夏會芳，劉怡來，朱鳳霞，溫 娟

(武漢華夏理工學院 智能制造學院，湖北 武漢 430223)

0 引言

逆向工程(Reverse Engineering,RE)也稱反求工程、反向工程，是將實物轉(zhuǎn)化為CAD模型的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重構(gòu)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)計模型和概念模型，在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造的過程[1]。

逆向工程技術(shù)目前已用于產(chǎn)品的復(fù)制、仿制、改進及創(chuàng)新設(shè)計，是消化吸收先進技術(shù)和縮短產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)周期的重要支撐手段，廣泛應(yīng)用于航空[2]、汽車[3]、醫(yī)療[4]、藝術(shù)[5]等多個領(lǐng)域。本文基于逆向工程技術(shù)，以肥皂盒為實物原型，通過三維激光掃描設(shè)備進行實物數(shù)據(jù)采集，然后將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件進行處理，再利用Geomagic Design X軟件進行逆向建模，在Geomagic Control X軟件中完成三維檢測，最后通過3D打印得到實物模型。

1 肥皂盒三維數(shù)據(jù)采集

本次掃描選用日本柯尼卡美能達三維掃描儀RANGE7對肥皂盒進行了數(shù)據(jù)采集。

柯尼卡美能達三維掃描儀使用激光三角法原理，通過光源孔發(fā)射出一束水平的激光束來掃描物體。該激光經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平面鏡的作用，改變角度，使得激光發(fā)射到物體表面。物體表面反射激光束，通過傳感器對每一束激光線都采集一幀數(shù)據(jù)。根據(jù)物體表面不同的形狀，每條激光線反射回來的信息中包含了表面等高線數(shù)據(jù)。該掃描儀精度高、快速準確，具有先進的AF功能。掃描時，首先在肥皂盒上貼上標記點(如圖1所示)，然后將肥皂盒模型放入托盤中央，啟動掃描儀電源，打開電腦上的軟件開始對焦，通過觀察電腦上的監(jiān)視窗來調(diào)整托盤和掃描儀的位置，使得激光與電腦上的特殊線重合則對焦完成，開始掃描。模型在掃描過程中通過標記點來進行點云自動拼接，所以在每次掃描完成后需輕輕轉(zhuǎn)動托盤10°～15°，對肥皂盒模型換個角度再次掃描，直到獲取到完整的點云數(shù)據(jù)。掃描過程如圖2所示。經(jīng)多次掃描后，最終獲取到偏差為+0.017 mm的點云數(shù)據(jù)，滿足精度要求，整合點云，得到如圖3所示的肥皂盒完整點云數(shù)據(jù)，將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASC文件進行保存。

圖1 粘貼標記點

圖2 掃描過程

圖3 肥皂盒完整點云數(shù)據(jù)

2 肥皂盒點云數(shù)據(jù)處理

將采集到的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件中進行點云數(shù)據(jù)處理,點云數(shù)據(jù)處理前如圖4所示。

圖4 導(dǎo)入的點云數(shù)據(jù) 圖5 點云初步處理結(jié)果

在進行點云數(shù)據(jù)處理之前先進行著色處理，然后分別進行非連接對象和體外孤點處理，將質(zhì)量不好的點刪除，之后手動選擇將多余的點刪除，接著進行減少噪點處理，處理后的結(jié)果如圖5所示。

完成以上步驟后進行封裝處理，封裝處理參數(shù)設(shè)置如圖6所示，封裝完成如圖7所示。

圖6 封裝處理參數(shù)設(shè)置

圖7 封裝完成 圖8 點云數(shù)據(jù)處理完成

接著進行網(wǎng)格醫(yī)生、刪除釘狀物、填充孔、快速光順處理等操作，得到如圖8所示點云數(shù)據(jù)。

3 肥皂盒逆向建模

通過Geomagic Wrap軟件處理好的點云數(shù)據(jù)，以STE格式文件導(dǎo)入到逆向建模軟件Geomagic Design X中進行曲面重建。

3.1 分割領(lǐng)域

先選擇領(lǐng)域，再選擇自動分割選項，在此將敏感度設(shè)置為5進行分割，領(lǐng)域分割完成前和完成后分別如圖9、圖10所示。

圖9 領(lǐng)域分割前 圖10 領(lǐng)域分割后

3.2 對齊、拉伸、面片擬合

對齊操作完成后，先點擊草圖選擇面片草圖，再進行兩孔的拉伸，如圖11所示。然后進行肥皂盒底部面片擬合，如圖12所示。

圖11 孔拉伸 圖12 面片擬合

3.3 肥皂盒側(cè)面拉伸、兩耳建立

肥皂盒側(cè)面、兩耳建立通過拉伸、縫合曲邊等操作完成，如圖13、圖14所示。

圖13 拉伸側(cè)面 圖14 左耳模型建立

3.4 布爾運算、倒圓角

通過布爾運算，初步建好肥皂盒的實體模型，如圖15所示。然后倒圓角得到肥皂盒最終模型，如圖16所示。

圖15 肥皂盒初步模型 圖16 肥皂盒最終模型

4 模型三維檢測

為對比肥皂盒逆向建模質(zhì)量，我們利用Geomagic Control X軟件對比檢測逆向建模數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)之間的誤差。將前面經(jīng)過Geomagic Wrap軟件處理好的肥皂盒點云數(shù)據(jù)STL文件導(dǎo)入Geomagic Control X軟件，然后將經(jīng)過Geomagic Design X軟件逆向建模好的STP文件導(dǎo)入Control軟件中，導(dǎo)入結(jié)果如圖17所示。坐標系對齊之后，進行了3D、2D比較，勾選使用指定誤差，將數(shù)值調(diào)整為±0.05 mm以內(nèi),點擊需要比較的位置就可以完成對比檢測，比較過程如圖18所示，最終會自動生成一份PDF報告。我們截取報告中生成的3D比較結(jié)果和2D比較結(jié)果，分別如圖19、圖20所示。

圖17 文件導(dǎo)入

圖18 3D、2D比較過程

圖19 3D比較結(jié)果

圖20 2D比較結(jié)果

通過對比，肥皂盒逆向建模數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)之間誤差較小，滿足要求，可進行3D打印。

5 肥皂盒3D打印

將逆向建模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為STL格式，導(dǎo)入切片軟件中進行切片處理，如圖21所示，最后通過3D打印機進行打印，得到肥皂盒實物模型，如圖22所示。

圖21 切片處理

圖22 肥皂盒3D打印實物

6 結(jié)論

本文結(jié)合逆向工程技術(shù)，基于Geomagic軟件和3D打印技術(shù)進行肥皂盒逆向建模與快速成型，進一步驗證了采用逆向技術(shù)可以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低產(chǎn)品研發(fā)成本。