基于逆向工程的坭興陶個性化產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用實踐

龍燕燕 黃善厚

摘 要：本文以《印象北部灣》香器系列作品中的聞香杯為例，詳細(xì)介紹了在三維掃描的基礎(chǔ)上，基于Geomagic Stdio軟件的數(shù)據(jù)處理過程、基于UG軟件的逆向建模過程和基于SLA的快速成型過程。同時，驗證了逆向工程技術(shù)可以為坭興陶個性化產(chǎn)品設(shè)計提供新的途徑，為坭興陶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更多的可能性。

關(guān)鍵詞：逆向工程;坭興陶;快速成型

中圖分類號：TP391.7;TS943.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）04-0027-03

Abstract： In this paper， taking the smell cup in Impression Beibu Gulf as an example， the data processing process based on Geomagic Stdio software， the reverse modeling process based on UG software and the rapid prototyping process based on FDM were introduced in detail on the basis of 3D scanning. It was verified that reverse engineering technology could provide a new way for nixing pottery personalized product design and more possibilities for the development of nixing pottery industry.

Keywords： reverse engineering;Nixing Pottery;rapid prototyping

1 研究背景

逆向工程又稱反向工程，其是一種基于實物的三維掃描而反求建模的過程。快速成型是基于材料堆積法的一種高新制造工藝，集機械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變成原形或零件，從而為新設(shè)計思想的校驗提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段[1]。近幾年，逆向工程與快速成型技術(shù)相結(jié)合，已廣泛應(yīng)用于模具生產(chǎn)、航空、醫(yī)學(xué)、文物保護等領(lǐng)域，但應(yīng)用于坭興陶產(chǎn)品設(shè)計的還比較少見。運用逆向工程獲得產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)，對三維數(shù)據(jù)進行二次開發(fā)與設(shè)計，再應(yīng)用快速成型技術(shù)呈現(xiàn)再設(shè)計后的效果是實現(xiàn)坭興陶產(chǎn)品個性化開發(fā)與設(shè)計的重要途徑之一。

本文選取《印象北部灣》香器系列中的聞香杯（見圖1）來詳細(xì)說明三維掃描、逆向建模、快速成型等逆向工程技術(shù)在坭興陶個性化產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用。

2 三維掃描

2.1 模型掃描

為了獲得真實完整的掃描數(shù)據(jù)，本文選用PRINCE系列手持式三維激光掃描儀。該掃描儀其采用多條線束激光來獲取物體表面的三維點云，可自動定位，精度較高（0.03 mm），掃描點云數(shù)據(jù)無分層，可自動生成，其掃描過程如下。

①涂顯像劑。在樣品表面均勻地涂一層白色的顯像劑，以便于掃描激光的反射和三維數(shù)據(jù)的收集。

②視覺標(biāo)記。在樣品的關(guān)鍵過渡處放置視覺標(biāo)記點，以確定掃描儀在掃描過程中的空間位置，這些空間位置被用于空間位置轉(zhuǎn)換。

③多角度掃描。樣品保持不動，手持三維激光掃描儀平穩(wěn)地、多角度地對樣品進行掃描，如圖2所示。通過掃描儀上的兩組相機不斷獲得線狀三維信息，并同時通過視覺標(biāo)記不斷獲得空間相對位置，從而形成連續(xù)的三維數(shù)據(jù)，確認(rèn)掃描數(shù)據(jù)完整、無漏點即可保存。

2.2 數(shù)據(jù)處理

由于掃描的點云數(shù)據(jù)可能會接收到非標(biāo)記點的掃描反射光，因此，會不可避免地存在偏差，出現(xiàn)一些雜點、噪點、壞點。因此，要對點云數(shù)據(jù)進行一系列處理，包含刪除雜點和壞點、減少噪聲、刪除釘狀物、優(yōu)化網(wǎng)格、手動填補孔洞、光滑處理數(shù)據(jù)等。本文采用專用的Geomagic Stdio逆向軟件對點云數(shù)據(jù)進行處理，最后將點云數(shù)據(jù)封裝成三角形面片，保存成STL格式，為后續(xù)的逆向建模設(shè)計提供原始的數(shù)據(jù)支撐。

3 逆向建模

STL格式是小三角形片體，具有不可編輯性，將STL格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA、Pro/E、UG、FreeFrom等三維CAD造型軟件中進行實體建模，得到具有相關(guān)參數(shù)、可編輯、可修改的實體模型，以最終實現(xiàn)產(chǎn)品的再開發(fā)與再設(shè)計。本文選用UG軟件進行逆向?qū)嶓w建模。

3.1 調(diào)整坐標(biāo)

每一個軟件都有自己的坐標(biāo)系統(tǒng)，不同軟件之間往往具有不兼容性。將STL格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入UG軟件中時，由于其具有Geomagic Stdio軟件中的坐標(biāo)系，與UG軟件中的坐標(biāo)系不匹配，會影響后續(xù)建模，因此，導(dǎo)入STL格式數(shù)據(jù)后，首先要對坐標(biāo)系進行調(diào)整[2]。

