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        基于三維掃描及3D打印對南越王句鑃復(fù)制設(shè)計(jì)

        2018-04-02 07:38:05唐劍隱胡耀佳高力強(qiáng)陳世輝王為鋼艾倫華
        機(jī)械工程與自動化 2018年1期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        唐劍隱,胡耀佳,高力強(qiáng),陳世輝,王為鋼,艾倫華

        (武漢工控藝術(shù)制造有限公司,湖北 武漢 430000)

        0 引言

        武漢工控藝術(shù)制造有限公司(前武漢機(jī)械工藝研究所)在1983年首次成功復(fù)制了1978年湖北省隨縣(今隨州市)曾侯乙墓出土的曾侯乙65件套編鐘。1997年香港回歸慶典時(shí),在世界著名指揮家譚盾先生的指揮下,這套復(fù)制編鐘奏響了 “天·地·人” 交響曲。該套鐘已定為國家二級文物,現(xiàn)藏湖北省博物館。自成功復(fù)制曾侯乙編制后,公司一直致力于文物復(fù)制工作,特別在古代打擊樂器方面積累了大量研究成果。2017年,武漢工控藝術(shù)制造有限公司承接“北京師范大學(xué)—香港浸會大學(xué)聯(lián)合國際學(xué)院(UIC)南越王墓句鑃復(fù)制”項(xiàng)目,本項(xiàng)目要求在原句鑃整套8件的基礎(chǔ)上,根據(jù)現(xiàn)代演奏樂器音律要求,將整套句鑃擴(kuò)大至18件,公司技術(shù)人員通過細(xì)致研究設(shè)計(jì),在原句鑃基礎(chǔ)上,按照現(xiàn)代音律要求對新18件套句鑃進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

        1 設(shè)計(jì)方案

        1.1 整體尺寸設(shè)計(jì)

        南越王墓出土的句鑃整套為8件,項(xiàng)目要求按照現(xiàn)代演奏音律要求擴(kuò)大至18件,需在原句鑃尺寸基礎(chǔ)上按照音律分布要求重新設(shè)計(jì)整套句鑃,設(shè)計(jì)尺寸如表1所示。

        1.2 設(shè)計(jì)流程

        句鑃復(fù)制設(shè)計(jì)流程為:①1號句鑃蠟?zāi)V谱?②三維掃描1號蠟?zāi)#敵鳇c(diǎn)云數(shù)據(jù),經(jīng)處理后建立三維實(shí)體模型,并按照設(shè)計(jì)尺寸等比例放縮得到整套18件套句鑃三維實(shí)體模型;③模型輸入3D打印機(jī)打印實(shí)體;④利用打印實(shí)體進(jìn)行翻模后一次性澆注成型出產(chǎn)品。

        2 基于三維掃描及3D打印技術(shù)對句鑃的復(fù)制設(shè)計(jì)

        2.1 設(shè)備型號及工作原理

        (1) 三維掃描儀使用先進(jìn)的德國蔡司COMET-L3D-2系列藍(lán)光掃描儀。該掃描儀為非接觸式光柵藍(lán)光三維掃描儀,工作原理為:使用藍(lán)光對輸入對象進(jìn)行三維掃描,使用CCD相機(jī)接收其反射光束,根據(jù)三角測距原理獲得與拍攝物體之間的距離,并進(jìn)行三維數(shù)據(jù)化處理,經(jīng)過軟件的處理得到物體的坐標(biāo)點(diǎn)(稱點(diǎn)云)或者三角面。其掃描精度可達(dá)0.008 mm,由于該儀器具有非接觸式掃描方式和掃描精度高等優(yōu)點(diǎn),因此非常適用于文物相關(guān)行業(yè)。掃描儀如圖1所示。

