陶瓷產品的數字化逆向設計分析

陳麗娟

摘要：近年來，隨著我國科學技術水平與工藝制造水平的不斷提升，對工藝品設計提出了更高的標準和要求。在陶瓷工藝品設計與生產領域，傳統的手工制作模式已經很難滿足市場的需求，目前，數字化逆向設計技術被越來越多地應用于陶瓷工藝產品的設計中。本文結合實例分析了陶瓷產品中數字化逆向設計的流程及要點。

關鍵詞：陶瓷產品；數字化；逆向設計；應用

中圖分類號：TP391.7

相較于傳統的手工制作，數字化逆向設計在陶瓷產品設計中的應用，不僅使陶瓷產品的設計精度被大幅提高，并使模具設計的周期得到最大限度的縮短。深入分析研究數字化逆向設計技術在陶瓷產品中的有效運用，能夠有效節省陶瓷生產加工過程中人力及物力投入，提高生產效率與生產質量，進而提高陶瓷產品的市場競爭力，對于我國陶瓷生產行業的發展具有重要意義。

一、陶瓷產品的數字化逆向設計流程

陶瓷產品的數字化逆向設計是利用計算機輔助設計技術將陶瓷產品轉化成為工程概念模型和設計模式，并以此為基礎對其進行分析處理、優化設計和再創造的過程。陶瓷產品的數字化逆向設計流程為：實物模型→分析模型→數據測量→數據處理→CAD曲面模型重構→仿形改制產品→制作系統CAM→模具→新產品。

二、陶瓷產品的數字化逆向設計要點

（一）數據測量

數據測量是陶瓷產品數字化逆向設計的基礎。一些復雜形狀的陶瓷產品，包含的細節特征多且雜，普通的三坐標測量儀很難獲得準確的模型數據。目前，陶瓷產品數字化逆向設計中常用的測量設備為Model Shop Color 3D Scanner Bundle的3030RGB激光掃描儀。該設備的最小采樣間隔可以達到100微米，工作臺高度為300 毫米，長度是1000毫米，可以用于分割大型或復雜的零件模型

跟蹤、數據掃描及拼接。首先模型必須豎直平放于工作臺上，并利用膠泥對模型進行固定，掃描儀沿工作臺作往復運動，同時工作臺配合掃描儀作旋轉運動，完成模型的側面數據測量，然后再將模型側面平放于工作臺上，掃描儀對準其底部掃面出底部點云。最后將重疊部分的點云進行合并，可得出點云圖，如圖1所示。

（二）數據預處理

由于數據測量中不可避免地會出現許多的雜點和噪聲點，不加以處理，會對后續的曲線和曲面重建造成影響。同時用激光掃描點云會有一些難以收集的模型特征，如內腔、里槽、邊緣等部位，造成點云不連續，因而需要對點云進行填補。數據預處理中，可利用曲率的連續性特征，創建新的點云，使點云的模型更加完整，更接近接近真實的模型。完成數據預處理后，將文件格式轉化為.STL，以方便后續的曲面重構。經過預處理后的點云模型如圖2所示。

（三）三維模型重構

在三維模型重構過程中過多的點云數據會對運算速度造成影響。點云的過濾可利用弦高差在變化較小的曲面部位過濾掉盡量多的點，在變化較大的部分過濾掉盡量少點，這樣可使模型特征更為明顯。

基于點云來進行三角網格曲面創建，設置參數時，參數圓的直徑需根據點云疏密度確定，使完成的三角網格曲面更直觀。網格曲面根據曲面形狀和曲率劃分，使每個表面曲率變化相對較小，形狀與規則圖形越相近越好，比如橢圓形、圓形、矩形等，這有利于后續構建柵格。壺口根據點云分布特征，將其劃分成四個與矩形近似的區域。

輪廓曲線根據前面劃分的曲面進行創建，邊界曲線根據點云節點進行分割，并將生成的節點連接成一條曲線。可以以創建的輪廓線作為后續擬合曲面的邊界。輪廓線創建完成后，調整控制點在曲面的相對位置，使輪廓線符合曲率的變化和曲面的形狀，防止出現不規則小塊曲面。擴展輪廓線，使其生成一個輪廓曲面片，以此作為后續劃分空白面板內曲面片的基準。根據曲面形狀確定輪廓曲面片的寬度，可以將1作為曲面輪廓線寬度，進而生成輪廓曲面片。

空白面板內的曲面片以生成的輪廓曲面片為基礎，使剩余的空白面板被曲面片填滿。由于生成的曲面形狀和尺寸不規則，其變化規律也與曲面變化規律不相符，因而需要調整曲面片，以方便后續的加工柵格。首先，曲面的頂點根據曲面形狀進行重新劃分，同時由于壺口部分點云被輪廓線分為了四塊與矩形近似的區域，只需根據點云形狀調整曲面片使點云網格化。同時調整矩形區域具有相同數量控制點的曲面邊界，保證網格生成的路徑數目一致，使生成的網格大致均勻規則。網格生成后，分別調整曲面各控制點的位置，這樣可使最終得出的曲面片相對規則。

利用生成后曲面片對柵格進行構造，在曲面片的空白處生成N * N小塊曲面片。生成的小塊曲面片分辨率根據曲面形狀確定。本文所用實例，其分辨率為15時最佳，可用于操作擬合曲面的細節最多。在保證點云精確的情況基礎上可以將分辨率適當的提高，以反映產品更多的細節特征。但分辨率過高會導致運算困難冗長，且容易被噪聲點影響。在實際模型的過程中分辨率應依據點云的具體情況而定。確定分辨率后，對相交區域進行檢查并修復，以此完成柵格使用柵格曲面對NURBS曲面進行擬合，本文實例定義擬合公差是0.001毫米，通常情況下，控制點數量越多，其公差越小，模型細節特征與實物細節特征的差異也就越小，公差要求和控制點數量可根據曲面的特征進行調整。

最后利用圖層管理，使用上述相同方法對模型其他部分完成NURBS曲面擬合。所有的曲面擬合完成后，縫合所有曲面，使其合成一個新的整體曲面。最終得出完整的實體模型圖，如圖3所示。

結束語：

陶瓷產品中數字化逆向設計技術的運用，需根據模型的特征和測量數據以及曲面的復雜程度，選擇模型重構的類型。我國陶瓷產品中數字化逆向設計的運用需要與時俱進，順應社會和科技的發展潮流，不斷改進和創新。這樣才能夠真正地提升我國陶瓷產業的整體設計水平、生產效率以及生產質量，進一步促進我國陶瓷產業的發展。

參考文獻：

[1]李剛.基于逆向工程的自由曲面重構技術研究[D].山東大學，2014.

[2]舒雨鋒，賴朝安，孫延明.產品的數字化逆向設計制造研究[J].現代制造工程，2015，04：50-52.