基于逆向工程的打印機(jī)外殼創(chuàng)新設(shè)計(jì)

鄭澤宇 ， 李美美 ， 康玉輝

（河南工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

“正向工程”即根據(jù)產(chǎn)品的所需的功能，提出產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，然后繪制產(chǎn)品的三維模型并制造出新產(chǎn)品的過(guò)程?！澳嫦蚬こ獭毕鄬?duì)于傳統(tǒng)的“正向工程”而言，是一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)再現(xiàn)過(guò)程[1-2]，即對(duì)一項(xiàng)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行分析及研究，利用測(cè)量設(shè)備，采集該產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行模型重構(gòu)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最后利用快速成型技術(shù)生產(chǎn)出該產(chǎn)品的過(guò)程，逆向過(guò)程如圖1所示，該設(shè)計(jì)方法廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、工藝品、家用電器、模具等行業(yè)[3-5]。某款打印機(jī)在使用過(guò)程中出現(xiàn)打印機(jī)外殼過(guò)熱且外殼在拆裝的過(guò)程中，強(qiáng)度略有不足的情況，針對(duì)該問(wèn)題，本文基于逆向工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，對(duì)打印機(jī)外殼進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方法能快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

圖1 逆向設(shè)計(jì)流程圖

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

在模型重構(gòu)前，必須獲得精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，才能保證模型重構(gòu)的準(zhǔn)確性。常見(jiàn)的三維掃描設(shè)備根據(jù)其掃描方式不同通常分為接觸式和非接觸式[6-7]。非接觸測(cè)量設(shè)備較傳統(tǒng)的接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，有效避免了高精度測(cè)量力所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，并具有高效性、快速性等優(yōu)點(diǎn)。由于打印機(jī)外殼對(duì)精度要求不是很高，采用非接觸式掃描方式可以快速獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，大大縮短了打印機(jī)外殼創(chuàng)新設(shè)計(jì)周期。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Polyworks軟件中，由于掃描過(guò)程中環(huán)境、掃描系統(tǒng)或者人為操作等因素影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中會(huì)不可避免的引入噪聲點(diǎn)，為了盡可能還原實(shí)物表面的數(shù)據(jù)信息，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲點(diǎn)進(jìn)行刪除，在Polyworks軟件對(duì)齊模塊中，點(diǎn)擊“選擇單元”，按住Ctrl+shift同時(shí)按下鼠標(biāo)中鍵，便可以選擇需要?jiǎng)h除的區(qū)域，當(dāng)選中后，該區(qū)域變?yōu)榧t色，按DEL鍵便可以刪除。處理過(guò)程如圖2所示。將局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)逐個(gè)進(jìn)行噪聲點(diǎn)的刪除，在刪除的過(guò)程中盡可能保持點(diǎn)云數(shù)據(jù)與實(shí)物模型的一致，以便后續(xù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接及模型重構(gòu)。

在掃描過(guò)程中，掃描到不同角度的局部數(shù)據(jù)，多次掃描的三維數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系不一致，必須對(duì)局部信息進(jìn)行拼接，從而準(zhǔn)確的還原實(shí)物信息。利用Polyworks軟件中“對(duì)齊模塊”將片體進(jìn)行拼接，要求每個(gè)片體與相鄰片體之間有重疊區(qū)域，同時(shí)每個(gè)片體需包含一個(gè)對(duì)象形狀的變化（如尖角、孔等），在對(duì)齊過(guò)程中盡量選取特征較明顯的部分。圖片的對(duì)齊方式包括：一點(diǎn)對(duì)齊、多點(diǎn)對(duì)齊和自動(dòng)對(duì)齊方式。本文中采用了多點(diǎn)對(duì)齊，關(guān)聯(lián)點(diǎn)選取較多，耗時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)齊效果較好。最終對(duì)齊效果如圖3所示。數(shù)據(jù)對(duì)齊的效果可利用所有重疊的3D圖片距離分布的柱狀圖來(lái)顯示，如圖4所示。以零點(diǎn)為中心的柱狀圖表示對(duì)齊效果較好，若對(duì)齊效果不理想，可對(duì)此片體進(jìn)行重新對(duì)齊。

