基于反求工程的剃須刀造型設(shè)計(jì)

趙讓乾，劉豫喜

(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州451191)

工業(yè)設(shè)計(jì)一般都要經(jīng)歷創(chuàng)意設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)與原型制作、設(shè)計(jì)實(shí)施、投產(chǎn)準(zhǔn)備、產(chǎn)品生產(chǎn)等階段.在概念設(shè)計(jì)與原型制作階段，最先得到產(chǎn)品的油泥模型.以剃須刀油泥原型為研究對象，利用華朗三維掃描儀測出其點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio軟件進(jìn)行處理改造獲得符合要求的模型.將此模型經(jīng)過分層等操作，輸入快速成型設(shè)備制得實(shí)物模型，評估其工業(yè)設(shè)計(jì)效果.這種方法實(shí)現(xiàn)了油泥模型的數(shù)字化，設(shè)計(jì)效率高，產(chǎn)品改造方便，設(shè)計(jì)成果檢驗(yàn)直觀可靠.

1 剃須刀的數(shù)據(jù)采集

剃須刀的油泥模型如圖1所示.根據(jù)造型設(shè)計(jì)，將剃須刀零件分成5個部分，即刀頭、上蓋、中間件、前刀殼和后刀殼.然后，分別掃描測量、造型設(shè)計(jì)、快速成型，最后再裝配成一體.剃須刀三維數(shù)據(jù)的采集使用HOLON3DS光學(xué)面掃描儀.

1.1 剃須刀零件掃描步驟

根據(jù)剃須刀油泥模型的拆分結(jié)果逐個進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，掃描的具體過程如下:

(1)模型表面噴涂顯影劑.一般零件掃描時不需要噴涂顯影劑，但當(dāng)零件表面顏色過深或反光強(qiáng)烈時，HOLON3DS系統(tǒng)無法捕捉到表面有效點(diǎn)，就需要噴涂顯影劑，如圖2所示.

圖1 剃須刀油泥模型Fig.1 The clay model of the razor

圖2 零件表面涂顯影劑及貼標(biāo)志點(diǎn)Fig.2 The part of coating developer and landmark

(2)貼標(biāo)志點(diǎn)與固定零件.零件較大時標(biāo)志點(diǎn)直接貼在零件表面，零件較小時可把標(biāo)志點(diǎn)貼在固定零件的平板四周.固定零件時，應(yīng)穩(wěn)固地粘貼在平板上，掃描過程中不得發(fā)生零件移動.

(3)開機(jī)掃描.按照開機(jī)——白光——“十”字光標(biāo)——攝像頭的開機(jī)順序進(jìn)行掃描.將掃描零件調(diào)整移動到十字光標(biāo)處，零件與相機(jī)鏡頭的距離保持在1 m左右.調(diào)整零件及固定板的方位和角度，使白光垂直零件，直到平板上標(biāo)志點(diǎn)在掃描界面中出現(xiàn)至少3個綠點(diǎn)為止，單擊“掃描”按鈕開始掃描.

(4)掃描數(shù)據(jù)融合.為了求得零件完整的掃描點(diǎn)云，需多次調(diào)整零件方位，讓零件的不同部位都能有掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù).這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過融合，就可得到零件完整的表面數(shù)據(jù).多幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合后的前刀殼點(diǎn)云見圖3.

圖3 前刀殼掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.3 The scanning point cloud of razor knife shell before

1.2 零件掃描時應(yīng)注意的問題

(1)顯影劑的均勻性［1］.黑色表面、透明面、反光面需要噴灑顯影劑，顯影劑噴涂要均勻、厚薄一致.

(2)貼標(biāo)志點(diǎn)的無規(guī)律性.貼標(biāo)志點(diǎn)時要避免貼成直線或有規(guī)律的點(diǎn)陣，標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)該貼得交錯無序，這樣才有利于系統(tǒng)捕捉并保證掃描精度.

(3)邊界的清晰性.待掃描零件的邊界要盡量與底面的標(biāo)定板有一定距離，這樣有利于保持邊界點(diǎn)云數(shù)據(jù)的清晰性.當(dāng)邊界數(shù)據(jù)有較清晰的界限時，有利于反求出精確的輪廓線，給后續(xù)的處理帶來方便.

