高 敏，周仁和

(淮陰工學院，淮安 223001)

0 引言

仿古家具的造型元素以曲面造型為主，其制作需要一定的文化基礎和扎實的技術，利用現有普通技術要批量生產制造這種類型的家具非常困難，因此目前它的價格比普通大批量生產的家具要高出許多。早期這類型的仿古家具的制作主要靠有著豐富經驗的熟練匠人，但隨著科學技術的發(fā)展，機械化加工的方法引入到家具加工當中，形成了批量的生產模式和方法。這種機械化的生產方式的不足之處在于應用機械在加工這些家具時，很多的裝飾性的元素很難加工出來。這一狀況隨著數字技術的發(fā)展有所好轉，在家具加工過程中，逐步引入數字控制的概念，引入數控機床，使得這一矛盾有所緩解，但還沒有完全解決。其原因就在于在仿古家具中，造型及裝飾元素中有很多元素屬于曲面造型元素。而這些元素正是這些家具的精華所在，是最難去仿制的。因此，生產難點集中在這些曲面的加工方法上。因此要批量生產制造這些家具，最好采用多軸聯動的數控機床，這些機床的數控代碼的生成需要三維數字模型，而這些仿古家具的裝飾造型的數模建立又非常困難，尤其是細節(jié)方面的模型重構更是設計中的難點。

采用逆向工程技術，可以快捷準確的生成其三維數字模型?；跀底帜Ｐ?，就可對這些家具方便的進行創(chuàng)新設計，并可以快速的導入CAM軟件，生成數控代碼，從而實現批量快速的數字化制造。另外，一般家具廠的仿古家具還存在數量雖大但款式不多，遠不能滿足消費市場的需求的問題。這也需要我們擴大仿制的古典家具的范圍，豐富仿造內容。同時，社會的進步又對仿制家具也提出了要求，那就是單純的仿制已經不能滿足當代市場的需求，必須把古董家具，如明清家具的特點融入適當的現代特色，并與當代的加工工藝、材料等相結合，才有可能設計出既具有中國傳統(tǒng)風格又具有現代時尚元素的家具產品。

1 數模重構及創(chuàng)新設計制造中的關鍵技術

1.1 逆向工程技術

逆向工程是將已有產品或實物模型轉化為工程設計模型和概念模型，并在此基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創(chuàng)造的過程[1]。目前逆向工程技術研究較多的是將獲得的三維離散數據作為初始素材，借助專用的曲面處理軟件完成曲面重構，通過一定的軟件平臺，在完成產品的再設計后，輸出NC加工指令或用STL文件驅動快速成型機制造出產品或原型。其過程一般包括點云數據采集、數據預處理和曲面重構等[2]。

1.1.1 點云數據采集

點云數據采集是利用特定的測量設備和測量方法來獲取實物模型或零部件表面離散點的幾何坐標數據，是逆向工程的最基本最關鍵的步驟[3]。點云的規(guī)則化程度和精度決定了曲面重構的質量。傳統(tǒng)的三坐標測量機測量速度很慢，只能完成很少的檢測任務，本研究采用的FARO測量系統(tǒng)適用于復雜曲面的數據采集，可高速掃描不規(guī)則曲面，能夠精確捕捉并最終形成形象逼真的三維圖像。

FARO測量系統(tǒng)是一種便攜式的測量臂系統(tǒng)，具有便攜性、高精度和易操作的特點，主要由FARO測量臂、激光掃描頭、三角架和電腦等組成。整個FARO測量系統(tǒng)中的主要部分為FARO測量臂，測量臂有六個光柵碼盤來記錄探頭工作時任意姿態(tài)的六個轉角，通過對固定臂長及實時變化的角度的記錄，即可換算出探頭在任意位置時的坐標值。測量系統(tǒng)的掃描頭發(fā)射出激光，照射到被測物體表面，然后利用CCD接受漫反射光成像點，當漫反射光斑隨被測物體表面起伏時，成像光點作相應移動，根據光源、物體表面反射點和成像點之間的三角關系，可以計算出被測表面測點的三維坐標[4]。

FARO測量系統(tǒng)所配套使用的掃描軟件為Geometric Studio，通過這個軟件可以實現對測量面的點、線、面的等多種數據處理功能，可以存儲為IGES、STEP、VDA、STL等多種導入和導出格式，能夠滿足與其他工程軟件的相互兼容。因此，FARO測量系統(tǒng)可實現對仿古家具構件表面甚至內部點云數據的自由測量。利用FARO測量系統(tǒng)掃描的基本過程如下：

