肖宏濤，楊振國，劉 璇

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東佛山 528137；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410128）

0 引言

隨著新科技不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的手段進(jìn)一步融合發(fā)展，加快了家電產(chǎn)品的迭代。而迭代的效率更是是一個企業(yè)的競爭力，目前產(chǎn)品開發(fā)也在慢慢拋棄傳統(tǒng)的復(fù)雜低效的手工設(shè)計流程，開發(fā)也從純粹的正向設(shè)計邁向以逆向設(shè)計為基礎(chǔ)融合正向創(chuàng)新設(shè)計的動態(tài)創(chuàng)新設(shè)計[1-2]。即從三維激光掃描、復(fù)雜曲面重構(gòu)、創(chuàng)新設(shè)計到3D打印制造技術(shù)等新工藝組成了動態(tài)創(chuàng)新設(shè)計。采用激光三維掃描是因其具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，符合一線企業(yè)使用的特點[3-4]，而曲面重構(gòu)涉及到數(shù)據(jù)領(lǐng)域劃分，對特征提取有較高要求，本文將從點、線、面、體4個方面簡述曲面重構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)[5]。本文以電吹風(fēng)出風(fēng)口原型為例，通過三維激光掃描與復(fù)雜曲面重構(gòu)和創(chuàng)新設(shè)計得到最優(yōu)化的參數(shù)化模型，再利用3D打印技術(shù)進(jìn)行樣件試制，驗證創(chuàng)新模型的使用效果。即對原件進(jìn)行三維激光掃描得到點云數(shù)據(jù)，再使用點云處理數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)與封裝達(dá)到STL的封裝小平面體。以STL數(shù)據(jù)為參考基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)據(jù)面域的劃分重構(gòu)，把各個曲面約束關(guān)系縫合達(dá)到參數(shù)化模型，這樣就完成了逆向設(shè)計部分。通過吸收原模型的優(yōu)點，再進(jìn)行正向設(shè)計創(chuàng)新產(chǎn)品。通過3D打印技術(shù)，對創(chuàng)新的數(shù)模進(jìn)行樣件制造驗證實際功能，大大減少新產(chǎn)品開發(fā)的浪費，縮短設(shè)計生產(chǎn)周期，達(dá)到產(chǎn)品快速迭代的目標(biāo)，提高產(chǎn)生的設(shè)計與制造效率。

1 三維激光掃描技術(shù)

電吹風(fēng)出風(fēng)口原件的數(shù)據(jù)獲取是采用先臨三維科技的手持式Free Scan X7激光掃描儀進(jìn)采集。三維激光掃描儀在技術(shù)上采用了多線光柵激光器以及先進(jìn)的雙7線掃描技術(shù)，ClassⅡ（人眼安全），高速掃描可達(dá)480 000次/s，精度高達(dá)0.03 mm，掃描方式靈活，不受物體大小、材質(zhì)、顏色等影響。掃描參數(shù)如表1所示。

表1 激光掃描參數(shù)信息Tab.1 Laser scanning parameter information

1.1 數(shù)據(jù)采集前設(shè)備初始化

在三維激光掃描使用前需要對環(huán)境進(jìn)行分析，參考表1所示的參數(shù)信息。當(dāng)工作的溫度和濕度與上一次標(biāo)定的參數(shù)相差大于10%時就需要進(jìn)行標(biāo)定，或當(dāng)設(shè)備在使用前有小幅度碰撞震動過也需要重新進(jìn)行標(biāo)定。

首先取出標(biāo)定板，在使用標(biāo)定板時需要注意操作規(guī)范，正確佩戴棉質(zhì)感手套。第二是啟動Free Scan x7掃描系統(tǒng)，進(jìn)入工具欄的標(biāo)定環(huán)節(jié)，標(biāo)定需要采集18個位置點，具體可以通過4個方向進(jìn)行采集，在標(biāo)定時系統(tǒng)有位置修正提示，根據(jù)提示調(diào)整掃描儀的前后、左右、上下移動的要求，如圖1所示[6]。

圖1 掃描系統(tǒng)初始化標(biāo)定界面Fig.1 Scan system initialization calibration interface

1.2 三維掃描前處理

三維激光掃描系統(tǒng)屬于光學(xué)原理，為了提高掃描精度，需要對掃描原件、即電吹風(fēng)出風(fēng)口進(jìn)行掃描前處理，包括噴涂顯像劑、粘貼標(biāo)志點、橡皮泥固定原件等步驟。

