李小明

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，四川 遂寧 629000）

工業(yè)4.0的號(hào)角已經(jīng)吹響國(guó)內(nèi)外，我國(guó)也提出了中國(guó)工業(yè)2025，中國(guó)要從制造大國(guó)轉(zhuǎn)為創(chuàng)新、創(chuàng)造大國(guó)，目前產(chǎn)品制造業(yè)仍然存在“山寨文化”，當(dāng)然產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須要經(jīng)過(guò)模仿、改良、創(chuàng)新等一系列過(guò)程，中國(guó)要實(shí)現(xiàn)從過(guò)去的Made In China轉(zhuǎn)為China manufacturing，在工業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代快節(jié)奏的時(shí)代，如何快速地進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)建模與制造是至關(guān)重要的。工業(yè)產(chǎn)品種類繁多，形狀各異，產(chǎn)品模型表面往往由曲面構(gòu)成，而曲面建模歷來(lái)是耗時(shí)又耗力，針對(duì)復(fù)雜曲面，傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)比較困難，需要反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，修改才能達(dá)到要求，因此，像人體這種復(fù)雜曲面建模需要用到逆向工程技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外諸多專家學(xué)者對(duì)于逆向工程研究已做了大量工作，通過(guò)利用一個(gè)人體曲面建模案例來(lái)介紹逆向工程技術(shù)與快速成形技術(shù)(RP)和3D打印相結(jié)合的過(guò)程。

1 現(xiàn)代逆向設(shè)計(jì)方法

1.1 Geomagic Studio軟件介紹

在逆向工程技術(shù)領(lǐng)域，Geomagic Studio運(yùn)用較廣泛，是常用的點(diǎn)云處理及三維曲面構(gòu)建功能最強(qiáng)大的逆向工程軟件之一，由美國(guó) Raindrop(雨滴)公司出品，利用它可將掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為 NURBS曲面，該軟件包括Qualify、Capture、Wrap、Shape、Fashion 五個(gè)通用模塊。

1.2 逆向工程流程與正向工程流程

圖1 逆向工程流程

（1） 逆向工程定義.逆向工程（Reverse Engineering，RE）或逆向設(shè)計(jì)也稱反求工程或反求設(shè)計(jì)。它是將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)，幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱，是將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)模型和概念模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造的過(guò)程，其主要包括模型數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)處理、CAD三維模型重構(gòu)、創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)物制造幾個(gè)階段。其工作流程如圖1所示。

（2）正向設(shè)計(jì)與逆向設(shè)計(jì)對(duì)比。產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員首先根據(jù)功能、性能以及大致的技術(shù)參數(shù)要求構(gòu)思產(chǎn)品的外形等，再利用CAD建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將模型轉(zhuǎn)入制造流程，完成產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)制造周期，是一個(gè)“從無(wú)到有“的過(guò)程。產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型或?qū)嵨?，通過(guò)各種測(cè)量手段及三維幾何建模方法，將原有實(shí)物轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)上的三維數(shù)字模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，是一個(gè)“從有到無(wú)”的過(guò)程。其各自的流程如圖2、圖3所示。

圖2 產(chǎn)品正向建模流程

圖3 產(chǎn)品逆向建模流程

2 人體逆向建模過(guò)程

2.1 人體數(shù)據(jù)采集

采用某國(guó)產(chǎn)手持式人像掃描儀進(jìn)行人體數(shù)據(jù)采集，主要采集人體上半身區(qū)域，采用機(jī)繞人360度旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行，獲取ASC格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 人體原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 人體數(shù)據(jù)后期處理

