基于三維激光掃描與復(fù)雜曲面重構(gòu)技術(shù)賦能產(chǎn)品開(kāi)發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

肖宏濤，楊振國(guó)，劉 璇

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東佛山 528137；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）

0 引言

隨著新科技不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的手段進(jìn)一步融合發(fā)展，加快了家電產(chǎn)品的迭代。而迭代的效率更是是一個(gè)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，目前產(chǎn)品開(kāi)發(fā)也在慢慢拋棄傳統(tǒng)的復(fù)雜低效的手工設(shè)計(jì)流程，開(kāi)發(fā)也從純粹的正向設(shè)計(jì)邁向以逆向設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)融合正向創(chuàng)新設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[1-2]。即從三維激光掃描、復(fù)雜曲面重構(gòu)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)到3D打印制造技術(shù)等新工藝組成了動(dòng)態(tài)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。采用激光三維掃描是因其具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，符合一線企業(yè)使用的特點(diǎn)[3-4]，而曲面重構(gòu)涉及到數(shù)據(jù)領(lǐng)域劃分，對(duì)特征提取有較高要求，本文將從點(diǎn)、線、面、體4個(gè)方面簡(jiǎn)述曲面重構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)[5]。本文以電吹風(fēng)出風(fēng)口原型為例，通過(guò)三維激光掃描與復(fù)雜曲面重構(gòu)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)得到最優(yōu)化的參數(shù)化模型，再利用3D打印技術(shù)進(jìn)行樣件試制，驗(yàn)證創(chuàng)新模型的使用效果。即對(duì)原件進(jìn)行三維激光掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再使用點(diǎn)云處理數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)與封裝達(dá)到STL的封裝小平面體。以STL數(shù)據(jù)為參考基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)據(jù)面域的劃分重構(gòu)，把各個(gè)曲面約束關(guān)系縫合達(dá)到參數(shù)化模型，這樣就完成了逆向設(shè)計(jì)部分。通過(guò)吸收原模型的優(yōu)點(diǎn)，再進(jìn)行正向設(shè)計(jì)創(chuàng)新產(chǎn)品。通過(guò)3D打印技術(shù)，對(duì)創(chuàng)新的數(shù)模進(jìn)行樣件制造驗(yàn)證實(shí)際功能，大大減少新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的浪費(fèi)，縮短設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期，達(dá)到產(chǎn)品快速迭代的目標(biāo)，提高產(chǎn)生的設(shè)計(jì)與制造效率。

1 三維激光掃描技術(shù)

電吹風(fēng)出風(fēng)口原件的數(shù)據(jù)獲取是采用先臨三維科技的手持式Free Scan X7激光掃描儀進(jìn)采集。三維激光掃描儀在技術(shù)上采用了多線光柵激光器以及先進(jìn)的雙7線掃描技術(shù)，ClassⅡ（人眼安全），高速掃描可達(dá)480 000次/s，精度高達(dá)0.03 mm，掃描方式靈活，不受物體大小、材質(zhì)、顏色等影響。掃描參數(shù)如表1所示。

表1 激光掃描參數(shù)信息Tab.1 Laser scanning parameter information

1.1 數(shù)據(jù)采集前設(shè)備初始化

在三維激光掃描使用前需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行分析，參考表1所示的參數(shù)信息。當(dāng)工作的溫度和濕度與上一次標(biāo)定的參數(shù)相差大于10%時(shí)就需要進(jìn)行標(biāo)定，或當(dāng)設(shè)備在使用前有小幅度碰撞震動(dòng)過(guò)也需要重新進(jìn)行標(biāo)定。

首先取出標(biāo)定板，在使用標(biāo)定板時(shí)需要注意操作規(guī)范，正確佩戴棉質(zhì)感手套。第二是啟動(dòng)Free Scan x7掃描系統(tǒng)，進(jìn)入工具欄的標(biāo)定環(huán)節(jié)，標(biāo)定需要采集18個(gè)位置點(diǎn)，具體可以通過(guò)4個(gè)方向進(jìn)行采集，在標(biāo)定時(shí)系統(tǒng)有位置修正提示，根據(jù)提示調(diào)整掃描儀的前后、左右、上下移動(dòng)的要求，如圖1所示[6]。

圖1 掃描系統(tǒng)初始化標(biāo)定界面Fig.1 Scan system initialization calibration interface

1.2 三維掃描前處理

三維激光掃描系統(tǒng)屬于光學(xué)原理，為了提高掃描精度，需要對(duì)掃描原件、即電吹風(fēng)出風(fēng)口進(jìn)行掃描前處理，包括噴涂顯像劑、粘貼標(biāo)志點(diǎn)、橡皮泥固定原件等步驟。

