基于逆向工程的打印機外殼創新設計

鄭澤宇 ， 李美美 ， 康玉輝

（河南工學院機械工程學院，河南 新鄉 453003）

“正向工程”即根據產品的所需的功能，提出產品的概念設計，然后繪制產品的三維模型并制造出新產品的過程。“逆向工程”相對于傳統的“正向工程”而言，是一種產品設計技術再現過程[1-2]，即對一項目標產品進行分析及研究，利用測量設備，采集該產品的點云數據，并對該產品進行模型重構、創新設計，最后利用快速成型技術生產出該產品的過程，逆向過程如圖1所示，該設計方法廣泛應用于汽車、飛機、工藝品、家用電器、模具等行業[3-5]。某款打印機在使用過程中出現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新設計方法，對打印機外殼進行改良設計，結果表明，該設計方法能快速實現產品的創新設計。

圖1 逆向設計流程圖

1 點云數據采集

在模型重構前，必須獲得精確的點云數據，才能保證模型重構的準確性。常見的三維掃描設備根據其掃描方式不同通常分為接觸式和非接觸式[6-7]。非接觸測量設備較傳統的接觸式三坐標測量機，有效避免了高精度測量力所帶來的系統誤差和隨機誤差，并具有高效性、快速性等優點。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據，大大縮短了打印機外殼創新設計周期。

2 點云數據處理

將點云數據導入Polyworks軟件中，由于掃描過程中環境、掃描系統或者人為操作等因素影響，點云數據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據信息，需要對點云數據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同時按下鼠標中鍵，便可以選擇需要刪除的區域，當選中后，該區域變為紅色，按DEL鍵便可以刪除。處理過程如圖2所示。將局部點云數據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據與實物模型的一致，以便后續進行點云數據拼接及模型重構。

在掃描過程中，掃描到不同角度的局部數據，多次掃描的三維數據所對應的坐標系不一致，必須對局部信息進行拼接，從而準確的還原實物信息。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，關聯點選取較多，耗時較長，對齊效果較好。最終對齊效果如圖3所示。數據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 數據對齊

3 三維模型重構

3.1 創建三角化模型

打開對應模塊，導出之前拼接完成的項目文件，開始創建三角化模型，通過整合模塊將拼接好的片體進行三角化。三角化是為了使網格質量更好、更穩定，將散亂的點云數據之間以三角形的形式連接起來，實質就是將相鄰數據點間的拓撲連接關系以三角化的方式呈現[8]。

由于掃描過程中實物模型本身結構或人為操作等原因，打印機外殼存在部分掃描不到的死角，掃描的點云數據會形成孔洞，構建網絡模型時，不僅影響外觀，而且會對后續實物模型的重構造成很大的影響[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。根據不同的孔洞形式，選擇相應的填補方式。同時由于前期掃描和點云的處理，部分曲面比較粗糙，為了后續模型重構的精確性，需對曲面進行光順。數據修補及光順后的效果，如圖5所示。

3.2 提取特征線

通過創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

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，以還原打印機外殼信息并對重構后的模型精度進行分析，重構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

圖8 重構模型精度檢測

4 產品創新設計

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上進行了改良設計，在打印機外殼內部添加加強筋，提升外殼強度，延長使用壽命；同時在滿足強度的基礎上，合理地增加散熱孔，提升散熱效果。最終優化方案如圖9所示。

圖9 再創新產品

5 結語

本文應用Polyworks軟件對打印機外殼的點云數據進行處理，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，并在此基礎上對打印機外殼的結構進行了改良與優化。結果表明，該逆向設計方法可大大縮短產品設計開發周期。