首先對原件進(jìn)行噴涂顯像劑。因為噴涂顯像劑可以提高掃描光柵的對比度，壓制光噪的產(chǎn)生。本次試驗采用顯像劑為DPT-5型號，在噴涂時顯像劑與原件距離為30～40 mm為合適，注意在噴涂時要必須保證噴涂均勻，不能出現(xiàn)漏噴和噴流等情況，標(biāo)準(zhǔn)的操作效果如圖2所示。

圖2 原件掃描前處理的噴涂顯像劑Fig.2 Theoriginal spray developer

當(dāng)完成顯像劑的噴涂時還需要進(jìn)行標(biāo)志點的粘貼[7]。標(biāo)志點在三維掃描過程起了獲取的的點云拼接和空間匹配功能，所以粘貼標(biāo)志點是在三維掃描中屬于很重要的環(huán)節(jié)。在粘貼標(biāo)志點時需要注意兩個原則，一是標(biāo)志點的粘貼不能形成規(guī)律，這樣會影響對標(biāo)志點的編碼，導(dǎo)致數(shù)據(jù)拼接錯誤；二是標(biāo)志點不能粘貼在細(xì)小特征上，這樣會導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的缺漏。標(biāo)志點的粘貼效果如圖3所示。

圖3 粘貼標(biāo)志點Fig.3 Marking point

掃描路徑的設(shè)計。本次試驗采用掃描四分法，即通過4個角度對原件進(jìn)行三維掃描。電吹風(fēng)出風(fēng)口上下兩端特征曲面復(fù)雜，也是零件的裝配結(jié)構(gòu)，所以需要對這兩個位置進(jìn)行高精度、全方位掃描，得到建模所需的數(shù)據(jù)特征。為達(dá)到所需效果，在掃描時可以采用掃描轉(zhuǎn)盤小角度轉(zhuǎn)動。側(cè)壁屬于大曲率曲面，在掃描時可以進(jìn)行定角度快速掃描采集數(shù)據(jù)。內(nèi)壁掃描時，為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，可以根據(jù)光學(xué)原理，讓掃描儀的光柵最多的投射到內(nèi)壁上，保障能采集到足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行點云拼接。

1.3 點云數(shù)據(jù)采集

在三維掃描階段時，對設(shè)備參數(shù)的設(shè)定較為重要。掃描前處理屬于物理處理，而三維掃系統(tǒng)中的曝光、增益和對比度也較為重要，會直接影響點云的生成和噪點的過多產(chǎn)生，具體掃描流程如圖4所示。

圖4 三維激光掃描流程Fig.4 3Dlaser scanning process

（1）啟動掃描系統(tǒng)。打開電腦桌面的Free Scan軟件。

（2）新建工程。在新建工程時需要對項目參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，本次試驗采用的是6 mm的標(biāo)志點，所以勾選標(biāo)志點類型時要注意選擇。還有項目中還需要設(shè)置點云的解析度，數(shù)字越低采集到的點云距離越大，特征就越模糊，采集的速度就越快，反之點距小、特征精細(xì)、運行速度慢，所以在設(shè)置參數(shù)時需要根據(jù)硬件質(zhì)量和被掃描原件特征需求進(jìn)行合理參數(shù)設(shè)置[8]。本次試驗樣件有上下端的細(xì)小特征，所以采用了0.1 mm的解析度保障特征精度。

（3）點云掃描。在掃描系統(tǒng)中有3個掃描的工藝，針對本次掃描的特點，選擇點云掃描選項。在進(jìn)入掃描前需要對掃描儀的相機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，也是本次掃描的關(guān)鍵步驟，可以把掃描頭對準(zhǔn)被測量原件，觀察動態(tài)窗口，光柵條為綠色時曝光和對比度達(dá)到平衡，就可以設(shè)置本次掃描的相機(jī)參數(shù)。

（4）數(shù)據(jù)采集。三維掃描需要遵守基本原則，即先采集標(biāo)志點定宏觀掃描框架，再掃描大面幅的特征，最后采集細(xì)微特征。在掃描時需要讓原件與轉(zhuǎn)盤固定為一個整體，這樣可以保障標(biāo)志點拼接的精準(zhǔn)度[9]。通過上述步驟便可得到電吹風(fēng)出風(fēng)口的點云數(shù)據(jù)，再利用點云處理軟件進(jìn)行剔除冗余點、降噪、封裝、補(bǔ)洞得到原件的STL小平面體數(shù)據(jù)，效果如圖5所示。

