趙讓乾，劉豫喜

(河南工程學院 機械工程學院，河南 鄭州451191)

工業(yè)設(shè)計一般都要經(jīng)歷創(chuàng)意設(shè)計、概念設(shè)計與原型制作、設(shè)計實施、投產(chǎn)準備、產(chǎn)品生產(chǎn)等階段.在概念設(shè)計與原型制作階段，最先得到產(chǎn)品的油泥模型.以剃須刀油泥原型為研究對象，利用華朗三維掃描儀測出其點云數(shù)據(jù)，再將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio軟件進行處理改造獲得符合要求的模型.將此模型經(jīng)過分層等操作，輸入快速成型設(shè)備制得實物模型，評估其工業(yè)設(shè)計效果.這種方法實現(xiàn)了油泥模型的數(shù)字化，設(shè)計效率高，產(chǎn)品改造方便，設(shè)計成果檢驗直觀可靠.

1 剃須刀的數(shù)據(jù)采集

剃須刀的油泥模型如圖1所示.根據(jù)造型設(shè)計，將剃須刀零件分成5個部分，即刀頭、上蓋、中間件、前刀殼和后刀殼.然后，分別掃描測量、造型設(shè)計、快速成型，最后再裝配成一體.剃須刀三維數(shù)據(jù)的采集使用HOLON3DS光學面掃描儀.

1.1 剃須刀零件掃描步驟

根據(jù)剃須刀油泥模型的拆分結(jié)果逐個進行數(shù)據(jù)采集，掃描的具體過程如下:

(1)模型表面噴涂顯影劑.一般零件掃描時不需要噴涂顯影劑，但當零件表面顏色過深或反光強烈時，HOLON3DS系統(tǒng)無法捕捉到表面有效點，就需要噴涂顯影劑，如圖2所示.

圖1 剃須刀油泥模型Fig.1 The clay model of the razor

圖2 零件表面涂顯影劑及貼標志點Fig.2 The part of coating developer and landmark

(2)貼標志點與固定零件.零件較大時標志點直接貼在零件表面，零件較小時可把標志點貼在固定零件的平板四周.固定零件時，應(yīng)穩(wěn)固地粘貼在平板上，掃描過程中不得發(fā)生零件移動.

(3)開機掃描.按照開機——白光——“十”字光標——攝像頭的開機順序進行掃描.將掃描零件調(diào)整移動到十字光標處，零件與相機鏡頭的距離保持在1 m左右.調(diào)整零件及固定板的方位和角度，使白光垂直零件，直到平板上標志點在掃描界面中出現(xiàn)至少3個綠點為止，單擊“掃描”按鈕開始掃描.

(4)掃描數(shù)據(jù)融合.為了求得零件完整的掃描點云，需多次調(diào)整零件方位，讓零件的不同部位都能有掃描點云數(shù)據(jù).這些點云數(shù)據(jù)經(jīng)過融合，就可得到零件完整的表面數(shù)據(jù).多幅點云數(shù)據(jù)融合后的前刀殼點云見圖3.

圖3 前刀殼掃描點云數(shù)據(jù)Fig.3 The scanning point cloud of razor knife shell before

1.2 零件掃描時應(yīng)注意的問題

(1)顯影劑的均勻性［1］.黑色表面、透明面、反光面需要噴灑顯影劑，顯影劑噴涂要均勻、厚薄一致.

(2)貼標志點的無規(guī)律性.貼標志點時要避免貼成直線或有規(guī)律的點陣，標志點應(yīng)該貼得交錯無序，這樣才有利于系統(tǒng)捕捉并保證掃描精度.

(3)邊界的清晰性.待掃描零件的邊界要盡量與底面的標定板有一定距離，這樣有利于保持邊界點云數(shù)據(jù)的清晰性.當邊界數(shù)據(jù)有較清晰的界限時，有利于反求出精確的輪廓線，給后續(xù)的處理帶來方便.

