卞冠宇,董慶茁,舒子杰,景 鑫,夏會芳
(武漢華夏理工學(xué)院 智能制造學(xué)院,湖北 武漢 430223)
逆向工程(RE)也被稱為反求工程,或者說是逆向設(shè)計,它主要是對已經(jīng)存在的實物模型進行轉(zhuǎn)化,并以此作為基礎(chǔ)進行剖析、深化和二次創(chuàng)造,是一種分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合[1]。鼠標(biāo)是一種很常用的電腦輸入設(shè)備,隨著當(dāng)今社會日新月異的發(fā)展,人們對于鼠標(biāo)的要求也越來越多,如舒適的操作手感以及靈活性和可靠性,因此對鼠標(biāo)的美學(xué)設(shè)計和制作工藝要求也越來越高。鼠標(biāo)表面由復(fù)雜的自由曲面構(gòu)成,故我們采用逆向工程技術(shù),通過三維掃描設(shè)備基于實物模型獲取三維數(shù)字化信息,根據(jù)數(shù)據(jù)和設(shè)計要求構(gòu)成鼠標(biāo)的數(shù)字模型,最終通過誤差分析檢測模型是否滿足要求。
通過三維掃描設(shè)備獲取鼠標(biāo)的三維數(shù)字化數(shù)據(jù)。由于鼠標(biāo)模型表面明暗程度不同,故須在掃描前對鼠標(biāo)模型進行表面處理(噴上白色顯像劑);為了能夠更好地對鼠標(biāo)模型進行識別、定位,避免掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量受到影響,還需按相關(guān)要求貼好標(biāo)記點,如圖1所示。
圖1 實物噴顯像劑處理及標(biāo)記點粘貼 圖2 鼠標(biāo)上表面數(shù)據(jù) 圖3 翻轉(zhuǎn)鼠標(biāo)
經(jīng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤,完成鼠標(biāo)上表面的數(shù)據(jù)采集,如圖2所示。然后翻轉(zhuǎn)鼠標(biāo)讓底面朝上(見圖3),進行再次掃描,直至完成一周的數(shù)據(jù)掃描。最后將全部掃描工作完成后的數(shù)據(jù)進行拼接合并,生成一個完整的鼠標(biāo)模型(如圖4所示),并保存好數(shù)據(jù)。
圖4 鼠標(biāo)拼接完成 圖5 封裝完成 圖6 處理后模型
將完成拼接工作的文件導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件,進行下一步的操作。
由于掃描過程中存在著各種因素,數(shù)據(jù)采集時會采集到與模型無關(guān)的一些數(shù)據(jù),所以在點云階段要進行去除噪點、刪除非連接項等操作,然后將點云封裝成三角形面片,如圖5所示。接著通過使用“孔填充”的命令,對空缺進行填補,并通過使用其他相關(guān)命令對模型表面的釘狀物以及平面凸起或者凹陷的地方進行處理,使之光滑,如圖6所示。
將處理完的點云數(shù)據(jù)文件(面片)利用逆向建模軟件Geomagic Design X導(dǎo)入后進行下一步操作——曲面重建。
將“模型”命令欄里的“平面”定義改成“選擇多個點”,在適合做底面的平面選擇多個點并點擊確定,成功創(chuàng)建平面1;接著將“模型”命令欄里的“平面”定義改成“繪制直線”,并在大致處于對稱軸的地方繪制一條直線,接著通過將“模型”命令欄里的“平面”定義改成“鏡像”進行鏡像,成功創(chuàng)建平面2和平面3,最后通過“手動對齊”中的“3-2-1”法完成對齊,如圖7所示。
圖7 坐標(biāo)對齊 圖8 領(lǐng)域劃分(部分) 圖9 面片擬合好后經(jīng)剪切得到的鼠標(biāo)模型
3.2.1 劃分領(lǐng)域
因為本模型曲面較復(fù)雜,所以根據(jù)鼠標(biāo)模型的特征,將鼠標(biāo)模型手動分為上下左右前后六個領(lǐng)域,如圖8所示。
3.2.2 曲面擬合
本實例采用面片擬合構(gòu)建模型。對上述劃分出來的六個領(lǐng)域進行面片擬合,然后將得到的六個面片進行“剪切曲面”操作,得到重構(gòu)后的鼠標(biāo)模型,如圖9所示。
3.2.3 細節(jié)處理
對得到的鼠標(biāo)模型進行倒圓角以及平面的拉伸切割處理,得到修改后的鼠標(biāo)模型(見圖10),操作過程中通過體偏差控制模型的質(zhì)量,保證模型的精度。
圖10 鼠標(biāo)模型 圖11 導(dǎo)入文件 圖12 對齊
在逆向建模的過程中,由于是以采集到的點云數(shù)據(jù)為依據(jù)進行的曲面重構(gòu),或多或少會存在一些誤差,所以就需要通過相關(guān)的數(shù)據(jù)檢測比較二者之間的偏差,用以判斷是否在誤差允許的區(qū)間內(nèi)。
將處理完工的點云數(shù)據(jù)文件和重構(gòu)模型文件依次導(dǎo)入到Geomagic Control X,如圖11所示。
首先,利用“初始對齊”命令,完成初步對齊任務(wù);然后,通過“最佳擬合對齊”得到完全對齊后的內(nèi)容,如圖12所示。
通過體偏差和Geomagic Control X軟件將重構(gòu)后得到的曲面和點云數(shù)據(jù)進行相關(guān)性的數(shù)據(jù)對比和分析,得到體偏差的對比結(jié)果,如圖13所示。除此之外,還需要檢測點與點之間的誤差,并且還需要根據(jù)測量位置與參考位置XYZ坐標(biāo)數(shù)值之間的縫隙距離來進行比較和分析。3D比較結(jié)果和2D比較結(jié)果分別如圖14、圖15所示。
圖13 體偏差 圖14 3D對比 圖15 2D對比
將建模數(shù)據(jù)以STL格式導(dǎo)入切片軟件Cura中進行切片處理,如圖16所示。并將最終生成的GCoad代碼導(dǎo)入3D打印設(shè)備進行打印,打印過程如圖17所示,最終得到的打印成品如圖18所示。
本文針對鼠標(biāo)利用三維激光掃描設(shè)備采集信息,通過Geomagic系列軟件實施逆向建模,使用3D打印快速成型。該方法是實現(xiàn)復(fù)雜工藝品從模型—三維數(shù)字化信息—模型(二次創(chuàng)新)的一種新穎且快捷的方法[2],通過逆向工程技術(shù)能在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進行再次創(chuàng)新,不僅能提高產(chǎn)品的精確性,而且能縮短研發(fā)周期。這充分說明了逆向工程是集實用性、開拓性以及綜合性于一體的技術(shù)。
圖16 切片處理 圖17 打印過程 圖18 打印成品