圖5 STL封裝數(shù)據(jù)Fig.5 STL encapsulatesdata

2 復(fù)雜曲面重構(gòu)

經(jīng)過前面的三維掃描前處理和數(shù)據(jù)采集與修復(fù)，得到電吹風(fēng)出風(fēng)口的非參數(shù)化STL數(shù)據(jù)，為了符合設(shè)計要求和生產(chǎn)要求，就需要對其進(jìn)行曲面重構(gòu)，即把STL數(shù)據(jù)進(jìn)行領(lǐng)域劃分，并擬合出參數(shù)化曲面。再劃分領(lǐng)域時需要根據(jù)實物進(jìn)行分析區(qū)域關(guān)系，通過曲面的約束與縫合得到參數(shù)化模型，為下步的創(chuàng)新設(shè)計提供參數(shù)依據(jù)。

2.1 對齊坐標(biāo)系

坐標(biāo)系是一個設(shè)計的基礎(chǔ)，會直接影響后期特征的設(shè)計與加工。規(guī)格的坐標(biāo)系可以提高設(shè)計與加工的效率。通過分析電吹風(fēng)的實物，可以確定下端面有一部分為裝配的圓柱體，所以可以確定圓柱體是回轉(zhuǎn)軸為坐標(biāo)系的Z軸，柱斷面作為X-Y基準(zhǔn)面；再分析原型的外形形態(tài)，得知電吹風(fēng)出風(fēng)口是左右對稱的設(shè)計，那么便可以提出對稱平面作為X-Z平面。確定坐標(biāo)系后，可以使用Geomagic Design X軟件進(jìn)行對齊坐標(biāo)系，具體過程如圖6所示。

圖6 對齊坐標(biāo)系Fig.6 Aligned coordinatesystem

2.2 特征線提取

在復(fù)雜曲面重構(gòu)中，特征提取是非常重要的環(huán)節(jié)。對參數(shù)化模型重建進(jìn)行劃分，可以分為點、線、面、體4個階段，在三維掃描時已經(jīng)提取出來了點云數(shù)據(jù)，而如何在海量的點云中抽取出特征點和擬合出曲線具有重要的造型意義。線上階段為點而劃成面，是模型的骨架元素。模型的特征線主要涉及3種特征線型：主骨架線、輪廓線、形狀線。提取特征線前需要對原型進(jìn)行特征歸類分析，找到搭建面的關(guān)鍵曲線，在STL小片體重可以利用反光的原理，劃定曲線的范圍，通過曲線類型的確定和曲率的設(shè)置確定特征線的定形和定位。通過原型分析，確定電吹風(fēng)出風(fēng)口的特征曲線，如圖7所示。

圖7 提取特征曲線Fig.7 Extraction characteristic curve

2.3 曲面重構(gòu)

從逆向設(shè)計角度來分析，曲面重構(gòu)就是對STL小平面體進(jìn)行面域劃分，再賦予曲面的參數(shù)，而曲面擬合參數(shù)的設(shè)計是在曲面重構(gòu)環(huán)節(jié)中的重點，曲面擬合達(dá)到面域順滑要求[10]。所以在曲面重構(gòu)是需要不斷分析面的光順性，不斷修正擬合參數(shù)。更具最小二乘法公式，擬合都是通過點進(jìn)行擬合計算，所以曲面重構(gòu)的方式有兩種，一種是通過提取特征點進(jìn)行擬合光順曲線再擬合出參數(shù)面，這種重建的點驅(qū)動線帶動曲面的變化，其設(shè)計邏輯性強(qiáng)，后期的修型方便；還有一種是直接在點云數(shù)據(jù)中選擇點進(jìn)行擬合出曲面，這種方式的曲面重構(gòu)效率較高，但少了特征線驅(qū)動，這樣會造成后期修型困難。電吹風(fēng)出風(fēng)口采用了點、線、面的驅(qū)動方式進(jìn)行曲面重構(gòu)，效果如圖8所示。

