基于RE的玩具汽車模型重構(gòu)及3D打印

夏會(huì)芳 湯 劍 吳 嬌 朱鳳霞 汪 芳

（武漢華夏理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，武漢 430223）

隨著制造業(yè)全面轉(zhuǎn)型的快速推進(jìn)，制造業(yè)已由原來(lái)的制造變?yōu)楝F(xiàn)在的智造，人們對(duì)制造的需求也越來(lái)越專業(yè)化、細(xì)節(jié)化，促使各種工業(yè)品更新迭代的速度越來(lái)越快。在這種背景下，傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)面臨著諸多困境，如設(shè)計(jì)所需時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)計(jì)效率低、對(duì)復(fù)雜曲面的設(shè)計(jì)能力不足以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本較高等。因此，傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足人們的生活需要。針對(duì)上述問(wèn)題，逆向設(shè)計(jì)有著很大的優(yōu)越性[1]。逆向工程（Reverse Engineering，RE）也稱之為反求工程或者逆向設(shè)計(jì)，主要是對(duì)已經(jīng)存在的實(shí)物模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并以此作為基礎(chǔ)進(jìn)行剖析、深化和二次創(chuàng)造，是一種分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合[2-3]。本文基于逆向工程技術(shù)，先將玩具汽車轉(zhuǎn)化為三維模型數(shù)據(jù)，再通過(guò)3D打印得到汽車模型。

1 汽車點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

掃描前，需要對(duì)要掃描的物體進(jìn)行處理[4]。首先，在汽車模型表面均勻噴一層顯像劑，如圖1所示。等顯像劑完全干燥后進(jìn)行掃描，這樣掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果較好，且適合建模。其次，將汽車模型放入托盤中央，通過(guò)掃描得到汽車模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖2所示。最后，保存所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將其拼接成為一個(gè)整體，如圖3所示，并保存數(shù)據(jù)待建模使用。

圖1 汽車模型

圖2 掃描過(guò)程

圖3 汽車完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2 汽車點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在三維掃描過(guò)程中，由于儀器受到外界環(huán)境因素（環(huán)境溫度、室內(nèi)光線以及機(jī)器穩(wěn)定性等）干擾而產(chǎn)生的跳點(diǎn)和被掃描物體的抖動(dòng)或儀器設(shè)備的抖動(dòng)而產(chǎn)生的干擾點(diǎn)稱之為噪點(diǎn)。噪點(diǎn)的存在將會(huì)對(duì)后續(xù)處理產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此在逆向建模前需要處理獲取的汽車模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文先用Geomagic Wrap軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采樣、減少噪點(diǎn)和網(wǎng)格劃分等處理后，將模型封裝成三角形面片模型，如圖4所示。通過(guò)去除特效、松弛多邊形以及孔填充等命令操作，得到一個(gè)表面光順的汽車模型。

圖4 模型封裝

3 逆向建模

逆向建模時(shí)，可以將處理好的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Design X軟件中進(jìn)行模型重建。

3.1 領(lǐng)域劃分

領(lǐng)域劃分可以根據(jù)模型特征將三角形面片劃分為不同部分，并用領(lǐng)域技術(shù)使之后提取出的形狀更加準(zhǔn)確，從而為之后的逆向建模打下基礎(chǔ)[5]。劃分模型領(lǐng)域時(shí)，先觀察汽車模型曲率，將曲率變化不大的部分劃分成一個(gè)區(qū)域，然后點(diǎn)擊領(lǐng)域菜單，選擇筆畫選擇模式，并用筆刷在同一個(gè)曲面上繪制領(lǐng)域，畫好后點(diǎn)擊插入，直到劃分好所有的曲面，如圖5所示。

圖5 領(lǐng)域劃分

3.2 面片擬合、剪切

通過(guò)領(lǐng)域進(jìn)行面片擬合可以得到一個(gè)曲面。選擇模型模塊中的面片擬合命令，將上一步劃分好的領(lǐng)域通過(guò)面片擬合得到多個(gè)曲面，如圖6所示。將擬合的所有平面適當(dāng)延長(zhǎng)，然后進(jìn)行曲面剪切，如圖7所示。剪切后可以得到模型的實(shí)體。

圖6 面片擬合

圖7 曲面剪切

3.3 曲面偏移、縫合

因?yàn)橥ㄟ^(guò)三維掃描得到的是汽車模型外殼的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所以通過(guò)曲面偏移可以得到一個(gè)具有厚度的殼。具體操作是先選擇曲面偏移命令，點(diǎn)擊要偏移的面，然后向內(nèi)偏移2 mm；曲面偏移后，先將邊界的面適當(dāng)延長(zhǎng)，然后進(jìn)行曲面縫合。最終得到的模型如圖8所示。

圖8 曲面縫合

3.4 鏡像、倒圓角

汽車模型可以看成是一個(gè)對(duì)稱的實(shí)體，因此做完汽車模型的一半后使用鏡像可以得到完整的汽車模型。鏡像完成后，將中間的凹槽采用放樣命令進(jìn)行修復(fù)，將需要圓角的地方進(jìn)行倒圓角，如圖9所示。最后，通過(guò)光順處理得到完整的汽車模型，如圖10所示。

圖9 倒圓角

圖10 光順處理

4 汽車模型3D打印

打印之前，先將汽車模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入切片軟件中開(kāi)始切片，切片分析如圖11所示。切片完成后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入儲(chǔ)存卡，然后插到3D打印機(jī)上進(jìn)行3D打印，最終得到如圖12所示的汽車模型。

圖11 切片分析

圖12 3D打印實(shí)物

5 結(jié)語(yǔ)

汽車模型是一個(gè)復(fù)雜的空間薄壁殼體，按照傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)模式所需要的時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率低、成本較高、模式固定，設(shè)計(jì)完成后不能按照客戶的需求進(jìn)行快速修改。基于逆向工程技術(shù)的設(shè)計(jì)方式可以快速獲得模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為三維模型數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，逆向設(shè)計(jì)可以極大地縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高研發(fā)效率，降低研發(fā)成本。