(4)掃描時固定零件的平板與投影光一般需要垂直，因為垂直時才能捕捉到比較多的綠標志點，也可以有一定的偏角，偏角一般不超過30°，超過了就會捕捉不到綠點或者掃描數(shù)據(jù)有缺失.

(5)掃描的穩(wěn)定性.影響掃描穩(wěn)定性的因素很多，主要有強光照、劇烈熱對流引起的振蕩，還有測量掃描過程中系統(tǒng)與測量對象的振動，這些都應(yīng)該嚴格避免，否則會影響掃描數(shù)據(jù)的準確性.

(6)掃描時間的規(guī)律性.開機后掃描系統(tǒng)需要一個預(yù)熱過程，掃描也不能持續(xù)時間太長，否則掃描儀的溫度會升高，工作效率會有所降低，掃描質(zhì)量也會受到影響.

2 剃須刀掃描數(shù)據(jù)的后期處理研究

反求掃描數(shù)據(jù)的后期處理是一項重要的工作.剃須刀點云數(shù)據(jù)的后處理是利用Geomagic Studio軟件進行的，分為點處理、多邊形處理與曲面處理3個階段.

2.1 點處理階段

2.1.1 去除離散點

掃描零件時，光線的投射范圍較大，會將一些背景物、桌面或固定零件的物體一并掃描進來.這一類點遠離零件輪廓，較好識別，可采用Geomagic Studio軟件提供的Rectangle Tool，Ellipse，Paintbrush，Lasso Tool等工具選擇［2-3］后刪除.另一類離散點距離零件輪廓較近，將其拉入主點云后會使曲面擬合誤差變大，可用軟件中“非連接項”和“體外孤點”功能來刪除.圖4為原始點云，圖5為刪除離散點后的點云.

2.1.2 減少噪音點

在掃描過程中，由于掃描設(shè)備微震動、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人數(shù)據(jù)中，表現(xiàn)為曲面對象粗糙或不均勻等.在Geomagic Studio界面上，選擇“減少噪音”——“自由曲面形狀”——拖動平滑度水平到“無”，觀察不減少噪音的情況下點云(曲面)的狀況，判斷是否需要減少噪音.然后，設(shè)置“迭代參數(shù)”和“偏差值”，點擊“預(yù)覽”，將光標移到點云上左擊，再拖動“平滑度水平滑動條”從“無”到“最大”觀察，找到最平滑的值.選擇“顯示偏差”，點擊“應(yīng)用”，可以得到偏差色譜圖.

圖4 原始點云Fig.4 The original point cloud

圖5 去除離散點后的點云Fig.5 The point cloud after removal of discrete points

2.1.3 點云采樣

利用HOLON3DS光學面掃描系統(tǒng)掃描得到一副點云，點數(shù)據(jù)達到幾十萬個到一百多萬個，密集的點云數(shù)據(jù)雖然保證了測量精度，但給后續(xù)處理帶來了困難，所以需要對測得的數(shù)據(jù)進行稀疏化和過濾.常采用統(tǒng)一采樣法，以規(guī)定的密度減少曲面上的點數(shù)目.首先，單擊“統(tǒng)一采樣”——“絕對”選項，定義“間距值”為0.3 mm，“曲率”優(yōu)先調(diào)到適中.然后，勾選“保持邊界”選項來保留沿邊界的點，經(jīng)過采樣操作后可將點數(shù)由336 310個減少到52 898個.點云統(tǒng)一采樣后，數(shù)據(jù)點減少了，而且還能夠保持相對精確的外形，如圖6和圖7所示.

圖6 采樣前點云圖Fig.6 The point cloud before sampling

圖7 采樣后點云圖Fig.7 The point cloud after sampling

2.1.4 點云封裝

封裝就是把處理過的點云數(shù)據(jù)進行封裝處理，利用許多細小的空間三角片來逼近還原CAD曲面模型，所以三角片質(zhì)量的好壞直接影響后面的NURBS曲面質(zhì)量.點云封裝后的曲面模型見圖8.

