（河南工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

隨著科技日新月異的發(fā)展，產(chǎn)品創(chuàng)新是企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵，而高效率的創(chuàng)新設(shè)計(jì)則更為重要。逆向工程是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速創(chuàng)新的一個(gè)重要途徑，基于逆向設(shè)計(jì)的產(chǎn)品創(chuàng)新方法，通過三維掃描系統(tǒng)對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行掃描，將掃描后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，然后基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型重建并在此基礎(chǔ)上對(duì)原有實(shí)物進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最后3D 打印出實(shí)物模型[1-3]。這種產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法在原有實(shí)物模型的基礎(chǔ)上，吸收了原模型的先進(jìn)技術(shù)并對(duì)其進(jìn)行再創(chuàng)新，不僅達(dá)到了產(chǎn)品創(chuàng)新的目的，而且提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率[4]。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集技術(shù)

1.1 掃描系統(tǒng)標(biāo)定

圖1 三維掃描儀

該掃描系統(tǒng)由高精密工業(yè)級(jí)立體視覺傳感器、激光發(fā)生器、三維數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件、標(biāo)定系統(tǒng)、筆記本電腦等組成，三維掃描儀如圖1 所示。掃描距離為300mm，幀掃描區(qū)域?yàn)?80mm×250mm，掃描速率為40 000 次/s，掃描分辨率為0.1mm，測(cè)量精度為0.03 mm 。

在三維掃描儀首次使用之前，一般都需要標(biāo)定。首先擺放好標(biāo)定板，第一次標(biāo)定需要將標(biāo)定板的大點(diǎn)朝上，啟動(dòng)Free Scan x3 掃描軟件和硬件系統(tǒng)，點(diǎn)擊工具欄中的標(biāo)定，彈出標(biāo)定界面進(jìn)行標(biāo)定。系統(tǒng)需要采集18 個(gè)位置[5]。通過調(diào)整掃描系統(tǒng)激光發(fā)生器的高度和位置，使標(biāo)定界面中指示器的滑塊在有效范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)定過程，如圖2所示。

圖2 三維掃描儀標(biāo)定界面

1.2 掃描前模型處理

為了將工件掃描完整，需要對(duì)工件進(jìn)行多角度掃描。掃描時(shí)，采用在工件上粘貼標(biāo)志點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼接[6]。標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)盡量避免粘貼在離工件邊界較近的地方，盡量避免出現(xiàn)標(biāo)志點(diǎn)對(duì)稱粘貼或在一條直線上的情況，標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)使相機(jī)在盡可能多的角度可以同時(shí)看到[7]。

根據(jù)該吸塵器接頭的大小、形狀特征及復(fù)雜程度確定該工件的掃描次序及掃描策略，且需保證本次掃描與之前掃描數(shù)據(jù)至少有三個(gè)公共標(biāo)志點(diǎn)。由于該工件屬于扁平狀物體，將模型較寬兩面貼點(diǎn)，工件表面標(biāo)志點(diǎn)粘貼如圖3 所示。由于兩側(cè)面較窄難以粘貼標(biāo)志點(diǎn)，對(duì)模型較窄部分進(jìn)行掃描時(shí)，需利用黑色墊塊固定該工件并在墊塊上粘貼標(biāo)志點(diǎn)，避免因公共點(diǎn)較少而影響掃描。同時(shí)為防止掃描過程中產(chǎn)生過多背景雜點(diǎn)，增加點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的工作量，在掃描工件之前，需放置物體于黑色墊布上。工件掃描位置如圖4 所示。

圖3 工件標(biāo)志點(diǎn)粘貼圖

圖4 工件掃描位置圖

1.3 三維掃描形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)

啟動(dòng)掃描系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動(dòng)工件以及三維掃描儀，每當(dāng)掃描完一個(gè)區(qū)域需要移動(dòng)掃描儀的位置繼續(xù)掃描，直到將整個(gè)工件掃描完整，掃描完成后，按掃描鍵停止掃描。在掃描過程中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)覽，若有部分掃描數(shù)據(jù)缺失，則啟動(dòng)掃描儀繼續(xù)掃描，直至數(shù)據(jù)掃描完整。由于該模型屬于扁平狀物體，掃描設(shè)備不能一次性很好的采集到工件表面的完整數(shù)據(jù)，為了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要從不同方向、不同位置對(duì)工件進(jìn)行分區(qū)掃描，并在點(diǎn)云處理階段對(duì)各個(gè)局部數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接[8]，最終將各局部掃描數(shù)據(jù)保存為ASC 格式，如圖5 所示。

圖5 局部掃描數(shù)據(jù)

