逆向工程技術(shù)在工藝品設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

趙 娜

（晉城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉城 048026）

逆向工程技術(shù)是運(yùn)用三維掃描設(shè)備等手段，通過數(shù)字化設(shè)計(jì)和幾何模型重構(gòu)，將已有產(chǎn)品或?qū)嵨镛D(zhuǎn)化為三維數(shù)字化模型，繼而進(jìn)行剖析、深化和再設(shè)計(jì)，并獲得新產(chǎn)品的技術(shù)。逆向工程技術(shù)的流程通常分為四個階段，分別是實(shí)物的數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)處理階段、逆向建模階段和模型制造階段。逆向工程技術(shù)具有高效快速、普適性強(qiáng)等特點(diǎn)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，逆向工程技術(shù)較傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品的市場響應(yīng)能力，讓產(chǎn)品更趨于系列化。逆向工程技術(shù)可以順應(yīng)任何形式的產(chǎn)品開發(fā)，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)無參數(shù)信息的實(shí)物到完整信息數(shù)據(jù)整合。因此，逆向工程技術(shù)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種新思路，廣泛應(yīng)用于快速模具制造、快速原型制造、醫(yī)學(xué)、文物保護(hù)、影視制作等領(lǐng)域。

隨著生活水平的提高和文化意識的增強(qiáng)，人們對工藝品的需求也在不斷增加。傳統(tǒng)的工藝品在成型技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模上，以民間手藝人通過傳統(tǒng)工藝制作為主，有規(guī)模小和單件制作的特點(diǎn)，傳統(tǒng)工藝制作及研發(fā)速度已無法滿足市場需求。將逆向工程技術(shù)運(yùn)用于工藝品的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新中，設(shè)計(jì)者可以快速高效完成工藝品的復(fù)制和再設(shè)計(jì)，利用3D打印技術(shù)快速將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成實(shí)物，簡化了設(shè)計(jì)流程，降低了研發(fā)成本，激發(fā)了設(shè)計(jì)者在短時間內(nèi)的創(chuàng)作靈感，也滿足了不斷變化的市場需求。本文以裝飾魚為研究對象，利用逆向工程技術(shù)對裝飾魚進(jìn)行逆向建模及創(chuàng)新設(shè)計(jì)。（見圖1）

一、三維數(shù)據(jù)采集

（一）掃描前處理

本次掃描使用北京三維天下科技有限公司生產(chǎn)的Win3DD 單目非接觸光學(xué)掃描儀對裝飾魚進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于裝飾魚顏色較暗，需要對其表面噴涂白色顯像劑，增強(qiáng)其表面的反光性，保證掃描儀可以充分接收來自裝飾魚的反射激光束。為提高掃描的精確度，顯像劑的噴涂要均勻，顯像劑風(fēng)干后才可進(jìn)行掃描。

標(biāo)志點(diǎn)粘貼時，要遵循每個拼接面至少貼四個標(biāo)志點(diǎn)，且不在一條直線上，左右兩面也不能對稱粘貼；由于裝飾魚是不規(guī)則產(chǎn)品，無明顯對稱面，需進(jìn)行多方位掃描，從而進(jìn)行多視角數(shù)據(jù)的合并，標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)粘貼平面區(qū)域或曲率較小的曲面，不能影響特征采集。（見圖2）

圖1 裝飾魚模型

圖2 噴顯像劑及貼標(biāo)志點(diǎn)

（二）掃描

為確保掃描系統(tǒng)精度，先對掃描儀相機(jī)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。本次掃描和點(diǎn)云處理均使用Geomagic Wrap軟件，它的數(shù)據(jù)處理過程為點(diǎn)、多邊形和曲面三個階段，可根據(jù)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出多邊形網(wǎng)格，并自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。本次掃描需將裝飾魚實(shí)物放在黑色轉(zhuǎn)盤上，為了確保掃描儀達(dá)到最佳掃描狀態(tài)，更精確地提取到標(biāo)志點(diǎn)，調(diào)整掃描儀與裝飾魚之間的距離應(yīng)保持在600 毫米。掃描過程中保持黑色轉(zhuǎn)盤與裝飾魚的相對靜止，多次旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，完成多角度掃描，獲取精確的三維數(shù)據(jù)，保存為.asc 格式。（見圖3）

