趙 娜

（晉城職業(yè)技術學院，山西 晉城 048026）

逆向工程技術是運用三維掃描設備等手段，通過數(shù)字化設計和幾何模型重構，將已有產(chǎn)品或實物轉化為三維數(shù)字化模型，繼而進行剖析、深化和再設計，并獲得新產(chǎn)品的技術。逆向工程技術的流程通常分為四個階段，分別是實物的數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)處理階段、逆向建模階段和模型制造階段。逆向工程技術具有高效快速、普適性強等特點。在產(chǎn)品設計領域，逆向工程技術較傳統(tǒng)正向設計縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品的市場響應能力，讓產(chǎn)品更趨于系列化。逆向工程技術可以順應任何形式的產(chǎn)品開發(fā)，精準實現(xiàn)無參數(shù)信息的實物到完整信息數(shù)據(jù)整合。因此，逆向工程技術作為產(chǎn)品設計的一種新思路，廣泛應用于快速模具制造、快速原型制造、醫(yī)學、文物保護、影視制作等領域。

隨著生活水平的提高和文化意識的增強，人們對工藝品的需求也在不斷增加。傳統(tǒng)的工藝品在成型技術和生產(chǎn)規(guī)模上，以民間手藝人通過傳統(tǒng)工藝制作為主，有規(guī)模小和單件制作的特點，傳統(tǒng)工藝制作及研發(fā)速度已無法滿足市場需求。將逆向工程技術運用于工藝品的設計和創(chuàng)新中，設計者可以快速高效完成工藝品的復制和再設計，利用3D打印技術快速將設計轉變成實物，簡化了設計流程，降低了研發(fā)成本，激發(fā)了設計者在短時間內的創(chuàng)作靈感，也滿足了不斷變化的市場需求。本文以裝飾魚為研究對象，利用逆向工程技術對裝飾魚進行逆向建模及創(chuàng)新設計。（見圖1）

一、三維數(shù)據(jù)采集

（一）掃描前處理

本次掃描使用北京三維天下科技有限公司生產(chǎn)的Win3DD 單目非接觸光學掃描儀對裝飾魚進行數(shù)據(jù)采集。由于裝飾魚顏色較暗，需要對其表面噴涂白色顯像劑，增強其表面的反光性，保證掃描儀可以充分接收來自裝飾魚的反射激光束。為提高掃描的精確度，顯像劑的噴涂要均勻，顯像劑風干后才可進行掃描。

標志點粘貼時，要遵循每個拼接面至少貼四個標志點，且不在一條直線上，左右兩面也不能對稱粘貼；由于裝飾魚是不規(guī)則產(chǎn)品，無明顯對稱面，需進行多方位掃描，從而進行多視角數(shù)據(jù)的合并，標志點應粘貼平面區(qū)域或曲率較小的曲面，不能影響特征采集。（見圖2）

圖1 裝飾魚模型

圖2 噴顯像劑及貼標志點

（二）掃描

為確保掃描系統(tǒng)精度，先對掃描儀相機參數(shù)進行標定。本次掃描和點云處理均使用Geomagic Wrap軟件，它的數(shù)據(jù)處理過程為點、多邊形和曲面三個階段，可根據(jù)掃描的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出多邊形網(wǎng)格，并自動轉換為NURBS曲面。本次掃描需將裝飾魚實物放在黑色轉盤上，為了確保掃描儀達到最佳掃描狀態(tài)，更精確地提取到標志點，調整掃描儀與裝飾魚之間的距離應保持在600 毫米。掃描過程中保持黑色轉盤與裝飾魚的相對靜止，多次旋轉轉盤，完成多角度掃描，獲取精確的三維數(shù)據(jù)，保存為.asc 格式。（見圖3）

圖3 點云數(shù)據(jù)

圖4 點云數(shù)據(jù)簡化

二、點云數(shù)據(jù)處理

掃描到點云數(shù)據(jù)直接在Geomagic Wrap 軟件中處理。

（一）點云數(shù)據(jù)簡化

光學掃描設備在數(shù)據(jù)采集時，常采集到過多的數(shù)據(jù)點，存在大量冗余數(shù)據(jù)，影響后續(xù)算法的效率，因此需要減少數(shù)據(jù)量，進行點云數(shù)據(jù)簡化。首先將模型進行著色處理，再選擇“非連接項”命令，尺寸參數(shù)值默認5.0mm，刪除模型周圍分離的點群。接著使用體外弧點命令，敏感度值設為100，刪除與其他多數(shù)的點云具有一定距離的點，體外弧點的操作可以重復2 至3 次。使用減少噪音命令，迭代參數(shù)設置3，偏差設置0.05mm。（見圖4）再使用封裝命令，對點云進行三角面片化操作，勾選最大三角形數(shù)，值默認。

（二）點云數(shù)據(jù)填充及平滑

由于被掃描物體的幾何拓撲原因或者在掃描過程中選用不同的掃描方法，物體會被遮擋，導致部分表面無法測量，所采集的數(shù)字化模型存在數(shù)據(jù)缺損，因此需進行點云數(shù)據(jù)填充。裝飾魚掃描過程貼標志點的位置和掃描時點云數(shù)據(jù)稀薄之處就存在點云數(shù)據(jù)缺失，需使用單個孔填充命令，分別將漏洞及缺失處填充，選擇按曲率填充。