該樣品底面在同一平面上，結(jié)構(gòu)是左右對稱，因此選用底面所在的平面為基準(zhǔn)，將其旋轉(zhuǎn)至與UG坐標(biāo)系中XY平面重合;再以樣品左右對稱中心線為基準(zhǔn)，將其調(diào)整至與UG坐標(biāo)系中Y軸重合;最后更改左右對稱面任一邊數(shù)據(jù)的顏色，并將其鏡像到另一邊，看是否與另一邊原來的數(shù)據(jù)重合，重合即坐標(biāo)調(diào)整正確無誤，不重合則需要繼續(xù)調(diào)整。

3.2 實體旋轉(zhuǎn)

聞香杯杯身與杯蓋主體結(jié)構(gòu)可由回轉(zhuǎn)命令生成，通過平面剖切STL模型留下截面曲線，并以此為依據(jù)繪制旋轉(zhuǎn)草圖，再運用旋轉(zhuǎn)及抽殼命令生成。

3.3 曲面構(gòu)建及縫合

杯身兩邊及杯蓋上海騰造型為曲面結(jié)構(gòu)，在構(gòu)建過程中需要先生成樣條曲線，再自動調(diào)整曲率使其光滑連接，不連貫處要對曲線進行橋接，最后以樣條曲線構(gòu)建網(wǎng)格曲線，在構(gòu)建網(wǎng)格曲線時，一定要保證選取的各點在同一平面上，并嚴(yán)格保持各相切關(guān)系。網(wǎng)格曲線生成后，即可采用曲線網(wǎng)格命令生成曲面，最后完成對曲面的縫合。

3.4 鏡像及布爾求和

樣品杯身上還雕刻有一些曲線狀花紋，此花紋具有一定的對稱性。因此，在構(gòu)建時只需創(chuàng)建一小段即可，其他可用陣列命令生成。構(gòu)建時需要先以樣條曲線生成曲面，如圖3所示，再得到曲面與杯身實體的截交線，對截交線偏移，構(gòu)建新的曲面，并進行修剪、陣列、布爾求和，最終生成的三維實體模型如圖4所示。

4 快速成型

快速成型技術(shù)能極大地縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，快速驗證設(shè)計者的設(shè)計理念與思路。近年來，快速成型技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍，發(fā)展也越發(fā)成熟。目前常見的快速成型技術(shù)有SLA、LOM、FDM和SLS等方法。其中，SLA是將計算機控制下的紫外線激光束按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態(tài)光敏樹脂逐點掃描，使薄層液態(tài)樹脂產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，從而形成零件的一個薄層截面[3]。該技術(shù)具有表面質(zhì)量好、精度高、材料利用率接近100%的優(yōu)點，適用于復(fù)雜而精細(xì)的中小件。此樣件選用SLA快速成型方法，成型材料為ZR680，具體如圖5所示。

將完成逆向建模后的3D模型在UG中導(dǎo)出成STL格式，再導(dǎo)入切片軟件中進行切片處理，并完成切片層厚、支撐角度、填充角度、下沉移動速度及刮板軸移動速度等參數(shù)設(shè)置。為了減少誤差，本樣品切片層厚設(shè)為1 mm，掃描質(zhì)量設(shè)為優(yōu)級。

激光發(fā)生器按切片形狀對液態(tài)樹脂進行掃描，待液態(tài)樹脂固化后升降臺下降1 mm，刮平器來回運動保證液態(tài)樹脂上表面位置不變，激光發(fā)生器再按切片形狀掃描該層液態(tài)樹脂使其固化，然后逐層掃描疊加最終快速成型?？焖俪尚屯瓿珊?，將樣件從升降臺上取下并進行清洗，去掉支撐部分，完成打磨拋光等后續(xù)工序?？焖俪尚秃蟮膶嵨锶鐖D6所示。

5 結(jié)語

逆向工程技術(shù)在實現(xiàn)坭興陶產(chǎn)品個性化創(chuàng)新設(shè)計中具有重要的意義。運用逆向工程技術(shù)，可以將設(shè)計者的創(chuàng)新思想與靈感在最短的周期內(nèi)進行快速驗證，并根據(jù)驗證結(jié)果對模型進行再創(chuàng)新、再開發(fā)，從而促進坭興陶產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻：

[1]朱小明，韓偉，劉楚生，等.基于逆向工程和3D打印的鞋子個性化設(shè)計制作[J].塑料科技，2019（12）：89-92.

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[3]陳忠士，鄒澤昌，劉偉林.基于逆向工程技術(shù)的連桿創(chuàng)新設(shè)計[J].機械工程師，2019（11）：77-78，85.