李超群　馬玲

摘? 要：隨著智能制造技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計逐步趨于智能化，快速化。使用三坐標測量儀對iPhone6手機外形進行數(shù)據(jù)掃描，得到點云數(shù)據(jù)，將經(jīng)過處理的點云進行三維數(shù)據(jù)模型的重構(gòu)，生成三維實體的數(shù)學(xué)模型，通過3D打印機將數(shù)學(xué)模型實體化，完成了基于逆向工程技術(shù)與快速成型技術(shù)的手機模型的智能制造。

關(guān)鍵詞：智能制造;逆向工程;快速成型;數(shù)學(xué)模型

中圖分類號：TP391.7? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）34-0148-02

Abstract： With the rapid development of intelligent manufacturing technology， product design tends to be intelligent and rapid. The shape of iPhone6 mobile phone is scanned by three-dimensional coordinate measuring instrument， and the point cloud data is obtained. The processed point cloud is reconstructed to form the mathematical model of three-dimensional entity， and the mathematical model is materialized by 3D printer. The intelligent manufacturing of mobile phone model based on reverse engineering technology and rapid prototyping technology is completed.

Keywords： intelligent manufacturing; reverse engineering; rapid prototyping; mathematical model

1 概述

近年來，隨著智能制造的發(fā)展，逆向工程技術(shù)和快速成型技術(shù)在家電、交通工具、航天、醫(yī)療、通信、輕工業(yè)等領(lǐng)域的研究增多，但大多僅是其中一項技術(shù)的單獨運用。從如圖1所示基于逆向工程和快速成型技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計流程可以看出，快速成型技術(shù)的支持使得逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)更趨完善，提高了產(chǎn)品創(chuàng)新的效率，必將成為產(chǎn)品設(shè)計的發(fā)展方向[1]。本文以手機外形重建為例，探索兩者結(jié)合使用的可行性，為其在工業(yè)發(fā)展上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

本文通過對iPhone6手機外形的數(shù)學(xué)模型重建及實體模型的加工制造，將逆向工程技術(shù)和快速制造技術(shù)結(jié)合起來，完整地展示了針對手機進行逆向設(shè)計的思路和流程，為二者在其他工業(yè)設(shè)計中應(yīng)用的可行性奠定了基礎(chǔ)。

2 基于逆向工程技術(shù)的iPhone6手機外形重構(gòu)

手機行業(yè)競爭日益激烈，手機外觀作為一項關(guān)鍵因素，能夠借助逆向工程技術(shù)在短時間內(nèi)，高效率地完成手機外觀開發(fā)工作，將實現(xiàn)企業(yè)面對行業(yè)市場復(fù)雜多面的市場需求進行即時響應(yīng)?？紤]到后期的模具設(shè)計、數(shù)控加工、快速成型制造、產(chǎn)品的再設(shè)計等領(lǐng)域都需要CAD數(shù)學(xué)模型的支持，因此手機外形重構(gòu)大大影響到其實體模型的精度。

2.1 采集實體三維數(shù)據(jù)

三坐標測量機具有對連續(xù)曲面進行掃描來制備數(shù)控加工程序的功能，因此，本文選擇三坐標測量機測量iPhone6手機模型數(shù)據(jù)。三坐標測量機的主要機構(gòu)如圖2所示，包括主機、CNC裝置，測頭、伺服系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等部分組成。

測量步驟如下：將iPhone6手機模型定位到工作臺上，當測桿測頭接觸模型時，測頭內(nèi)部產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，并通過發(fā)信臂內(nèi)的電磁耦合器將此信號傳遞給接受信號的模塊，隨后進入控制器。信號進入控制器后，經(jīng)整形由相應(yīng)的接口傳到數(shù)控系統(tǒng)的指令端，向機床發(fā)出終止移動指令，從而使測桿測頭接觸模型瞬間的坐標位置被觸發(fā)信號“封鎖”，并進行運算處理，同時測量機進入下一個程序段。重復(fù)上述測量過程，便可自動完成所需坐標數(shù)據(jù)的測量。將采取到點（三維坐標）組成如圖3所示點云，將其傳輸?shù)近c云處理軟件進行下一步的處理。

2.2 測量數(shù)據(jù)的處理

逆向工程其中重要的一項技術(shù)環(huán)節(jié)是測量數(shù)據(jù)的后處理，它決定著后續(xù)模型重建過程能否方便、準確地進行。一般選擇IGES格式作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式。數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容包括：增加補償點、去除噪聲點、精化數(shù)據(jù)點、加密數(shù)據(jù)點、變換坐標、數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出[2-3]。

在所獲得的點云數(shù)據(jù)，需要通過數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)拼接，選取一部分數(shù)據(jù)為固定，其余部分為浮動，分批通過點的全局注冊將其合并起來。對兩個或更多粗配準的點對象或多邊形的配準進行細化，將生成的點云誤差控制在（±0.1）mm，最后將所有點合并到一個公共的坐標系下，減少噪聲、簡化數(shù)據(jù)、封裝，從而得到一個完整的點云[4]。最后使用數(shù)據(jù)軟件處理傳輸過來的點云傳輸?shù)饺S建模軟件上進行下一步驟。

2.3 iPhone6手機外形數(shù)學(xué)模型重建

根據(jù)測量數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)來源和造型方式，認為iPhone6手機外形的幾何特征復(fù)雜型不高，難度不大，采用UG軟件將點云數(shù)據(jù)擬合成曲線，再通過將曲線經(jīng)拉伸、倒圓角等方法轉(zhuǎn)化為曲面，進一步轉(zhuǎn)化為CAD三維模型，生成如圖4所示的iPhone6手機數(shù)學(xué)實體模型。

3 基于3D打印技術(shù)的iPhone6手機外形快速成型

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)的快速成型技術(shù)，運用粉末狀金屬、塑料、陶瓷等可粘合材料，通過逐層打印方式構(gòu)造零件的技術(shù)[5]。得到iPhone6手機外形數(shù)學(xué)模型后，即可憑借快速成型技術(shù)完成實體模型的充制，本文選用的模型快速成型設(shè)備是如圖5所示的3D打印機。