由于被測物體表面粗糙或者掃描過程中發(fā)生輕微振動，都會產(chǎn)生噪音點，這些噪音點會影響曲面重構的質量。通過數(shù)據(jù)平滑處理，可提高數(shù)據(jù)光滑度，改善曲面質量。先刪除釘狀物，再使用減少噪音命令，執(zhí)行快速光順命令。再通過去除特征，刪除填充孔產(chǎn)生的不規(guī)則三角面片，插入一個可以和周邊三角形有序連接的多邊形網(wǎng)格，使填充部位與其它部位光滑連接。（見圖5）

三、逆向建模

將處理好的點云數(shù)據(jù)，以.stl格式導入到Geomagic Design X軟件中進行逆向建模。

圖5 封裝、填充及平滑

圖6 對齊坐標

（一）建立坐標系

各軟件之間的工作坐標系不相同，導入DX中裝飾魚位置隨意，會影響后期逆向建模和正向設計，故重新建立坐標系。將模型按俯視位置放置，找到模型前部分的對稱面，并繪制直線做要素變換。然后通過手動對齊命令中的面—線—點模式建立坐標系。（見圖6）

（二）劃分領域組

劃分領域組是執(zhí)行面片擬合、放樣向導命令的基礎。準確地劃分領域組有助于降低曲面建模的難度，提高曲面建模質量。根據(jù)掃描數(shù)據(jù)的曲率和特征，Geomagic Design X 軟件的領域組功能可以自動將面片分為不同的幾何領域，也可根據(jù)實際建模需要手動劃分。劃分時遇到掃描數(shù)據(jù)不準確的坑洼表面不劃線。裝飾魚都是曲面連接，結構復雜，采取手動劃分領域組。結合建模方法，僅對魚的底面及魚背鰭部位劃分領域。

（三）曲面重構

Geomagic Design X 軟件有多種曲面重構方法，如基礎曲面、面片擬合、放樣和面填補等。工藝品造型復雜多樣，通常是多種曲面重構方法結合使用。本次曲面重構主要用面填補命令。通過3D面片草圖分區(qū)域繪制空間曲線，再通過面填補命令重構曲面。（見圖7）剪切重構的曲面，剪成平整的曲面片，通過放樣命令讓曲面片之間光滑連接，魚的尾鰭、腹鰭、胸鰭用圓角命令處理，保證光滑過渡，魚的底面及背鰭部位使用面片擬合命令生成曲面片，再與其它曲面片剪切，縫合，最終得到裝飾魚的實體。（見圖8）本次建模的難點在于曲率變化大的魚身曲面創(chuàng)建。用面片擬合命令和放樣都可以實現(xiàn)魚身曲面創(chuàng)建，面片擬合對領域組的劃分要求較為嚴格，放樣對截面輪廓曲線的數(shù)量及點數(shù)控制要求嚴格，相對面填補命令更快捷。

圖7 曲面創(chuàng)建

圖8 實體

（四）誤差分析

Geomagic Design X 軟件中的體偏差功能，可以幫助做誤差分析，在建模過程中，可以通過此命令不斷調整建模方法，獲得精確的結果，也可以在建模結束后快速了解逆向建模的實體與原始掃描數(shù)據(jù)之間的偏差。體偏差色圖用不同的顏色標記出偏差的范圍。綠色代表在允許公差范圍內，藍色、紅色分別代表建模模型小于、大于面片尺寸，將指針放在工件模型上即可查看偏差數(shù)值。（見圖9）裝飾魚的逆向建模質量較好，都在公差允許范圍內。

四、3D打印

3D 打印軟件使用的是UP Studio，打印設備使用的是太爾時代UP BOX+3D打印機，該打印機是一款基于FDM技術的3D打印機，材料選用ABS。將逆向建模保存的.stl 數(shù)據(jù)格式，導入軟件中，得到打印成品。（見圖10）

圖9 體偏差色圖

圖10 3D打印模型

五、創(chuàng)新設計

將Geomagic Wrap 軟件處理好的數(shù)據(jù)，以.stp 格式文件導入到軟件UG NX10.0 軟件中進行創(chuàng)新設計。假設需要將裝飾魚加裝一個造型獨特的擺放臺，擺放配合位置要緊密，裝飾魚不能隨意晃動。可按照裝飾魚的底面形狀結構設計凸臺，并在擺放臺內設計形狀、高度相同的凹坑，即可滿足創(chuàng)新要求。（見圖11）若需要將裝飾魚設計成可拆卸的兩部分，且對應的軸配合緊密，可通過平面將裝飾魚實體切割成兩部分，并在切割面處設計插條和孔，方便拆卸，符合配合要求，滿足設計需求。

圖11 創(chuàng)新設計

六、結語

本文通過三維數(shù)字化掃描、數(shù)據(jù)處理、逆向建模、3D打印和正向創(chuàng)新設計的過程，為工藝品設計及創(chuàng)新提供了一種思路，實現(xiàn)了模型的快速重構和創(chuàng)新，提高了工藝品的開發(fā)能力，降低了研發(fā)成本。