(4)掃描時固定零件的平板與投影光一般需要垂直，因?yàn)榇怪睍r才能捕捉到比較多的綠標(biāo)志點(diǎn)，也可以有一定的偏角，偏角一般不超過30°，超過了就會捕捉不到綠點(diǎn)或者掃描數(shù)據(jù)有缺失.

(5)掃描的穩(wěn)定性.影響掃描穩(wěn)定性的因素很多，主要有強(qiáng)光照、劇烈熱對流引起的振蕩，還有測量掃描過程中系統(tǒng)與測量對象的振動，這些都應(yīng)該嚴(yán)格避免，否則會影響掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

(6)掃描時間的規(guī)律性.開機(jī)后掃描系統(tǒng)需要一個預(yù)熱過程，掃描也不能持續(xù)時間太長，否則掃描儀的溫度會升高，工作效率會有所降低，掃描質(zhì)量也會受到影響.

2 剃須刀掃描數(shù)據(jù)的后期處理研究

反求掃描數(shù)據(jù)的后期處理是一項(xiàng)重要的工作.剃須刀點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理是利用Geomagic Studio軟件進(jìn)行的，分為點(diǎn)處理、多邊形處理與曲面處理3個階段.

2.1 點(diǎn)處理階段

2.1.1 去除離散點(diǎn)

掃描零件時，光線的投射范圍較大，會將一些背景物、桌面或固定零件的物體一并掃描進(jìn)來.這一類點(diǎn)遠(yuǎn)離零件輪廓，較好識別，可采用Geomagic Studio軟件提供的Rectangle Tool，Ellipse，Paintbrush，Lasso Tool等工具選擇［2-3］后刪除.另一類離散點(diǎn)距離零件輪廓較近，將其拉入主點(diǎn)云后會使曲面擬合誤差變大，可用軟件中“非連接項(xiàng)”和“體外孤點(diǎn)”功能來刪除.圖4為原始點(diǎn)云，圖5為刪除離散點(diǎn)后的點(diǎn)云.

2.1.2 減少噪音點(diǎn)

在掃描過程中，由于掃描設(shè)備微震動、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)引人數(shù)據(jù)中，表現(xiàn)為曲面對象粗糙或不均勻等.在Geomagic Studio界面上，選擇“減少噪音”——“自由曲面形狀”——拖動平滑度水平到“無”，觀察不減少噪音的情況下點(diǎn)云(曲面)的狀況，判斷是否需要減少噪音.然后，設(shè)置“迭代參數(shù)”和“偏差值”，點(diǎn)擊“預(yù)覽”，將光標(biāo)移到點(diǎn)云上左擊，再拖動“平滑度水平滑動條”從“無”到“最大”觀察，找到最平滑的值.選擇“顯示偏差”，點(diǎn)擊“應(yīng)用”，可以得到偏差色譜圖.

圖4 原始點(diǎn)云Fig.4 The original point cloud

圖5 去除離散點(diǎn)后的點(diǎn)云Fig.5 The point cloud after removal of discrete points

2.1.3 點(diǎn)云采樣

利用HOLON3DS光學(xué)面掃描系統(tǒng)掃描得到一副點(diǎn)云，點(diǎn)數(shù)據(jù)達(dá)到幾十萬個到一百多萬個，密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)雖然保證了測量精度，但給后續(xù)處理帶來了困難，所以需要對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏化和過濾.常采用統(tǒng)一采樣法，以規(guī)定的密度減少曲面上的點(diǎn)數(shù)目.首先，單擊“統(tǒng)一采樣”——“絕對”選項(xiàng)，定義“間距值”為0.3 mm，“曲率”優(yōu)先調(diào)到適中.然后，勾選“保持邊界”選項(xiàng)來保留沿邊界的點(diǎn)，經(jīng)過采樣操作后可將點(diǎn)數(shù)由336 310個減少到52 898個.點(diǎn)云統(tǒng)一采樣后，數(shù)據(jù)點(diǎn)減少了，而且還能夠保持相對精確的外形，如圖6和圖7所示.

圖6 采樣前點(diǎn)云圖Fig.6 The point cloud before sampling

圖7 采樣后點(diǎn)云圖Fig.7 The point cloud after sampling

2.1.4 點(diǎn)云封裝

封裝就是把處理過的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理，利用許多細(xì)小的空間三角片來逼近還原CAD曲面模型，所以三角片質(zhì)量的好壞直接影響后面的NURBS曲面質(zhì)量.點(diǎn)云封裝后的曲面模型見圖8.