圖8 封裝后的多邊形曲面Fig.8 The polygon surface after encapsulation

2.2 多邊形處理階段

2.2.1 填充孔

掃描采集數(shù)據(jù)時，由于點云數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致多邊形曲面存在三角面孔洞，如圖9所示.孔洞的邊界往往比較雜亂，修補應(yīng)遵循先刪后補的原則，用邊界選擇工具將邊界上的三角面選中并刪除，直到孔洞周邊的三角面無翹曲、曲率基本一致.再選取“基于曲率填充”選項進行修補，可獲得近乎無痕跡的修補效果，如圖10所示.

圖9 曲面三角形孔洞Fig.9 The triangle holes on the surface

圖10 填補后的曲面Fig.10 The surface after filling the hole

2.2.2 簡化與修復(fù)多邊形

通過“簡化多邊形”命令可以減少網(wǎng)格曲面的三角片數(shù)量，以提高后續(xù)的計算速度.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(shù)量，所以不會破壞模型的細微結(jié)構(gòu).多邊形的處理不能僅憑著肉眼觀察，有時看似完好的多邊形其實還有許多的地方存在缺陷，所以需要運用“網(wǎng)格醫(yī)生”自動檢測并修復(fù)多邊形網(wǎng)格內(nèi)的缺陷.

2.3 成形階段

完成多邊形的點處理后進入成形階段，對模型進行NURBS曲面重構(gòu).Geomagic Studio提供兩種方法，一是自動探測輪廓線對曲面進行網(wǎng)格劃分，即在相對比較平坦的區(qū)域之間放置紅色分隔符，允許調(diào)整這些區(qū)域分隔符并在這些區(qū)域放置黃色或橙色的輪廓線;二是根據(jù)探測曲率線對曲面進行網(wǎng)格劃分.由于本研究處理的零件外形比較復(fù)雜，故采用第二種方法.

2.3.1 探測曲率

使用“探測曲率”功能和“自動估計”的方式，曲率為0.3，單擊“確定”后自動探測曲率.由于是自動探測，探測的輪廓線難以完全滿足曲面片劃分的要求，所以還需要手動調(diào)整輪廓線.通過升級約束、移動曲率線、編輯輪廓線等操作獲得與外形比較接近的輪廓線［4］，如圖11所示.

2.3.2 構(gòu)建及編輯曲面片

通過對多邊形曲面進行分析，將其劃分為大小合適的曲面區(qū)域并自動產(chǎn)生曲面片.劃分曲面的基本原則是使每塊曲面片的曲率變化盡量均勻，在擬合曲面時能夠更好地捕捉到三角網(wǎng)格曲面的外形、降低擬合誤差;使每塊曲面片盡量為四邊域曲面，以利于后續(xù)的NURBS曲面重構(gòu).由于自動生成的四邊形網(wǎng)格往往呈現(xiàn)不規(guī)則的網(wǎng)狀，可利用“網(wǎng)格編輯”功能將其排成比較規(guī)則的網(wǎng)格面;利用“松弛”功能，將曲面片變得比較有規(guī)律，防止曲面片相交;利用“移動”功能，在面板內(nèi)重新排列曲面片，創(chuàng)建一個更規(guī)則的曲面片布局等.構(gòu)建及編輯后的曲面片如圖12所示.

圖11 探測曲率后的零件輪廓線Fig.11 Parts contour line after detect curvature

圖12 構(gòu)建及編輯后的曲面片F(xiàn)ig.12 The surface piece after building and editing

2.3.3 構(gòu)造格柵

曲面片構(gòu)建好之后，需要構(gòu)造格柵，從而自動地在每一塊曲面片內(nèi)產(chǎn)生有序的U-V網(wǎng)格.每一個曲面片的網(wǎng)格線數(shù)目都是相等的，數(shù)目大小要視曲面片劃分的大小和模型的精細結(jié)構(gòu)而定，數(shù)目太少可能會漏掉一些特征.構(gòu)造格柵時，單擊“格柵”功能，把分辨率調(diào)成20，選擇“修復(fù)相交區(qū)域”，再選擇“檢查幾何圖形”，單擊“應(yīng)用”，就能構(gòu)造出格柵，如圖13所示.

