基于逆向工程的復雜工藝品設計及快速成型*

夏會芳，湯 劍，張琳瑯，蘇秀芝

(武漢華夏理工學院 智能制造學院，湖北 武漢 430223)

0 引言

逆向工程(Reverse Engineering)也稱反求工程或逆向設計，是將已有產品模型(實物模型)轉化為工程設計模型和概念模型，并在此基礎上解剖、深化和再創造的一系列分析方法和應用技術的組合[1]。

逆向工程的過程大致如下：首先由數據采集設備獲取樣件表面數據，其次導入專門的數據處理軟件或帶有數據處理的三維CAD軟件進行前處理，然后進行曲面和三維實體重構，在計算機上復現實物樣件，并在此基礎上進行修改和創新設計，最后對再設計的對象進行實物制造。其中從數據采集到CAD模型的建立是反求工程中的關鍵技術[2]。

本文以兵馬俑人俑工藝品為研究對象，利用逆向工程技術對人俑模型進行逆向建模。

1 人俑三維數據采集

1.1 掃描前處理

本次掃描選用日本柯尼卡美能達三維掃描儀RANGE7對人俑模型進行數據采集。柯尼卡美能達三維掃描儀屬于非接觸式光學掃描儀，物體表面明暗程度會影響掃描數據的質量，另外要獲得物體表面完整的數據，需多方位掃描[3]。所以掃描前處理主要是表面處理、貼標記點。兵馬俑表面比較暗，所以噴上白色顯像劑(如圖1所示)，并貼好標記點。

1.2 對焦、掃描

將兵馬俑模型放入黑色托盤中，對好焦，開始掃描，掃描的三維圖像顯示在預覽窗口中，掃描的數據以默認的文件名加入右邊的點云列表中，如圖2所示。

1.3 變化角度再次掃描

將轉盤旋轉一個角度再次掃描，直至完成所有的數據掃描，如圖3所示。

圖1 人俑實物噴顯像劑處理 圖2 一個視角的掃描 圖3 多個視角的掃描

1.4 合并、保存

將掃描數據進行合并，生成完整的兵馬俑外形測量數據，如圖4所示,并以STL的文件格式保存。

2 人俑點云數據處理

將采集到的點云數據導入Geomagic Wrap軟件中進行點云數據處理。

2.1 刪除噪點

將模型進行著色處理以后，點擊“選擇”，再點擊“非連接項”，在參數欄中將尺寸改為5.0，點擊“應用”，該操作主要選中模型周圍比較遠的非連接點，選中以后，非連接點變成紅色，點擊“確定”，再點擊“刪除”，即可刪除選中的點，如圖5所示。再點擊“體外弧點”此時敏感度設為85%，點擊“應用”，此次操作主要選中模型周圍比較近且質量不好的非連接點，選中的非連接點會變成紅色，點擊“確定”后刪除，如圖6所示。

2.2 點云封裝

點擊“封裝”，此時點云變成面，左側對話框勾選“保持原始數據”，點擊高級，邊緣孔最大數目調為5，點擊“確定”完成操作。點云數據轉為網格面片，如圖7所示。

圖4 兵馬俑完整數據 圖5 刪除較遠非連接點圖6 刪除較近非連接點

2.3 填充及光順處理

使用“全部填充”命令，將空缺填補起來。選中特征，右鍵選中“去除特征”命令，將釘狀物及平面凸起和凹陷處理成光滑的曲面，如圖8所示。

圖7 封裝完成 圖8 曲面填充及光順處理

3 人俑逆向建模

通過Geomagic Wrap軟件處理好的點云數據，以STE格式文件導入到逆向建模軟件Geomagic Design X中進行曲面重建。

3.1 劃分領域

點擊“領域”中的“自動分割”，由于本模型曲面較復雜，因此敏感度設為5%，如圖9所示。

圖9 劃分領域 圖10 對齊坐標

3.2 坐標對齊

將“模型”命令欄里的“平面”定義改成“平均”，選中底座前后兩平面點擊確定，成功創建平面1，同理利用底座左右兩平面創建平面2，再追加平面3，定義改為“提取”，選中底座下表面，點擊確定。利用以上三平面進行“手動對齊”，使模型坐標與軟件坐標系對齊，如圖10所示。

3.3 曲面重構

曲面重構是逆向工程技術中最復雜最關鍵的一個環節,特別是針對人物類型工藝品,造型的多樣化導致我們需要考慮如何確定邊緣條件、型值點的權值以及如何反求相應權值點,因此曲面重構較為困難。本實例采用“自動曲面創建”命令，得到滿足要求的曲面模型，如圖11所示。

圖11 自動曲面創建 圖12 導入模型圖13 完全對齊

4 模型計算機輔助檢測

在逆向建模時，對點云進行曲面重構，因此需要比較重構曲面與點云的誤差，以確保曲面和點云的誤差在許可的范圍內。為此將前面Geomagic Wrap軟件處理好的點云數據STL文件和Geomagic Design X軟件建模好的STP文件導入Geomagic Control X軟件中，導入結果如圖12所示。

4.1 初始對齊及最優匹配

使用“初始”菜單欄中的“初始對齊”，勾選“利用特征識別提高對齊精度”，點擊確定則完成初始對齊，再點擊“最佳擬合對齊”，采樣比率改成100%，得到精確的完全對齊，如圖13所示。

4.2 3D比較及2D比較

在功能菜單中更改偏差數據，通過顏色分析是否在許可偏差范圍內，模型顯示灰色說明整個模型均在許可范圍內，且建模重構平均精度控制在±0.005 mm以內，滿足設計要求。除此之外，檢測點與點之間的誤差，根據測量位置與參考位置XYZ坐標數值的間隙距離來觀察是否偏移，此次檢測可知間隙距離均在0.01 mm以內，滿足設計要求。3D比較結果和2D比較結果如圖14、圖15所示。

圖14 3D比較

圖15 2D比較

5 人俑3D打印

將逆向建模數據轉換為STL格式，導入切片軟件Materialiase Magics中進行切片處理，如圖16所示。將最終生成的GCoad代碼導入3D打印設備進行打印，得到如圖17所示的打印成品。

圖16 切片處理

圖17 人俑3D打印實物

6 結論

本文基于Geomagic Design X軟件和3D打印技術對兵馬俑人俑模型藝術品進行逆向建模與快速成型，為復雜工藝品逆向建模及成型提供了一種解決方法[4]。但存在不足之處：打印成品模型跟兵馬俑人俑模型實體作對比，成品模型臉部表情等細節與實體之間有較小的偏差，清晰度沒有實體的高，需在后續工作中改善和解決。