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡化

二、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

掃描到點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接在Geomagic Wrap 軟件中處理。

（一）點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡化

光學(xué)掃描設(shè)備在數(shù)據(jù)采集時，常采集到過多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，存在大量冗余數(shù)據(jù)，影響后續(xù)算法的效率，因此需要減少數(shù)據(jù)量，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡化。首先將模型進(jìn)行著色處理，再選擇“非連接項(xiàng)”命令，尺寸參數(shù)值默認(rèn)5.0mm，刪除模型周圍分離的點(diǎn)群。接著使用體外弧點(diǎn)命令，敏感度值設(shè)為100，刪除與其他多數(shù)的點(diǎn)云具有一定距離的點(diǎn)，體外弧點(diǎn)的操作可以重復(fù)2 至3 次。使用減少噪音命令，迭代參數(shù)設(shè)置3，偏差設(shè)置0.05mm。（見圖4）再使用封裝命令，對點(diǎn)云進(jìn)行三角面片化操作，勾選最大三角形數(shù)，值默認(rèn)。

（二）點(diǎn)云數(shù)據(jù)填充及平滑

由于被掃描物體的幾何拓?fù)湓蚧蛘咴趻呙柽^程中選用不同的掃描方法，物體會被遮擋，導(dǎo)致部分表面無法測量，所采集的數(shù)字化模型存在數(shù)據(jù)缺損，因此需進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)填充。裝飾魚掃描過程貼標(biāo)志點(diǎn)的位置和掃描時點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀薄之處就存在點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失，需使用單個孔填充命令，分別將漏洞及缺失處填充，選擇按曲率填充。

由于被測物體表面粗糙或者掃描過程中發(fā)生輕微振動，都會產(chǎn)生噪音點(diǎn)，這些噪音點(diǎn)會影響曲面重構(gòu)的質(zhì)量。通過數(shù)據(jù)平滑處理，可提高數(shù)據(jù)光滑度，改善曲面質(zhì)量。先刪除釘狀物，再使用減少噪音命令，執(zhí)行快速光順命令。再通過去除特征，刪除填充孔產(chǎn)生的不規(guī)則三角面片，插入一個可以和周邊三角形有序連接的多邊形網(wǎng)格，使填充部位與其它部位光滑連接。（見圖5）

三、逆向建模

將處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以.stl格式導(dǎo)入到Geomagic Design X軟件中進(jìn)行逆向建模。

圖5 封裝、填充及平滑

圖6 對齊坐標(biāo)

（一）建立坐標(biāo)系

各軟件之間的工作坐標(biāo)系不相同，導(dǎo)入DX中裝飾魚位置隨意，會影響后期逆向建模和正向設(shè)計(jì)，故重新建立坐標(biāo)系。將模型按俯視位置放置，找到模型前部分的對稱面，并繪制直線做要素變換。然后通過手動對齊命令中的面—線—點(diǎn)模式建立坐標(biāo)系。（見圖6）

（二）劃分領(lǐng)域組

劃分領(lǐng)域組是執(zhí)行面片擬合、放樣向?qū)畹幕A(chǔ)。準(zhǔn)確地劃分領(lǐng)域組有助于降低曲面建模的難度，提高曲面建模質(zhì)量。根據(jù)掃描數(shù)據(jù)的曲率和特征，Geomagic Design X 軟件的領(lǐng)域組功能可以自動將面片分為不同的幾何領(lǐng)域，也可根據(jù)實(shí)際建模需要手動劃分。劃分時遇到掃描數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的坑洼表面不劃線。裝飾魚都是曲面連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采取手動劃分領(lǐng)域組。結(jié)合建模方法，僅對魚的底面及魚背鰭部位劃分領(lǐng)域。