首先對(duì)原件進(jìn)行噴涂顯像劑。因?yàn)閲娡匡@像劑可以提高掃描光柵的對(duì)比度，壓制光噪的產(chǎn)生。本次試驗(yàn)采用顯像劑為DPT-5型號(hào)，在噴涂時(shí)顯像劑與原件距離為30～40 mm為合適，注意在噴涂時(shí)要必須保證噴涂均勻，不能出現(xiàn)漏噴和噴流等情況，標(biāo)準(zhǔn)的操作效果如圖2所示。

圖2 原件掃描前處理的噴涂顯像劑Fig.2 Theoriginal spray developer

當(dāng)完成顯像劑的噴涂時(shí)還需要進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)的粘貼[7]。標(biāo)志點(diǎn)在三維掃描過(guò)程起了獲取的的點(diǎn)云拼接和空間匹配功能，所以粘貼標(biāo)志點(diǎn)是在三維掃描中屬于很重要的環(huán)節(jié)。在粘貼標(biāo)志點(diǎn)時(shí)需要注意兩個(gè)原則，一是標(biāo)志點(diǎn)的粘貼不能形成規(guī)律，這樣會(huì)影響對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的編碼，導(dǎo)致數(shù)據(jù)拼接錯(cuò)誤；二是標(biāo)志點(diǎn)不能粘貼在細(xì)小特征上，這樣會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的缺漏。標(biāo)志點(diǎn)的粘貼效果如圖3所示。

圖3 粘貼標(biāo)志點(diǎn)Fig.3 Marking point

掃描路徑的設(shè)計(jì)。本次試驗(yàn)采用掃描四分法，即通過(guò)4個(gè)角度對(duì)原件進(jìn)行三維掃描。電吹風(fēng)出風(fēng)口上下兩端特征曲面復(fù)雜，也是零件的裝配結(jié)構(gòu)，所以需要對(duì)這兩個(gè)位置進(jìn)行高精度、全方位掃描，得到建模所需的數(shù)據(jù)特征。為達(dá)到所需效果，在掃描時(shí)可以采用掃描轉(zhuǎn)盤小角度轉(zhuǎn)動(dòng)。側(cè)壁屬于大曲率曲面，在掃描時(shí)可以進(jìn)行定角度快速掃描采集數(shù)據(jù)。內(nèi)壁掃描時(shí)，為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，可以根據(jù)光學(xué)原理，讓掃描儀的光柵最多的投射到內(nèi)壁上，保障能采集到足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云拼接。

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

在三維掃描階段時(shí)，對(duì)設(shè)備參數(shù)的設(shè)定較為重要。掃描前處理屬于物理處理，而三維掃系統(tǒng)中的曝光、增益和對(duì)比度也較為重要，會(huì)直接影響點(diǎn)云的生成和噪點(diǎn)的過(guò)多產(chǎn)生，具體掃描流程如圖4所示。

圖4 三維激光掃描流程Fig.4 3Dlaser scanning process

（1）啟動(dòng)掃描系統(tǒng)。打開(kāi)電腦桌面的Free Scan軟件。

（2）新建工程。在新建工程時(shí)需要對(duì)項(xiàng)目參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，本次試驗(yàn)采用的是6 mm的標(biāo)志點(diǎn)，所以勾選標(biāo)志點(diǎn)類型時(shí)要注意選擇。還有項(xiàng)目中還需要設(shè)置點(diǎn)云的解析度，數(shù)字越低采集到的點(diǎn)云距離越大，特征就越模糊，采集的速度就越快，反之點(diǎn)距小、特征精細(xì)、運(yùn)行速度慢，所以在設(shè)置參數(shù)時(shí)需要根據(jù)硬件質(zhì)量和被掃描原件特征需求進(jìn)行合理參數(shù)設(shè)置[8]。本次試驗(yàn)樣件有上下端的細(xì)小特征，所以采用了0.1 mm的解析度保障特征精度。

（3）點(diǎn)云掃描。在掃描系統(tǒng)中有3個(gè)掃描的工藝，針對(duì)本次掃描的特點(diǎn)，選擇點(diǎn)云掃描選項(xiàng)。在進(jìn)入掃描前需要對(duì)掃描儀的相機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，也是本次掃描的關(guān)鍵步驟，可以把掃描頭對(duì)準(zhǔn)被測(cè)量原件，觀察動(dòng)態(tài)窗口，光柵條為綠色時(shí)曝光和對(duì)比度達(dá)到平衡，就可以設(shè)置本次掃描的相機(jī)參數(shù)。