圖8 封裝后的多邊形曲面Fig.8 The polygon surface after encapsulation

2.2 多邊形處理階段

2.2.1 填充孔

掃描采集數(shù)據(jù)時，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致多邊形曲面存在三角面孔洞，如圖9所示.孔洞的邊界往往比較雜亂，修補(bǔ)應(yīng)遵循先刪后補(bǔ)的原則，用邊界選擇工具將邊界上的三角面選中并刪除，直到孔洞周邊的三角面無翹曲、曲率基本一致.再選取“基于曲率填充”選項(xiàng)進(jìn)行修補(bǔ)，可獲得近乎無痕跡的修補(bǔ)效果，如圖10所示.

圖9 曲面三角形孔洞Fig.9 The triangle holes on the surface

圖10 填補(bǔ)后的曲面Fig.10 The surface after filling the hole

2.2.2 簡化與修復(fù)多邊形

通過“簡化多邊形”命令可以減少網(wǎng)格曲面的三角片數(shù)量，以提高后續(xù)的計(jì)算速度.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，所以不會破壞模型的細(xì)微結(jié)構(gòu).多邊形的處理不能僅憑著肉眼觀察，有時看似完好的多邊形其實(shí)還有許多的地方存在缺陷，所以需要運(yùn)用“網(wǎng)格醫(yī)生”自動檢測并修復(fù)多邊形網(wǎng)格內(nèi)的缺陷.

2.3 成形階段

完成多邊形的點(diǎn)處理后進(jìn)入成形階段，對模型進(jìn)行NURBS曲面重構(gòu).Geomagic Studio提供兩種方法，一是自動探測輪廓線對曲面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即在相對比較平坦的區(qū)域之間放置紅色分隔符，允許調(diào)整這些區(qū)域分隔符并在這些區(qū)域放置黃色或橙色的輪廓線;二是根據(jù)探測曲率線對曲面進(jìn)行網(wǎng)格劃分.由于本研究處理的零件外形比較復(fù)雜，故采用第二種方法.

2.3.1 探測曲率

使用“探測曲率”功能和“自動估計(jì)”的方式，曲率為0.3，單擊“確定”后自動探測曲率.由于是自動探測，探測的輪廓線難以完全滿足曲面片劃分的要求，所以還需要手動調(diào)整輪廓線.通過升級約束、移動曲率線、編輯輪廓線等操作獲得與外形比較接近的輪廓線［4］，如圖11所示.

2.3.2 構(gòu)建及編輯曲面片

通過對多邊形曲面進(jìn)行分析，將其劃分為大小合適的曲面區(qū)域并自動產(chǎn)生曲面片.劃分曲面的基本原則是使每塊曲面片的曲率變化盡量均勻，在擬合曲面時能夠更好地捕捉到三角網(wǎng)格曲面的外形、降低擬合誤差;使每塊曲面片盡量為四邊域曲面，以利于后續(xù)的NURBS曲面重構(gòu).由于自動生成的四邊形網(wǎng)格往往呈現(xiàn)不規(guī)則的網(wǎng)狀，可利用“網(wǎng)格編輯”功能將其排成比較規(guī)則的網(wǎng)格面;利用“松弛”功能，將曲面片變得比較有規(guī)律，防止曲面片相交;利用“移動”功能，在面板內(nèi)重新排列曲面片，創(chuàng)建一個更規(guī)則的曲面片布局等.構(gòu)建及編輯后的曲面片如圖12所示.

圖11 探測曲率后的零件輪廓線Fig.11 Parts contour line after detect curvature

圖12 構(gòu)建及編輯后的曲面片F(xiàn)ig.12 The surface piece after building and editing

2.3.3 構(gòu)造格柵

曲面片構(gòu)建好之后，需要構(gòu)造格柵，從而自動地在每一塊曲面片內(nèi)產(chǎn)生有序的U-V網(wǎng)格.每一個曲面片的網(wǎng)格線數(shù)目都是相等的，數(shù)目大小要視曲面片劃分的大小和模型的精細(xì)結(jié)構(gòu)而定，數(shù)目太少可能會漏掉一些特征.構(gòu)造格柵時，單擊“格柵”功能，把分辨率調(diào)成20，選擇“修復(fù)相交區(qū)域”，再選擇“檢查幾何圖形”，單擊“應(yīng)用”，就能構(gòu)造出格柵，如圖13所示.