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

利用Geomagic Studio 軟件，打開吸塵器接頭的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為了消除在數(shù)據(jù)采集過程中由于隨機(jī)或人為因素等原因引起的數(shù)據(jù)誤差，影響被測(cè)物體模型重構(gòu)的精度，利用“非連接項(xiàng)”和“體外孤點(diǎn)”命令對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；將多片點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)對(duì)齊，并將多余點(diǎn)云數(shù)據(jù)刪除，最后點(diǎn)擊“聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象”“封裝”，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為三角面片。

通過“網(wǎng)格醫(yī)生”對(duì)大部分自相交、釘狀物等錯(cuò)誤網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)。因掃描過程中誤差和前期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，三角面片難免會(huì)存在銳邊變鈍、平滑曲線變粗糙的現(xiàn)象，應(yīng)用“松弛”命令對(duì)三角面片進(jìn)行光順處理。同時(shí)由于工件表面粘貼的標(biāo)志點(diǎn)，會(huì)在工件表面形成孔，利用“填充孔”工具欄對(duì)工件表面的孔進(jìn)行填充，以還原實(shí)物原型的真實(shí)信息，最終將數(shù)據(jù)保存為STL 格式，以便后續(xù)對(duì)模型重構(gòu)，如圖6 所示。

圖6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理圖

3 三維模型重構(gòu)

1）將處理過的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Geomagic Design X 進(jìn)行模型重構(gòu)[9]。

2）通過領(lǐng)域組將點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分成多個(gè)領(lǐng)域。分析該吸塵器接頭結(jié)構(gòu)并找出其代表性的輪廓。通過面片草圖繪制出該工件的輪廓并利用拉伸、抽殼等命令，構(gòu)建該吸塵器接頭的結(jié)構(gòu)特征，最后通過求和、倒圓角得出完整的模型，如圖7 所示。

圖7 模型重構(gòu)圖

4 吸塵器接頭創(chuàng)新設(shè)計(jì)

由于目前市場(chǎng)上吸塵器的作用只是能吸除輕浮在地面和墻面上的灰塵，對(duì)粘附在狹縫和孔洞內(nèi)灰塵難以祛除，為了能剔除狹縫和孔洞內(nèi)灰塵，需要借助刷子、吹氣等工具，這些清除方法會(huì)導(dǎo)致灰塵再次飄落到房間其他地方，形成二次污染。為了解決這個(gè)問題，本次創(chuàng)新對(duì)原有吸塵器的接頭進(jìn)行了改進(jìn)，保留原有接頭與吸塵器連接部分的形狀與尺寸，將吸塵器接頭吸塵部分改變?yōu)槁菁y孔，使之可以安裝快換接頭。改進(jìn)后吸塵器接頭裝置包括吸塵器接頭和安裝在吸塵器接頭上的快換接頭、軟管，吸塵器接頭左側(cè)與吸塵器連接，右側(cè)有螺紋孔和快換接頭通過螺紋連接，軟管與快換接頭連接。通過快速接頭連接軟管吸出灰塵，清潔、衛(wèi)生、方便、環(huán)保，起到了吸除狹縫和孔洞中灰塵的目的，如圖8 所示。

圖8 吸塵器接頭創(chuàng)新設(shè)計(jì)

5 3D 打印與實(shí)際應(yīng)用

將設(shè)計(jì)后吸塵器接頭的三維模型STL 格式導(dǎo)入切片軟片Dazzle 中，并設(shè)置模型的成型方向、打印參數(shù)并添加支撐等。系統(tǒng)內(nèi)置三種打印精度，“普通打印”“高精度打印”和“超高精度打印”分別對(duì)應(yīng)0.1mm、0.05mm、0.025mm三種打印層厚。厚度越小，打印模型越精細(xì)同時(shí)耗時(shí)也越長(zhǎng)，在此選擇“高精度打印”層厚為0.05mm 即可，打印過程、最終打印實(shí)物模型分別如圖9、圖10 所示，實(shí)際應(yīng)用效果如圖11 所示。

圖9 打印過程圖

圖10 3D 打印實(shí)物圖

圖11 實(shí)際應(yīng)用效果圖

6 結(jié)語

本文介紹了一種基于逆向工程設(shè)計(jì)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，使用便攜式掃描儀對(duì)吸塵器接頭數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行產(chǎn)品模型重構(gòu)、產(chǎn)品創(chuàng)新以及3D 打印，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用過程中取得了很好的效果。結(jié)果表明這種產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法很好的吸收了原模型的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了設(shè)計(jì)創(chuàng)新，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了產(chǎn)品開發(fā)成本。