陶瓷產(chǎn)品的數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)分析

陳麗娟

摘要：近年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)水平與工藝制造水平的不斷提升，對(duì)工藝品設(shè)計(jì)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。在陶瓷工藝品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的手工制作模式已經(jīng)很難滿足市場的需求，目前，數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于陶瓷工藝產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中。本文結(jié)合實(shí)例分析了陶瓷產(chǎn)品中數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)的流程及要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：陶瓷產(chǎn)品；數(shù)字化；逆向設(shè)計(jì)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP391.7

相較于傳統(tǒng)的手工制作，數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)在陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，不僅使陶瓷產(chǎn)品的設(shè)計(jì)精度被大幅提高，并使模具設(shè)計(jì)的周期得到最大限度的縮短。深入分析研究數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)技術(shù)在陶瓷產(chǎn)品中的有效運(yùn)用，能夠有效節(jié)省陶瓷生產(chǎn)加工過程中人力及物力投入，提高生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量，進(jìn)而提高陶瓷產(chǎn)品的市場競爭力，對(duì)于我國陶瓷生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

一、陶瓷產(chǎn)品的數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)流程

陶瓷產(chǎn)品的數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)將陶瓷產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成為工程概念模型和設(shè)計(jì)模式，并以此為基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行分析處理、優(yōu)化設(shè)計(jì)和再創(chuàng)造的過程。陶瓷產(chǎn)品的數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)流程為：實(shí)物模型→分析模型→數(shù)據(jù)測量→數(shù)據(jù)處理→CAD曲面模型重構(gòu)→仿形改制產(chǎn)品→制作系統(tǒng)CAM→模具→新產(chǎn)品。

二、陶瓷產(chǎn)品的數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）數(shù)據(jù)測量

數(shù)據(jù)測量是陶瓷產(chǎn)品數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。一些復(fù)雜形狀的陶瓷產(chǎn)品，包含的細(xì)節(jié)特征多且雜，普通的三坐標(biāo)測量儀很難獲得準(zhǔn)確的模型數(shù)據(jù)。目前，陶瓷產(chǎn)品數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)中常用的測量設(shè)備為Model Shop Color 3D Scanner Bundle的3030RGB激光掃描儀。該設(shè)備的最小采樣間隔可以達(dá)到100微米，工作臺(tái)高度為300 毫米，長度是1000毫米，可以用于分割大型或復(fù)雜的零件模型

跟蹤、數(shù)據(jù)掃描及拼接。首先模型必須豎直平放于工作臺(tái)上，并利用膠泥對(duì)模型進(jìn)行固定，掃描儀沿工作臺(tái)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)工作臺(tái)配合掃描儀作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成模型的側(cè)面數(shù)據(jù)測量，然后再將模型側(cè)面平放于工作臺(tái)上，掃描儀對(duì)準(zhǔn)其底部掃面出底部點(diǎn)云。最后將重疊部分的點(diǎn)云進(jìn)行合并，可得出點(diǎn)云圖，如圖1所示。

（二）數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于數(shù)據(jù)測量中不可避免地會(huì)出現(xiàn)許多的雜點(diǎn)和噪聲點(diǎn)，不加以處理，會(huì)對(duì)后續(xù)的曲線和曲面重建造成影響。同時(shí)用激光掃描點(diǎn)云會(huì)有一些難以收集的模型特征，如內(nèi)腔、里槽、邊緣等部位，造成點(diǎn)云不連續(xù)，因而需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行填補(bǔ)。數(shù)據(jù)預(yù)處理中，可利用曲率的連續(xù)性特征，創(chuàng)建新的點(diǎn)云，使點(diǎn)云的模型更加完整，更接近接近真實(shí)的模型。完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后，將文件格式轉(zhuǎn)化為.STL，以方便后續(xù)的曲面重構(gòu)。經(jīng)過預(yù)處理后的點(diǎn)云模型如圖2所示。

（三）三維模型重構(gòu)

在三維模型重構(gòu)過程中過多的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)運(yùn)算速度造成影響。點(diǎn)云的過濾可利用弦高差在變化較小的曲面部位過濾掉盡量多的點(diǎn)，在變化較大的部分過濾掉盡量少點(diǎn)，這樣可使模型特征更為明顯。

基于點(diǎn)云來進(jìn)行三角網(wǎng)格曲面創(chuàng)建，設(shè)置參數(shù)時(shí)，參數(shù)圓的直徑需根據(jù)點(diǎn)云疏密度確定，使完成的三角網(wǎng)格曲面更直觀。網(wǎng)格曲面根據(jù)曲面形狀和曲率劃分，使每個(gè)表面曲率變化相對(duì)較小，形狀與規(guī)則圖形越相近越好，比如橢圓形、圓形、矩形等，這有利于后續(xù)構(gòu)建柵格。壺口根據(jù)點(diǎn)云分布特征，將其劃分成四個(gè)與矩形近似的區(qū)域。