1）對測量臂和激光掃描頭進行安裝和校準后，均勻噴涂顯像劑，將被測實物放置到穩(wěn)定的平臺上并固定，保證其在測量過程中不受震動干擾；

2）開機，校驗FARO測量系統(tǒng)接觸式探頭和激光掃描頭是否工作正常；

3）沿物體表面進行掃描。首先進行曝光度測試，掃描時盡量保持掃描頭與被測表面的合適距離，盡量使激光投射方向垂直于被測表面；

4）激光掃描儀能自動記錄所獲取的曲面點云數據，并將采集到的數據點動態(tài)顯示在電腦屏幕上，對未掃描到或點密度太小的部位可重復掃描；

5）保存點云數據為IGS格式，可得到仿古家具構件的點云數據。

1.1.2 數據預處理

數據預處理主要是在Geometric Studio軟件中處理所獲得的二維數據，使其符合后續(xù)操作的要求。初始掃描得到的點云數據可能存在體外點，同時在掃描過程中，由于掃描設備輕微震動、掃描校準不精確或被掃描物體表面處理不好等原因，有可能將一些噪音點引入數據中，表現為點云離散，曲面粗糙、不均勻。因此，必須對通過FARO測量所獲得的點云數據進行處理，使之更加規(guī)則化。另外，點云數據過密不利于后續(xù)的數據多邊形化，所以對點數過多的點云數據要進行數據過濾。

數據預處理主要包括：

1）消除體外點；

2）減少噪音點；

3）合并點云；

4）減少點的數量。

1.1.3 曲面重構

根據曲面拓撲形式不同，自由曲面建模分為兩大類：一是以B樣條或NURBS曲面為基礎的四邊域曲面構造方案；二是以三角Bezier曲面為基礎的三角曲面構造方案[5]。三角Bezier曲面擬合具有構造靈活、適應性好等優(yōu)點，適合表現無規(guī)則、復雜型面的物體，但所構造的曲面模型與通用CAD/CAM系統(tǒng)交換數據困難[6]。本研究中利用Geometric studio軟件將采集到的點云數據進行處理，最終生成高精度的NURBS四邊域參數曲面。

1）仿古家具構件三角面片重構

首先在點云對象上創(chuàng)建多邊形網格。一旦點對象被凈化和條理化，就可以用多邊形網格來封裝對象。

（1）填充孔。利用填充孔功能可在缺失數據的區(qū)域里來創(chuàng)建一個基于曲率的填充（curvaturebased fi lling）或一個平面填充（fl at fi lling），可以執(zhí)行全部填充、部分填充和橋填充。

（2）去除特征。利用去除特征命令可以快速去除對象上的腫塊和壓痕。該命令可以減少先刪除選中的幾何形狀、再基于曲率填充空隙的步驟。利用sandpaper(砂紙)命令來光順或松弛對象上的區(qū)域。

（3）簡化多邊形。利用Decimate（簡化多邊形）命令可以減少多邊形模型的三角片數量。該命令將在曲率較小的區(qū)域減少三角片，而在曲率較大的區(qū)域保持三角片數量。

然后進入形狀編輯階段。利用多邊形模型編輯功能對不完美之處和孔進行修復之后，即可進入下一階段——Shape Phase（形狀階段），在多邊形對象上創(chuàng)建曲面，開始曲面擬合過程。操作方法為：點擊Edit(編輯)→Phase(階段)→Shape Phase（形狀階段），點擊OK進入Shape Phase（形狀階段）對話框。用Auto Surface（自動曲面）在多邊形對象上擬合一個曲面。點擊Patches(曲面片)→Auto Surface（自動擬合曲面），移動Surface Detail(曲面細節(jié))滑桿到Max（最大）。該設置將決定在多邊形對象上最終曲面將包含的曲面數量。采用軟件的誤差分析功能可以對重構后的三角面片進行誤差分析。