2.3.4 擬合曲面

擬合曲面是完成NURBS重構(gòu)的最后一個環(huán)節(jié)，即產(chǎn)生由多個NURBS曲面片構(gòu)成的完整曲面，“最大控制點(diǎn)數(shù)”表示每個曲面片控制點(diǎn)的最大數(shù)量，而“公差”反映了NURBS曲面與原始曲面的最大距離.這里采用缺省值，最大控制點(diǎn)設(shè)為18，公差設(shè)為0.060 4 mm.圖14為擬合出NURBS曲面的刀殼模型.

圖13 構(gòu)造后的柵格圖Fig.13 The grid figure after structuring

圖14 擬合的刀殼曲面Fig.14 The knife shell surface fitting

擬合完成的NURBS曲面需比較構(gòu)建的曲面與掃描的點(diǎn)云資料之間的誤差，經(jīng)過誤差比較，平均距離為0.004 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.007 mm，擬合后的曲面變得更加準(zhǔn)確.誤差分析如圖15所示.

圖15 擬合曲面誤差分析圖Fig.15 The error analysis of fitting curved surface

3 剃須刀模型快速成型制造

將反求工程和快速成型技術(shù)結(jié)合起來可以實(shí)現(xiàn)快速原型制造，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)速度，加快產(chǎn)品的研發(fā).剃須刀殼體在完成曲面擬合和改造設(shè)計(jì)后，利用Inspire D290快速成型設(shè)備可迅速完成其模型制造.

3.1 模型前處理

Inspire D290快速成型設(shè)備利用熔絲堆積法進(jìn)行快速成型制造，將利用反求方法構(gòu)建的剃須刀模型導(dǎo)入系統(tǒng)，將格式轉(zhuǎn)換為STL格式，調(diào)整模型在Inspire D290系統(tǒng)中的成型方向.最后，對三維數(shù)字模型進(jìn)行切片處理.在選擇合理的成型方向后，在成型高度方向上對STL格式的數(shù)據(jù)模型用分層的平面切割，提取截面的輪廓信息.分層的間隔一般取0.05～0.5 mm，間隔越小，成型零件的精度越高，但成型時間也越長，一般取0.1 mm.

3.2 快速成型制造

快速成型系統(tǒng)的工作過程是根據(jù)計(jì)算機(jī)提供的經(jīng)過切片處理的三維模型，在快速原型機(jī)上按照每一層截面的輪廓在計(jì)算機(jī)的控制下由噴頭噴吐黏結(jié)劑和熱熔材料形成每一層相應(yīng)的截面輪廓，并順序分層疊加從而形成零件的過程，它是快速原型技術(shù)的核心部分.

3.3 快速成型制造的后處理

從快速原型機(jī)上取下的制品往往需要進(jìn)行剝離，以去除廢料和支撐結(jié)構(gòu)，有時還需要進(jìn)行后期固化、修補(bǔ)、打磨、拋光和表面強(qiáng)化處理等.

4 結(jié)語

研究了利用HOLON3DS光學(xué)面掃描系統(tǒng)進(jìn)行剃須刀反求設(shè)計(jì)的方法和步驟，提出了反求過程中應(yīng)注意的問題.對剃須刀模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理進(jìn)行了探討，完成了剃須刀各部件的點(diǎn)云處理及造型設(shè)計(jì)并將其成功導(dǎo)入快速成型設(shè)備加工制造和裝配，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中油泥模型的數(shù)字化.這種設(shè)計(jì)方法效率高、產(chǎn)品改造設(shè)計(jì)方便，設(shè)計(jì)成果檢驗(yàn)直觀可靠.

［1］趙讓乾，馬宗正.基于逆向工程的吹風(fēng)機(jī)后蓋造型設(shè)計(jì)［J］.河南工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013(4):53-55.

［2］付偉，張海.基于Geomagic Studio軟件的逆向工程設(shè)計(jì)［J］.工具技術(shù)，2007，41(11):54-57.

［3］成思源，劉俊，張湘?zhèn)?基于手持式激光掃描的反求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(8):153-156.

［4］周密.基于逆向工程的曲面加工及快速制造技術(shù)研究［D］.西安:西安理工大學(xué)，2007.