        表1 18件套句鑃設(shè)計(jì)尺寸 mm

        (2) 3D打印機(jī)使用美國3D SYSTEMS公司ProJet MJP 3600 MAX打印機(jī),其基本原理是:將計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分層切片得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù),計(jì)算機(jī)根據(jù)此信息控制激光器(或噴嘴)有選擇性地?zé)Y(jié)一層接一層的粉末材料(或固化一層又一層的液態(tài)光敏樹脂,或切割一層又一層的片狀材料)形成一系列具有微小厚度的片狀實(shí)體,然后再采用熔結(jié)、聚合、粘結(jié)等手段使其逐層疊加。

        ProJet MJP 3600 MAX型3D打印機(jī)采用光固化成型法(簡稱SLA),成型材料為光敏樹脂,在極高清(XHD)模式下,打印層厚可達(dá)16 μm。3D打印機(jī)如圖2所示。

        圖1ZEISS COMET-L3D-2 5M掃描儀圖2ProJet MJP 3600 MAX打印機(jī)

        2.2 三維掃描、數(shù)據(jù)處理及建模

        (1) 1號句鑃蠟?zāi)HS掃描。設(shè)計(jì)人員先按照設(shè)計(jì)尺寸制做1號鐘體蠟?zāi)?,如圖3所示。

        (2) 掃描蠟?zāi)<皩呙椟c(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。利用三維掃描儀對1號蠟?zāi)_M(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集后的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。

        圖31號句鑃蠟?zāi)D41號蠟?zāi)T键c(diǎn)云數(shù)據(jù)

        從圖4中不難看出,鐘體的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行光順處理,同時(shí)鐘體邊緣點(diǎn)云數(shù)據(jù)有不規(guī)則噪點(diǎn),需進(jìn)行噪點(diǎn)去除和邊界平滑處理。對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理使用Geomagic Studio逆向軟件,先對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行表面光順處理,去除點(diǎn)云噪點(diǎn);然后再對處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)鐘體曲面進(jìn)行面域優(yōu)化,對點(diǎn)云邊界進(jìn)行平滑處理,并鏡像后創(chuàng)建實(shí)體。1號鐘體實(shí)體模型如圖5所示。

        圖5 1號鐘體實(shí)體模型

        (3) 實(shí)體放縮。利用1號鐘體實(shí)體模型,使用Soild Works軟件根據(jù)表1的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行實(shí)體放縮,得到18件套句鑃實(shí)體模型,并保存為STL格式。18件套句鑃實(shí)體模型如圖6所示。

        2.3 3D打印

        將設(shè)計(jì)的三維實(shí)體模型以“STL”格式輸入3D打印機(jī),使用光敏樹脂為打印材料,打印出18件套句鑃實(shí)體,其中2號句鑃打印實(shí)體如圖7所示。

        圖618件套句鑃實(shí)體模型圖72號句鑃打印實(shí)體

        3 結(jié)語

        編鐘興起于西周,盛于春秋戰(zhàn)國直至秦漢。編鐘類樂器的發(fā)聲原理大體是:鐘體小,音調(diào)就高,音量也小;鐘體大,音調(diào)就低,音量也大,所以鑄造時(shí)的尺寸和形狀對編鐘類樂器有重要的影響。而鐘體部分又是由許多不統(tǒng)一的曲面組成,這使得傳統(tǒng)的三維建模設(shè)計(jì)很難還原編鐘鐘體實(shí)際形狀,以前的設(shè)計(jì)工藝是每一個(gè)鐘體都由技術(shù)熟練的雕刻技師依照編鐘主要尺寸反復(fù)修正制作蠟?zāi)#倮孟災(zāi)_M(jìn)行翻模澆注,蠟?zāi)TO(shè)計(jì)制作需花費(fèi)大量的時(shí)間,而且對雕刻技師的水平要求極高。通過三維掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)相結(jié)合的逆向反求設(shè)計(jì),在對一個(gè)實(shí)體掃描建模后通過放縮的方式得到一套句鑃的實(shí)體模型,不僅大大節(jié)約了制作蠟?zāi)5臅r(shí)間,而且使一套句鑃鐘體曲面保持一致,這將最大程度地保持句鑃的整體美觀效果,并提高后期的調(diào)音效果。

        參考文獻(xiàn):

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