2）仿古家具構件NURBS曲面重構

NURBS曲面重構是在三角面片重構的基礎上進行的，即最終曲面成形階段(Shape Phase)，此階段主要實現數據分塊與曲面構造功能[7]。

（1）通過檢測曲率(Detect Curvature)功能檢測家具構件曲率，根據軟件計算的曲率結果找出多邊形數據中的特征線(Contour Line)。

（2）創(chuàng)建面片(Construct Patches)功能在多邊形數據上可自動根據特征曲線生成四邊形網格，此時為不規(guī)則網狀。

（3）利用網格編輯功能將網格面規(guī)則化。

（4）利用創(chuàng)建柵線(Construct Grid)功能在每一個網格內建立UV參數線，然后使用擬合曲面(Fit Surface)功能使得每一個四邊形網格自動生成GI連續(xù)的曲面片（可設置最大控制點數和調整公差值）。

（5）最后利用Geometric studio的誤差分析功能對NURBS重構曲面進行誤差分析。

曲面重構后，可將該曲面STL數據導入到三維工程軟件，如UG中進行再設計。

1.2 逆向工程技術實施的軟件條件

目前比較常用的通用逆向工程軟件有Surfercer ，Delcam以及Strim。本研究中的點云數據處理主要是在Geometric Studio軟件中進行，這是和FARO相配套的數據處理軟件。本研究的逆向工程軟件平臺為UG軟件，其逆向工程模塊可以接受點云數據。

1.3 CAD/CAM技術

這里的CAD主要指的是三維CAD。在逆向工程軟件里處理完成的點云數據（一般格式為IGES或STEP格式）可以直接導入CAD軟件，以導入數據作為基礎，可以完成產品建模過程，得到產品的完整CAD模型，從而能夠描述產品的全部相關數字信息。模型制作完成后，可以在所得模型基礎上進行重新設計，也可以通過所選擇設計平臺的工程圖模塊功能輸出工程圖。在本設計中使用的是軟件是UG。將再設計后的三維模型導入UG軟件的加工模塊中，生成刀具軌跡，判斷加工的合理性，并作適當的修正。等確定各加工過程準確無誤后就可以進行程序的輸出。NC加工程序生成后，再將生成的數控加工代碼送至加工中心加工完成加工。此即為仿古家具構件的數模重構及創(chuàng)新設計制造過程。

2 結論

本研究課題以FARO測量系統(tǒng)為基礎，利用逆向工程思想對明清等傳統(tǒng)中式家具結構、造型進行數模重構，并通過產品造型創(chuàng)新完成仿制和創(chuàng)新設計全過程，主要包括：點云數據采集、數據預處理、曲面重構、逆向工程軟件平臺再設計和CAD/CAM數控加工等步驟。通過研究，得出結論如下：

1）FARO測量系統(tǒng)是獲取仿古家具部件中復雜裝飾面的曲面數據的重要工具；

2）基于三角化方法的曲面構造靈活、邊界適應性好，具有構造復雜形狀的潛力，是仿古家具產品逆向設計數模重構的一種有效方法；

3）在當前制造領域中，逆向工程技術的應用已經十分廣泛，也相對較成熟。但在家具制造領域中，尤其是仿古家具制造領域，其應用還不廣泛，因而有著廣闊的研究前景；

4）本方法可以降低仿古家具制作成本、豐富設計內涵，在工業(yè)設計領域具有重要的理論和現實意義。

[1] 王宵,劉會霞,梁佳洪.逆向工程技術及其應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004.

[2] Wu LSh,Peng Q J.Research And Development Of Fringe P-rojection Based Methods In 3-D Shape Reconstruction[J].Journal of Zhejiang University Science,2006(2):1026-1036.

[3] 蔡克中,鐘硯濤.現代產品設計中逆向工程技術的應用.包裝工程Packaging Engineering[J], 2006,27(3):157-158.

[4] FARO Arm操作手冊[Z].美國FARO公司,2006.

[5] 崔秀梅,馮文杰.基于FARO測量系統(tǒng)的汽車零部件逆向設計[J].重慶工學院學報(自然科學) Journal of Chongqing Institute of Technology(Natural Science) [J],2008,22(5):18.

[6] Szobonya L,Renner G.Construction Of Curves And Surfaces Based On Point Clouds[J].Computer and Automation Research Institute Budapest,2000.11(4):11-57.

[7] 孟凡文,吳祿慎,羅麗萍.三維面部數據采集與NURBS曲面重構[J].激光與紅外Laser ＆ Infrared[J],2010,40(3):336-337.