圖8 電吹風(fēng)曲面重構(gòu)Fig.8 surface reconstruction

3 創(chuàng)新設(shè)計

完成上述的曲面重構(gòu)之后，根據(jù)電吹風(fēng)的主體表面特點進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)。分析原件的特點，發(fā)現(xiàn)電吹風(fēng)出風(fēng)口與主體銜接不順暢，增加出風(fēng)的阻力，所以可以對出風(fēng)口的外表面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。第二是發(fā)現(xiàn)出風(fēng)口與電吹風(fēng)主體的連接結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步優(yōu)化，提高零件裝配可靠性。

3.1 電吹風(fēng)出風(fēng)口曲面銜接設(shè)計

為了改善電吹風(fēng)出風(fēng)效果，通過參考前面的曲面重構(gòu)的數(shù)據(jù)，提取最大輪廓，抽取出兩端頂點，再從中段中隨機(jī)提取4個控制點，通過最小二乘法的三次多項式，計算4個通過點的三次多項式擬合，設(shè)多項式即的值，通過計算可以得到曲線的最優(yōu)曲率，令曲面更加順滑，擬合結(jié)果如圖9所示。

圖9 G1曲面銜接Fig.9 G1 surfaceconnection

3.2 裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計

原電吹風(fēng)出風(fēng)口是采用卡扣是裝配設(shè)計，會出現(xiàn)漏風(fēng)情況，影響使用體驗感。為了解決這缺陷，本次試驗對出風(fēng)口進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，采用U型環(huán)槽的裝配設(shè)計，增大出風(fēng)口與主體的裝配面，提高整體的氣密性。裝配槽如圖10所示。

圖10 裝配槽設(shè)計Fig.10 Assembly groovedesign

4 3D打印驗證

進(jìn)行了電吹風(fēng)出風(fēng)口的數(shù)據(jù)采集、曲面重構(gòu)、創(chuàng)新設(shè)計之后得到創(chuàng)新模型，進(jìn)行3D打印樣件制造驗證裝配[11]。在進(jìn)行打印前需要帶模型進(jìn)行STL數(shù)據(jù)化，在近似化時需要把數(shù)據(jù)公差設(shè)為0，否則容易出現(xiàn)爛面或破洞。數(shù)據(jù)切片需要注意設(shè)置打印機(jī)層高，本次試驗以光敏聚合物為原材料，使用DLP曝光進(jìn)行逐層固化疊加，即就是把創(chuàng)新模型進(jìn)行分層切片、離散堆積增材制造[12]。具體3D流程如圖11所示。當(dāng)產(chǎn)品打印完成時，還需要對其進(jìn)行后處理，把打印的支撐進(jìn)行剝離，并對殘余的支撐點打磨拋光，發(fā)現(xiàn)固化不完整時，可以采用紫外線燈進(jìn)行二次固化定型，由于3D打印都會存在臺階效應(yīng)，所以制件會存在公差偏大的情況，可以測量裝配位置再進(jìn)行修型打磨，直到順利裝配為止。最后當(dāng)發(fā)現(xiàn)打印產(chǎn)品不符合設(shè)計目標(biāo)是可以再次修改參數(shù)化模型，再打印試制，直到滿足設(shè)計要求為止。

圖11 電吹風(fēng)出風(fēng)口的3D打印Fig.11 3D printing of the original

5 結(jié)束語

本文以電吹風(fēng)出風(fēng)口為載體，驗證了基于三維激光掃描、曲面重建、功能創(chuàng)新設(shè)計和3D打印樣件是可以作為對產(chǎn)品開發(fā)的高效設(shè)計鏈。對比傳統(tǒng)工藝，其減少了很多反復(fù)修模的環(huán)節(jié)，可以把每一個環(huán)節(jié)拆解單獨完成，符合目前的工種協(xié)助設(shè)計要求，提高設(shè)計效率，加快產(chǎn)品的迭代。而三維掃描和曲面重建環(huán)節(jié)還可以吸收原型的優(yōu)秀設(shè)計元素，較少樣件試制次數(shù)，壓縮產(chǎn)品生產(chǎn)的周期。新工工藝的產(chǎn)品每個功能都可以數(shù)字化設(shè)計和快速驗證，為設(shè)計提供更系統(tǒng)的靈感。通過本次試驗，這種新的設(shè)計工藝是可以體現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計新理念的。