基于逆向工程的打印機外殼創(chuàng)新設(shè)計

鄭澤宇 ， 李美美 ， 康玉輝

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

“正向工程”即根據(jù)產(chǎn)品的所需的功能，提出產(chǎn)品的概念設(shè)計，然后繪制產(chǎn)品的三維模型并制造出新產(chǎn)品的過程。“逆向工程”相對于傳統(tǒng)的“正向工程”而言，是一種產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)再現(xiàn)過程[1-2]，即對一項目標(biāo)產(chǎn)品進行分析及研究，利用測量設(shè)備，采集該產(chǎn)品的點云數(shù)據(jù)，并對該產(chǎn)品進行模型重構(gòu)、創(chuàng)新設(shè)計，最后利用快速成型技術(shù)生產(chǎn)出該產(chǎn)品的過程，逆向過程如圖1所示，該設(shè)計方法廣泛應(yīng)用于汽車、飛機、工藝品、家用電器、模具等行業(yè)[3-5]。某款打印機在使用過程中出現(xiàn)打印機外殼過熱且外殼在拆裝的過程中，強度略有不足的情況，針對該問題，本文基于逆向工程創(chuàng)新設(shè)計方法，對打印機外殼進行改良設(shè)計，結(jié)果表明，該設(shè)計方法能快速實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。

圖1 逆向設(shè)計流程圖

1 點云數(shù)據(jù)采集

在模型重構(gòu)前，必須獲得精確的點云數(shù)據(jù)，才能保證模型重構(gòu)的準(zhǔn)確性。常見的三維掃描設(shè)備根據(jù)其掃描方式不同通常分為接觸式和非接觸式[6-7]。非接觸測量設(shè)備較傳統(tǒng)的接觸式三坐標(biāo)測量機，有效避免了高精度測量力所帶來的系統(tǒng)誤差和隨機誤差，并具有高效性、快速性等優(yōu)點。由于打印機外殼對精度要求不是很高，采用非接觸式掃描方式可以快速獲得點云數(shù)據(jù)，大大縮短了打印機外殼創(chuàng)新設(shè)計周期。

2 點云數(shù)據(jù)處理

將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Polyworks軟件中，由于掃描過程中環(huán)境、掃描系統(tǒng)或者人為操作等因素影響，點云數(shù)據(jù)中會不可避免的引入噪聲點，為了盡可能還原實物表面的數(shù)據(jù)信息，需要對點云數(shù)據(jù)中的噪聲點進行刪除，在Polyworks軟件對齊模塊中，點擊“選擇單元”，按住Ctrl+shift同時按下鼠標(biāo)中鍵，便可以選擇需要刪除的區(qū)域，當(dāng)選中后，該區(qū)域變?yōu)榧t色，按DEL鍵便可以刪除。處理過程如圖2所示。將局部點云數(shù)據(jù)逐個進行噪聲點的刪除，在刪除的過程中盡可能保持點云數(shù)據(jù)與實物模型的一致，以便后續(xù)進行點云數(shù)據(jù)拼接及模型重構(gòu)。

在掃描過程中，掃描到不同角度的局部數(shù)據(jù)，多次掃描的三維數(shù)據(jù)所對應(yīng)的坐標(biāo)系不一致，必須對局部信息進行拼接，從而準(zhǔn)確的還原實物信息。利用Polyworks軟件中“對齊模塊”將片體進行拼接，要求每個片體與相鄰片體之間有重疊區(qū)域，同時每個片體需包含一個對象形狀的變化（如尖角、孔等），在對齊過程中盡量選取特征較明顯的部分。圖片的對齊方式包括：一點對齊、多點對齊和自動對齊方式。本文中采用了多點對齊，關(guān)聯(lián)點選取較多，耗時較長，對齊效果較好。最終對齊效果如圖3所示。數(shù)據(jù)對齊的效果可利用所有重疊的3D圖片距離分布的柱狀圖來顯示，如圖4所示。以零點為中心的柱狀圖表示對齊效果較好，若對齊效果不理想，可對此片體進行重新對齊。

圖2 刪除噪聲點

圖3 數(shù)據(jù)對齊

3 三維模型重構(gòu)

3.1 創(chuàng)建三角化模型

打開對應(yīng)模塊，導(dǎo)出之前拼接完成的項目文件，開始創(chuàng)建三角化模型，通過整合模塊將拼接好的片體進行三角化。三角化是為了使網(wǎng)格質(zhì)量更好、更穩(wěn)定，將散亂的點云數(shù)據(jù)之間以三角形的形式連接起來，實質(zhì)就是將相鄰數(shù)據(jù)點間的拓?fù)溥B接關(guān)系以三角化的方式呈現(xiàn)[8]。

由于掃描過程中實物模型本身結(jié)構(gòu)或人為操作等原因，打印機外殼存在部分掃描不到的死角，掃描的點云數(shù)據(jù)會形成孔洞，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型時，不僅影響外觀，而且會對后續(xù)實物模型的重構(gòu)造成很大的影響[9]，故需要對孔洞進行修補。修補孔的方式很多，如曲面填補孔洞、利用點云直接擬合曲面等。根據(jù)不同的孔洞形式，選擇相應(yīng)的填補方式。同時由于前期掃描和點云的處理，部分曲面比較粗糙，為了后續(xù)模型重構(gòu)的精確性，需對曲面進行光順。數(shù)據(jù)修補及光順后的效果，如圖5所示。

3.2 提取特征線

通過創(chuàng)建斷面來獲取模型重要位置的信息即特征線，截取的方式不同，截取到的特征線也不是唯一的，在X、Y、Z三個方向上均可以建立平面進行切割，可以在同一個方向上進行截取，也可以在兩個方向上進行截取。對于特征線的提取，可以根據(jù)實際需要提取有效的特征線，并將Polyworks軟件中提取到的特征線保存為igs格式，輸入到Pro/E軟件中對曲線進行平滑處理，最終特征線如圖6所示。

圖4 對齊模塊分析柱狀圖

圖5 三角化模型處理圖

3.3 模型重構(gòu)

利用Pro/E軟件中“掃描混合”命令，基于Polyworks中已提取到的特征線，對模型進行重構(gòu)，以還原打印機外殼信息并對重構(gòu)后的模型精度進行分析，重構(gòu)模型圖及精度分析如圖7、圖8所示。

圖6 提取特征線

圖7 模型重構(gòu)

圖8 重構(gòu)模型精度檢測

4 產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計

由于該打印機在拆裝的過程中，存在外殼強度略有不足的情況，同時在工作過程中由于散熱效果不理想存在外殼過熱的現(xiàn)象。為了解決上述問題，本文在吸取了該打印機外殼的基本尺寸與形狀的基礎(chǔ)上進行了改良設(shè)計，在打印機外殼內(nèi)部添加加強筋，提升外殼強度，延長使用壽命；同時在滿足強度的基礎(chǔ)上，合理地增加散熱孔，提升散熱效果。最終優(yōu)化方案如圖9所示。

圖9 再創(chuàng)新產(chǎn)品

5 結(jié)語

本文應(yīng)用Polyworks軟件對打印機外殼的點云數(shù)據(jù)進行處理，通過對模型分析，提取該三維模型的特征線，利用Pro/E軟件還原了實物模型信息，并在此基礎(chǔ)上對打印機外殼的結(jié)構(gòu)進行了改良與優(yōu)化。結(jié)果表明，該逆向設(shè)計方法可大大縮短產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)周期。