摘 要：采用三維掃描技術(shù)，結(jié)合Geomagic Studio逆向軟件和Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件對散熱扇進(jìn)行逆向建模。首先應(yīng)用三維掃描儀采集散熱扇點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)用Geomagic Studio進(jìn)行處理，生成曲面模型；再導(dǎo)入三維建模軟件實(shí)體化，獲得散熱扇實(shí)體模型。最后用3D打印機(jī)，打印出零件模型，實(shí)現(xiàn)逆向制造。證實(shí)了三維掃描和3D打印在逆向設(shè)計(jì)及制造中的可行性。

關(guān)鍵詞：三維掃描；逆向設(shè)計(jì)；3D打印

引言

以三維建模和仿真為核心技術(shù)的數(shù)字化制造技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航空航天、工業(yè)制造、汽車制造等多個(gè)領(lǐng)域，并推動制造技術(shù)由經(jīng)驗(yàn)制造轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)制造[1]?；谌S掃描技術(shù)的逆向工程是一種先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)。早期的逆向設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來源是機(jī)械測量，效率很低，并且誤差很大。目前，多采用三維掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以大大提高逆向設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的精度[2-4]。文章以散熱扇為例，采用深圳市華朗科技有限公司生產(chǎn)的Holon-3DX三維掃描儀進(jìn)行表面數(shù)據(jù)采集，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用逆向軟件Geomagic Studio對點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，再用Pro/E數(shù)字化建模，最后輸出STL模型，進(jìn)行3D打印，完成實(shí)體建模。

1 三維掃描儀和點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

1.1 三維掃描儀

逆向工程獲取物體三維信息的常見方法可分為接觸式和非接觸式兩大類，文章采用的非接觸式測量法。Holon-3DX掃描儀掃描物體時(shí)能隨意變換物體角度，全方位測量，不同角度測量數(shù)據(jù)能自動拼接到一起。與傳統(tǒng)三坐標(biāo)測量儀和激光三維掃描儀相比具有速度快、精度高、易操作、可移動等特點(diǎn)。

Holon-3DX三維掃描儀由兩個(gè)攝像頭和一個(gè)光柵發(fā)射器組成。測量時(shí)光柵投影裝置投影多幅多頻光柵到待測物體上，成一定夾角的兩個(gè)攝像頭同步采集相應(yīng)圖像，然后對圖像進(jìn)行解碼和相位計(jì)算，并利用立體匹配技術(shù)、三角形測量原理，計(jì)算出攝像機(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

1.2 數(shù)據(jù)采集

打開掃描儀之后應(yīng)對掃描儀進(jìn)行定標(biāo)。掃描前一般要在物體表面均勻噴涂白色顯影劑，并在被測物上貼好標(biāo)示點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)貼放時(shí)盡量以不影響散熱扇特征點(diǎn)掃描為原則，貼在沒有特征點(diǎn)的表面，并保持標(biāo)示點(diǎn)之間的距離相近，以保證掃描數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。外部環(huán)境光線的明暗程度對數(shù)據(jù)采集有一定影響，要保證周圍環(huán)境光線不能太亮，并且不能有太大變化。

掃描時(shí)需要獲取物體不同角度的表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，文章使用的三維掃描儀的掃描系統(tǒng)軟件會自動拼接相鄰兩個(gè)視角掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以獲取完整的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描過程及結(jié)果如圖3、圖4。

掃描完成后對得到的散熱扇點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，刪除不需要及誤差大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后輸出*.ply格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并保存。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與曲面重構(gòu)

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在掃描過程中，由于掃描系統(tǒng)本身誤差及周圍環(huán)境等因素的影響，采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免的會受到干擾，存在有較大誤差的壞點(diǎn)，即雜點(diǎn)、噪音點(diǎn)、冗余點(diǎn)。所以，反求模型前必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理。對于偏離較大的點(diǎn)和孤立的冗余點(diǎn)可用直接觀察法手動刪除，并配合使用分離點(diǎn)和去除體外孤點(diǎn)的方法刪除不太明顯的雜點(diǎn)、噪音點(diǎn)。

將掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic studio軟件中進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。該散熱扇所有葉片都相同，前期為了減少工作量，可只對部分葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)作處理。最后，將點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)化為三角形網(wǎng)格模型。通過細(xì)分、簡化三角形、刪除表面釘狀物、快速光順等操作修復(fù)三角形網(wǎng)格模型的缺陷，以方便后續(xù)的曲面擬合。

2.2 曲面重構(gòu)

曲面重構(gòu)是根據(jù)已有曲面數(shù)據(jù)，構(gòu)造反映其形狀的數(shù)學(xué)模型的過程。目前曲面重構(gòu)的方法有三種，分別是B樣條和NURBS曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方法、以三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方法和以多面體方式來逼近曲面物體的重構(gòu)方法。本次采用B樣條和NURBS曲面為基礎(chǔ)的四邊域曲面構(gòu)造方法。使用該方法進(jìn)行曲面重構(gòu)與一般的CAD系統(tǒng)兼容性較好。

經(jīng)過上述處理之后，三角形網(wǎng)格模型已經(jīng)得到了很好的優(yōu)化，可進(jìn)行曲面造型，重構(gòu)散熱扇曲面模型。對網(wǎng)格模型進(jìn)行探測輪廓線操作，計(jì)算并抽取出輪廓線，然后通過編輯輪廓線，使曲面片能夠更好的劃分。再通過構(gòu)造格柵，檢查模型區(qū)域，構(gòu)建出一個(gè)完整的曲面模型，接著根據(jù)格柵擬合NURBS曲面。處理過程如圖5所示。

經(jīng)過偏差分析可以看到曲面擬合后的統(tǒng)計(jì)誤差，是否滿足擬合的要求。圖6可看出平均偏差在0.0244～-0.0202mm之間，在可以接受范圍。

3 實(shí)體建模及打印

3.1 實(shí)體模型

將在Geomagic Studio中擬合好的散熱扇NURBS曲面模型以IGSE格式保存后導(dǎo)入到Pro/E軟件中，可通過縫合、曲面拼接、實(shí)體化等方法生成實(shí)體模型，并可以修改三維模型數(shù)據(jù)，優(yōu)化模型。如圖7是最終完成的風(fēng)扇葉片實(shí)體模型。

3.2 實(shí)體模型打印

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來完成物體的形態(tài)塑造的技術(shù)。它無需機(jī)械加工或模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。將上述步驟得到的散熱扇模型生成STL文件，輸入到3D打印機(jī)，即可打印出散熱扇實(shí)體。

4 結(jié)束語

利用三維掃描技術(shù)獲取待測模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用相關(guān)軟件設(shè)計(jì)造型，這是逆向工程的發(fā)展趨勢。文章通過三維掃描儀獲得散熱扇的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后通過Geomagic Studio和Pro/E軟件進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，得到散熱扇三維實(shí)體模型，并在三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改數(shù)據(jù)，改正缺陷等二次開發(fā)過程，最后可利用3D打印機(jī)將打印散熱扇模型，完成逆向制造。結(jié)果表明，三維掃描和3D打印結(jié)合的逆向工程可以在沒有產(chǎn)品圖紙的情況下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品建模及制造，和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，可以大大縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，快速響應(yīng)市場，提高企業(yè)競爭力。

參考文獻(xiàn)

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