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)階段預(yù)處理。人體掃描由于采用的是360度全方位一次完成，因此數(shù)據(jù)是完整的單片數(shù)據(jù)，避免了普通多次掃描后需要合并的過(guò)程，省略了“點(diǎn)云注冊(cè)”、“統(tǒng)一采樣”和“連結(jié)點(diǎn)對(duì)象”步驟。但由于采集的過(guò)程中因環(huán)境等光線變化，人體輕微移動(dòng)，設(shè)備運(yùn)動(dòng)不規(guī)律等因素造成將一些噪音雜點(diǎn)也采集進(jìn)去，因此必須通過(guò)手動(dòng)刪除或者使用Geomagic中“減少噪音”、“斷開(kāi)組件連接”、“體外孤點(diǎn)”命令處理。為提高計(jì)算機(jī)顯示刷新速度，可將動(dòng)、靜態(tài)顯示百分比調(diào)低，方便觀察應(yīng)對(duì)點(diǎn)著色顯示。點(diǎn)云處理的好壞直接關(guān)系到后續(xù)能否更快更好的得到多邊形對(duì)象，因此點(diǎn)云預(yù)處理十分重要。

（2）多邊形片面處理。處理好的點(diǎn)云即可通過(guò)“封裝”命令轉(zhuǎn)為三角面片。由于存在“測(cè)量死區(qū)”以及頭發(fā)服飾等原因，封裝后的模型存在一些孔洞，多余的三角面、或表面不光順等缺陷和錯(cuò)誤,因此必須要進(jìn)行修補(bǔ)。首先打開(kāi)全局坐標(biāo)軸，精確移動(dòng)模型，擺正人體位置，再使用“裁切”命令創(chuàng)建完整邊界，“填充”命令補(bǔ)孔，“創(chuàng)建流形”命令刪除懸浮三角面，“刪除釘狀物”命令去掉尖角，以及“雕刻”，“砂紙”等命令對(duì)頭發(fā)，面部進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，最后使用“網(wǎng)格醫(yī)生”命令綜合診斷修復(fù)完成多邊形處理過(guò)程如圖5所示。

圖5 多邊形處理過(guò)程

（3）曲面重構(gòu)。Geomagic軟件中曲面構(gòu)建有兩個(gè)方法，即shape形狀階段和Fashion參數(shù)化階段，選擇形狀模塊進(jìn)入，對(duì)于輪廓線的處理主要有探測(cè)輪廓線和探測(cè)曲率，編輯、提升約束等，對(duì)于人體輪廓形狀不明顯，外形復(fù)雜不規(guī)則的模型，優(yōu)先采用探測(cè)曲率方式，也可以采用手繪的方式創(chuàng)建“曲面片布局圖”如圖6a,并使用“移動(dòng)”，“松弛”，“修理”等命令調(diào)整輪廓線或曲面片。然后執(zhí)行“構(gòu)造柵格”并調(diào)整柵格位置，對(duì)曲面自動(dòng)參數(shù)化如圖6b所示,最后執(zhí)行“擬合曲面”命令，創(chuàng)建人體NURBS曲面如圖6c所示。

圖6 曲面重構(gòu)過(guò)程

3 3 D快速成型

將逆向處理完成的CAD數(shù)據(jù)模型保存為3D打印機(jī)可識(shí)別的STL數(shù)據(jù)格式，3D打印設(shè)備使用北京太爾時(shí)代UP桌面級(jí)3D打印機(jī)，采用ABS材料打印。其打印過(guò)程如圖7。

圖73 D打印模型

4 結(jié)語(yǔ)

如何快速創(chuàng)新地完成復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)與制造在現(xiàn)代制造業(yè)中顯得愈發(fā)重要，特別是國(guó)家提出工業(yè)2025戰(zhàn)略計(jì)劃后，中國(guó)制造業(yè)要在國(guó)際上崛起，必須要學(xué)習(xí)、引進(jìn)和推廣新工藝、新技術(shù)、新理念。運(yùn)用案例將目前比較熱門的逆向工程與快速成型之3D打印技術(shù)相結(jié)合的過(guò)程進(jìn)行介紹，講述了人體逆向建模與制造的相關(guān)操作流程和方法，為同類產(chǎn)品建模與成型提供思路和方法，減少了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

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