2.3.4 擬合曲面

擬合曲面是完成NURBS重構(gòu)的最后一個環(huán)節(jié)，即產(chǎn)生由多個NURBS曲面片構(gòu)成的完整曲面，“最大控制點數(shù)”表示每個曲面片控制點的最大數(shù)量，而“公差”反映了NURBS曲面與原始曲面的最大距離.這里采用缺省值，最大控制點設(shè)為18，公差設(shè)為0.060 4 mm.圖14為擬合出NURBS曲面的刀殼模型.

圖13 構(gòu)造后的柵格圖Fig.13 The grid figure after structuring

圖14 擬合的刀殼曲面Fig.14 The knife shell surface fitting

擬合完成的NURBS曲面需比較構(gòu)建的曲面與掃描的點云資料之間的誤差，經(jīng)過誤差比較，平均距離為0.004 mm，標準偏差為0.007 mm，擬合后的曲面變得更加準確.誤差分析如圖15所示.

圖15 擬合曲面誤差分析圖Fig.15 The error analysis of fitting curved surface

3 剃須刀模型快速成型制造

將反求工程和快速成型技術(shù)結(jié)合起來可以實現(xiàn)快速原型制造，提高產(chǎn)品的設(shè)計速度，加快產(chǎn)品的研發(fā).剃須刀殼體在完成曲面擬合和改造設(shè)計后，利用Inspire D290快速成型設(shè)備可迅速完成其模型制造.

3.1 模型前處理

Inspire D290快速成型設(shè)備利用熔絲堆積法進行快速成型制造，將利用反求方法構(gòu)建的剃須刀模型導(dǎo)入系統(tǒng)，將格式轉(zhuǎn)換為STL格式，調(diào)整模型在Inspire D290系統(tǒng)中的成型方向.最后，對三維數(shù)字模型進行切片處理.在選擇合理的成型方向后，在成型高度方向上對STL格式的數(shù)據(jù)模型用分層的平面切割，提取截面的輪廓信息.分層的間隔一般取0.05～0.5 mm，間隔越小，成型零件的精度越高，但成型時間也越長，一般取0.1 mm.

3.2 快速成型制造

快速成型系統(tǒng)的工作過程是根據(jù)計算機提供的經(jīng)過切片處理的三維模型，在快速原型機上按照每一層截面的輪廓在計算機的控制下由噴頭噴吐黏結(jié)劑和熱熔材料形成每一層相應(yīng)的截面輪廓，并順序分層疊加從而形成零件的過程，它是快速原型技術(shù)的核心部分.

3.3 快速成型制造的后處理

從快速原型機上取下的制品往往需要進行剝離，以去除廢料和支撐結(jié)構(gòu)，有時還需要進行后期固化、修補、打磨、拋光和表面強化處理等.

4 結(jié)語

研究了利用HOLON3DS光學面掃描系統(tǒng)進行剃須刀反求設(shè)計的方法和步驟，提出了反求過程中應(yīng)注意的問題.對剃須刀模型點云數(shù)據(jù)的后處理進行了探討，完成了剃須刀各部件的點云處理及造型設(shè)計并將其成功導(dǎo)入快速成型設(shè)備加工制造和裝配，從而實現(xiàn)了產(chǎn)品概念設(shè)計中油泥模型的數(shù)字化.這種設(shè)計方法效率高、產(chǎn)品改造設(shè)計方便，設(shè)計成果檢驗直觀可靠.

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［2］付偉，張海.基于Geomagic Studio軟件的逆向工程設(shè)計［J］.工具技術(shù)，2007，41(11):54-57.

［3］成思源，劉俊，張湘?zhèn)?基于手持式激光掃描的反求設(shè)計實驗［J］.實驗室研究與探索，2011，30(8):153-156.

［4］周密.基于逆向工程的曲面加工及快速制造技術(shù)研究［D］.西安:西安理工大學，2007.