有效方法；

3）在當(dāng)前制造領(lǐng)域中，逆向工程技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，也相對(duì)較成熟。但在家具制造領(lǐng)域中，尤其是仿古家具制造領(lǐng)域，其應(yīng)用還不廣泛，因而有著廣闊的研究前景；

4）本方法可以降低仿古家具制作成本、豐富設(shè)計(jì)內(nèi)涵，在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

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