（4）數(shù)據(jù)采集。三維掃描需要遵守基本原則，即先采集標(biāo)志點(diǎn)定宏觀掃描框架，再掃描大面幅的特征，最后采集細(xì)微特征。在掃描時(shí)需要讓原件與轉(zhuǎn)盤固定為一個(gè)整體，這樣可以保障標(biāo)志點(diǎn)拼接的精準(zhǔn)度[9]。通過(guò)上述步驟便可得到電吹風(fēng)出風(fēng)口的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行剔除冗余點(diǎn)、降噪、封裝、補(bǔ)洞得到原件的STL小平面體數(shù)據(jù)，效果如圖5所示。

圖5 STL封裝數(shù)據(jù)Fig.5 STL encapsulatesdata

2 復(fù)雜曲面重構(gòu)

經(jīng)過(guò)前面的三維掃描前處理和數(shù)據(jù)采集與修復(fù)，得到電吹風(fēng)出風(fēng)口的非參數(shù)化STL數(shù)據(jù)，為了符合設(shè)計(jì)要求和生產(chǎn)要求，就需要對(duì)其進(jìn)行曲面重構(gòu)，即把STL數(shù)據(jù)進(jìn)行領(lǐng)域劃分，并擬合出參數(shù)化曲面。再劃分領(lǐng)域時(shí)需要根據(jù)實(shí)物進(jìn)行分析區(qū)域關(guān)系，通過(guò)曲面的約束與縫合得到參數(shù)化模型，為下步的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。

2.1 對(duì)齊坐標(biāo)系

坐標(biāo)系是一個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，會(huì)直接影響后期特征的設(shè)計(jì)與加工。規(guī)格的坐標(biāo)系可以提高設(shè)計(jì)與加工的效率。通過(guò)分析電吹風(fēng)的實(shí)物，可以確定下端面有一部分為裝配的圓柱體，所以可以確定圓柱體是回轉(zhuǎn)軸為坐標(biāo)系的Z軸，柱斷面作為X-Y基準(zhǔn)面；再分析原型的外形形態(tài)，得知電吹風(fēng)出風(fēng)口是左右對(duì)稱的設(shè)計(jì)，那么便可以提出對(duì)稱平面作為X-Z平面。確定坐標(biāo)系后，可以使用Geomagic Design X軟件進(jìn)行對(duì)齊坐標(biāo)系，具體過(guò)程如圖6所示。

圖6 對(duì)齊坐標(biāo)系Fig.6 Aligned coordinatesystem

2.2 特征線提取

在復(fù)雜曲面重構(gòu)中，特征提取是非常重要的環(huán)節(jié)。對(duì)參數(shù)化模型重建進(jìn)行劃分，可以分為點(diǎn)、線、面、體4個(gè)階段，在三維掃描時(shí)已經(jīng)提取出來(lái)了點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而如何在海量的點(diǎn)云中抽取出特征點(diǎn)和擬合出曲線具有重要的造型意義。線上階段為點(diǎn)而劃成面，是模型的骨架元素。模型的特征線主要涉及3種特征線型：主骨架線、輪廓線、形狀線。提取特征線前需要對(duì)原型進(jìn)行特征歸類分析，找到搭建面的關(guān)鍵曲線，在STL小片體重可以利用反光的原理，劃定曲線的范圍，通過(guò)曲線類型的確定和曲率的設(shè)置確定特征線的定形和定位。通過(guò)原型分析，確定電吹風(fēng)出風(fēng)口的特征曲線，如圖7所示。

圖7 提取特征曲線Fig.7 Extraction characteristic curve

2.3 曲面重構(gòu)

從逆向設(shè)計(jì)角度來(lái)分析，曲面重構(gòu)就是對(duì)STL小平面體進(jìn)行面域劃分，再賦予曲面的參數(shù)，而曲面擬合參數(shù)的設(shè)計(jì)是在曲面重構(gòu)環(huán)節(jié)中的重點(diǎn)，曲面擬合達(dá)到面域順滑要求[10]。所以在曲面重構(gòu)是需要不斷分析面的光順性，不斷修正擬合參數(shù)。更具最小二乘法公式，擬合都是通過(guò)點(diǎn)進(jìn)行擬合計(jì)算，所以曲面重構(gòu)的方式有兩種，一種是通過(guò)提取特征點(diǎn)進(jìn)行擬合光順曲線再擬合出參數(shù)面，這種重建的點(diǎn)驅(qū)動(dòng)線帶動(dòng)曲面的變化，其設(shè)計(jì)邏輯性強(qiáng)，后期的修型方便；還有一種是直接在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選擇點(diǎn)進(jìn)行擬合出曲面，這種方式的曲面重構(gòu)效率較高，但少了特征線驅(qū)動(dòng)，這樣會(huì)造成后期修型困難。電吹風(fēng)出風(fēng)口采用了點(diǎn)、線、面的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行曲面重構(gòu)，效果如圖8所示。