圖2 刪除噪聲點(diǎn)

圖3 數(shù)據(jù)對(duì)齊

3 三維模型重構(gòu)

3.1 創(chuàng)建三角化模型

打開(kāi)對(duì)應(yīng)模塊，導(dǎo)出之前拼接完成的項(xiàng)目文件，開(kāi)始創(chuàng)建三角化模型，通過(guò)整合模塊將拼接好的片體進(jìn)行三角化。三角化是為了使網(wǎng)格質(zhì)量更好、更穩(wěn)定，將散亂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間以三角形的形式連接起來(lái)，實(shí)質(zhì)就是將相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)間的拓?fù)溥B接關(guān)系以三角化的方式呈現(xiàn)[8]。

由于掃描過(guò)程中實(shí)物模型本身結(jié)構(gòu)或人為操作等原因，打印機(jī)外殼存在部分掃描不到的死角，掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)形成孔洞，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)，不僅影響外觀，而且會(huì)對(duì)后續(xù)實(shí)物模型的重構(gòu)造成很大的影響[9]，故需要對(duì)孔洞進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)孔的方式很多，如曲面填補(bǔ)孔洞、利用點(diǎn)云直接擬合曲面等。根據(jù)不同的孔洞形式，選擇相應(yīng)的填補(bǔ)方式。同時(shí)由于前期掃描和點(diǎn)云的處理，部分曲面比較粗糙，為了后續(xù)模型重構(gòu)的精確性，需對(duì)曲面進(jìn)行光順。數(shù)據(jù)修補(bǔ)及光順后的效果，如圖5所示。

3.2 提取特征線

通過(guò)創(chuàng)建斷面來(lái)獲取模型重要位置的信息即特征線，截取的方式不同，截取到的特征線也不是唯一的，在X、Y、Z三個(gè)方向上均可以建立平面進(jìn)行切割，可以在同一個(gè)方向上進(jìn)行截取，也可以在兩個(gè)方向上進(jìn)行截取。對(duì)于特征線的提取，可以根據(jù)實(shí)際需要提取有效的特征線，并將Polyworks軟件中提取到的特征線保存為igs格式，輸入到Pro/E軟件中對(duì)曲線進(jìn)行平滑處理，最終特征線如圖6所示。

圖4 對(duì)齊模塊分析柱狀圖

圖5 三角化模型處理圖

3.3 模型重構(gòu)

利用Pro/E軟件中“掃描混合”命令，基于Polyworks中已提取到的特征線，對(duì)模型進(jìn)行重構(gòu)，以還原打印機(jī)外殼信息并對(duì)重構(gòu)后的模型精度進(jìn)行分析，重構(gòu)模型圖及精度分析如圖7、圖8所示。

圖6 提取特征線

圖7 模型重構(gòu)

圖8 重構(gòu)模型精度檢測(cè)

4 產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)

由于該打印機(jī)在拆裝的過(guò)程中，存在外殼強(qiáng)度略有不足的情況，同時(shí)在工作過(guò)程中由于散熱效果不理想存在外殼過(guò)熱的現(xiàn)象。為了解決上述問(wèn)題，本文在吸取了該打印機(jī)外殼的基本尺寸與形狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良設(shè)計(jì)，在打印機(jī)外殼內(nèi)部添加加強(qiáng)筋，提升外殼強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命；同時(shí)在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，合理地增加散熱孔，提升散熱效果。最終優(yōu)化方案如圖9所示。

圖9 再創(chuàng)新產(chǎn)品

5 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用Polyworks軟件對(duì)打印機(jī)外殼的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)模型分析，提取該三維模型的特征線，利用Pro/E軟件還原了實(shí)物模型信息，并在此基礎(chǔ)上對(duì)打印機(jī)外殼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良與優(yōu)化。結(jié)果表明，該逆向設(shè)計(jì)方法可大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期。