（三）曲面重構(gòu)

Geomagic Design X 軟件有多種曲面重構(gòu)方法，如基礎(chǔ)曲面、面片擬合、放樣和面填補(bǔ)等。工藝品造型復(fù)雜多樣，通常是多種曲面重構(gòu)方法結(jié)合使用。本次曲面重構(gòu)主要用面填補(bǔ)命令。通過3D面片草圖分區(qū)域繪制空間曲線，再通過面填補(bǔ)命令重構(gòu)曲面。（見圖7）剪切重構(gòu)的曲面，剪成平整的曲面片，通過放樣命令讓曲面片之間光滑連接，魚的尾鰭、腹鰭、胸鰭用圓角命令處理，保證光滑過渡，魚的底面及背鰭部位使用面片擬合命令生成曲面片，再與其它曲面片剪切，縫合，最終得到裝飾魚的實(shí)體。（見圖8）本次建模的難點(diǎn)在于曲率變化大的魚身曲面創(chuàng)建。用面片擬合命令和放樣都可以實(shí)現(xiàn)魚身曲面創(chuàng)建，面片擬合對領(lǐng)域組的劃分要求較為嚴(yán)格，放樣對截面輪廓曲線的數(shù)量及點(diǎn)數(shù)控制要求嚴(yán)格，相對面填補(bǔ)命令更快捷。

圖7 曲面創(chuàng)建

圖8 實(shí)體

（四）誤差分析

Geomagic Design X 軟件中的體偏差功能，可以幫助做誤差分析，在建模過程中，可以通過此命令不斷調(diào)整建模方法，獲得精確的結(jié)果，也可以在建模結(jié)束后快速了解逆向建模的實(shí)體與原始掃描數(shù)據(jù)之間的偏差。體偏差色圖用不同的顏色標(biāo)記出偏差的范圍。綠色代表在允許公差范圍內(nèi)，藍(lán)色、紅色分別代表建模模型小于、大于面片尺寸，將指針放在工件模型上即可查看偏差數(shù)值。（見圖9）裝飾魚的逆向建模質(zhì)量較好，都在公差允許范圍內(nèi)。

四、3D打印

3D 打印軟件使用的是UP Studio，打印設(shè)備使用的是太爾時代UP BOX+3D打印機(jī)，該打印機(jī)是一款基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)，材料選用ABS。將逆向建模保存的.stl 數(shù)據(jù)格式，導(dǎo)入軟件中，得到打印成品。（見圖10）

圖9 體偏差色圖

圖10 3D打印模型

五、創(chuàng)新設(shè)計(jì)

將Geomagic Wrap 軟件處理好的數(shù)據(jù)，以.stp 格式文件導(dǎo)入到軟件UG NX10.0 軟件中進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。假設(shè)需要將裝飾魚加裝一個造型獨(dú)特的擺放臺，擺放配合位置要緊密，裝飾魚不能隨意晃動?？砂凑昭b飾魚的底面形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)凸臺，并在擺放臺內(nèi)設(shè)計(jì)形狀、高度相同的凹坑，即可滿足創(chuàng)新要求。（見圖11）若需要將裝飾魚設(shè)計(jì)成可拆卸的兩部分，且對應(yīng)的軸配合緊密，可通過平面將裝飾魚實(shí)體切割成兩部分，并在切割面處設(shè)計(jì)插條和孔，方便拆卸，符合配合要求，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖11 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

六、結(jié)語

本文通過三維數(shù)字化掃描、數(shù)據(jù)處理、逆向建模、3D打印和正向創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程，為工藝品設(shè)計(jì)及創(chuàng)新提供了一種思路，實(shí)現(xiàn)了模型的快速重構(gòu)和創(chuàng)新，提高了工藝品的開發(fā)能力，降低了研發(fā)成本。