圖8 電吹風(fēng)曲面重構(gòu)Fig.8 surface reconstruction

3 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

完成上述的曲面重構(gòu)之后，根據(jù)電吹風(fēng)的主體表面特點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)。分析原件的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)電吹風(fēng)出風(fēng)口與主體銜接不順暢，增加出風(fēng)的阻力，所以可以對(duì)出風(fēng)口的外表面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。第二是發(fā)現(xiàn)出風(fēng)口與電吹風(fēng)主體的連接結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步優(yōu)化，提高零件裝配可靠性。

3.1 電吹風(fēng)出風(fēng)口曲面銜接設(shè)計(jì)

為了改善電吹風(fēng)出風(fēng)效果，通過(guò)參考前面的曲面重構(gòu)的數(shù)據(jù)，提取最大輪廓，抽取出兩端頂點(diǎn)，再?gòu)闹卸沃须S機(jī)提取4個(gè)控制點(diǎn)，通過(guò)最小二乘法的三次多項(xiàng)式，計(jì)算4個(gè)通過(guò)點(diǎn)的三次多項(xiàng)式擬合，設(shè)多項(xiàng)式即的值，通過(guò)計(jì)算可以得到曲線的最優(yōu)曲率，令曲面更加順滑，擬合結(jié)果如圖9所示。

圖9 G1曲面銜接Fig.9 G1 surfaceconnection

3.2 裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原電吹風(fēng)出風(fēng)口是采用卡扣是裝配設(shè)計(jì)，會(huì)出現(xiàn)漏風(fēng)情況，影響使用體驗(yàn)感。為了解決這缺陷，本次試驗(yàn)對(duì)出風(fēng)口進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用U型環(huán)槽的裝配設(shè)計(jì)，增大出風(fēng)口與主體的裝配面，提高整體的氣密性。裝配槽如圖10所示。

圖10 裝配槽設(shè)計(jì)Fig.10 Assembly groovedesign

4 3D打印驗(yàn)證

進(jìn)行了電吹風(fēng)出風(fēng)口的數(shù)據(jù)采集、曲面重構(gòu)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)之后得到創(chuàng)新模型，進(jìn)行3D打印樣件制造驗(yàn)證裝配[11]。在進(jìn)行打印前需要帶模型進(jìn)行STL數(shù)據(jù)化，在近似化時(shí)需要把數(shù)據(jù)公差設(shè)為0，否則容易出現(xiàn)爛面或破洞。數(shù)據(jù)切片需要注意設(shè)置打印機(jī)層高，本次試驗(yàn)以光敏聚合物為原材料，使用DLP曝光進(jìn)行逐層固化疊加，即就是把創(chuàng)新模型進(jìn)行分層切片、離散堆積增材制造[12]。具體3D流程如圖11所示。當(dāng)產(chǎn)品打印完成時(shí)，還需要對(duì)其進(jìn)行后處理，把打印的支撐進(jìn)行剝離，并對(duì)殘余的支撐點(diǎn)打磨拋光，發(fā)現(xiàn)固化不完整時(shí)，可以采用紫外線燈進(jìn)行二次固化定型，由于3D打印都會(huì)存在臺(tái)階效應(yīng)，所以制件會(huì)存在公差偏大的情況，可以測(cè)量裝配位置再進(jìn)行修型打磨，直到順利裝配為止。最后當(dāng)發(fā)現(xiàn)打印產(chǎn)品不符合設(shè)計(jì)目標(biāo)是可以再次修改參數(shù)化模型，再打印試制，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。

圖11 電吹風(fēng)出風(fēng)口的3D打印Fig.11 3D printing of the original

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以電吹風(fēng)出風(fēng)口為載體，驗(yàn)證了基于三維激光掃描、曲面重建、功能創(chuàng)新設(shè)計(jì)和3D打印樣件是可以作為對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的高效設(shè)計(jì)鏈。對(duì)比傳統(tǒng)工藝，其減少了很多反復(fù)修模的環(huán)節(jié)，可以把每一個(gè)環(huán)節(jié)拆解單獨(dú)完成，符合目前的工種協(xié)助設(shè)計(jì)要求，提高設(shè)計(jì)效率，加快產(chǎn)品的迭代。而三維掃描和曲面重建環(huán)節(jié)還可以吸收原型的優(yōu)秀設(shè)計(jì)元素，較少樣件試制次數(shù)，壓縮產(chǎn)品生產(chǎn)的周期。新工工藝的產(chǎn)品每個(gè)功能都可以數(shù)字化設(shè)計(jì)和快速驗(yàn)證，為設(shè)計(jì)提供更系統(tǒng)的靈感。通過(guò)本次試驗(yàn)，這種新的設(shè)計(jì)工藝是可以體現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)新理念的。