輪廓曲線根據(jù)前面劃分的曲面進(jìn)行創(chuàng)建，邊界曲線根據(jù)點(diǎn)云節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分割，并將生成的節(jié)點(diǎn)連接成一條曲線?？梢砸詣?chuàng)建的輪廓線作為后續(xù)擬合曲面的邊界。輪廓線創(chuàng)建完成后，調(diào)整控制點(diǎn)在曲面的相對(duì)位置，使輪廓線符合曲率的變化和曲面的形狀，防止出現(xiàn)不規(guī)則小塊曲面。擴(kuò)展輪廓線，使其生成一個(gè)輪廓曲面片，以此作為后續(xù)劃分空白面板內(nèi)曲面片的基準(zhǔn)。根據(jù)曲面形狀確定輪廓曲面片的寬度，可以將1作為曲面輪廓線寬度，進(jìn)而生成輪廓曲面片。

空白面板內(nèi)的曲面片以生成的輪廓曲面片為基礎(chǔ)，使剩余的空白面板被曲面片填滿。由于生成的曲面形狀和尺寸不規(guī)則，其變化規(guī)律也與曲面變化規(guī)律不相符，因而需要調(diào)整曲面片，以方便后續(xù)的加工柵格。首先，曲面的頂點(diǎn)根據(jù)曲面形狀進(jìn)行重新劃分，同時(shí)由于壺口部分點(diǎn)云被輪廓線分為了四塊與矩形近似的區(qū)域，只需根據(jù)點(diǎn)云形狀調(diào)整曲面片使點(diǎn)云網(wǎng)格化。同時(shí)調(diào)整矩形區(qū)域具有相同數(shù)量控制點(diǎn)的曲面邊界，保證網(wǎng)格生成的路徑數(shù)目一致，使生成的網(wǎng)格大致均勻規(guī)則。網(wǎng)格生成后，分別調(diào)整曲面各控制點(diǎn)的位置，這樣可使最終得出的曲面片相對(duì)規(guī)則。

利用生成后曲面片對(duì)柵格進(jìn)行構(gòu)造，在曲面片的空白處生成N * N小塊曲面片。生成的小塊曲面片分辨率根據(jù)曲面形狀確定。本文所用實(shí)例，其分辨率為15時(shí)最佳，可用于操作擬合曲面的細(xì)節(jié)最多。在保證點(diǎn)云精確的情況基礎(chǔ)上可以將分辨率適當(dāng)?shù)奶岣?，以反映產(chǎn)品更多的細(xì)節(jié)特征。但分辨率過高會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算困難冗長，且容易被噪聲點(diǎn)影響。在實(shí)際模型的過程中分辨率應(yīng)依據(jù)點(diǎn)云的具體情況而定。確定分辨率后，對(duì)相交區(qū)域進(jìn)行檢查并修復(fù)，以此完成柵格使用柵格曲面對(duì)NURBS曲面進(jìn)行擬合，本文實(shí)例定義擬合公差是0.001毫米，通常情況下，控制點(diǎn)數(shù)量越多，其公差越小，模型細(xì)節(jié)特征與實(shí)物細(xì)節(jié)特征的差異也就越小，公差要求和控制點(diǎn)數(shù)量可根據(jù)曲面的特征進(jìn)行調(diào)整。

最后利用圖層管理，使用上述相同方法對(duì)模型其他部分完成NURBS曲面擬合。所有的曲面擬合完成后，縫合所有曲面，使其合成一個(gè)新的整體曲面。最終得出完整的實(shí)體模型圖，如圖3所示。

結(jié)束語：

陶瓷產(chǎn)品中數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)技術(shù)的運(yùn)用，需根據(jù)模型的特征和測量數(shù)據(jù)以及曲面的復(fù)雜程度，選擇模型重構(gòu)的類型。我國陶瓷產(chǎn)品中數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)的運(yùn)用需要與時(shí)俱進(jìn)，順應(yīng)社會(huì)和科技的發(fā)展潮流，不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。這樣才能夠真正地提升我國陶瓷產(chǎn)業(yè)的整體設(shè)計(jì)水平、生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)質(zhì)量，進(jìn)一步促進(jìn)我國陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]李剛.基于逆向工程的自由曲面重構(gòu)技術(shù)研究[D].山東大學(xué)，2014.

[2]舒雨鋒，賴朝安，孫延明.產(chǎn)品的數(shù)字化逆向設(shè)計(jì)制造研究[J].現(xiàn)代制造工程，2015，04：50-52.