吹風(fēng)機(jī)的逆向建模及3D打印*

何秀超，夏會(huì)芳

(武漢華夏理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430223)

0 引言

現(xiàn)代化工業(yè)日益進(jìn)步，許多企業(yè)發(fā)展的重心都開始偏向于具有特色的產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)，傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)已不能滿足現(xiàn)在的產(chǎn)品開發(fā)要求，以至于逆向設(shè)計(jì)被設(shè)計(jì)者們廣泛應(yīng)用[1]。

“正向設(shè)計(jì)”是依照所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能以及產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念，利用建模軟件繪制出空間三維模型的工藝過程[2]。而“逆向設(shè)計(jì)”相對(duì)于 “正向設(shè)計(jì)”而言，是利用三維掃描設(shè)備采集產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行模型重構(gòu)[3]，最后利用快速成型技術(shù)生產(chǎn)出該產(chǎn)品的過程，該設(shè)計(jì)方法常用于復(fù)雜曲面及模具的重構(gòu)等[4，5]。

本文以吹風(fēng)機(jī)外形為研究對(duì)象，結(jié)合Geomagic一系列軟件對(duì)吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行逆向建模及快速成型。

1 逆向設(shè)計(jì)工作流程

逆向設(shè)計(jì)工作流程如圖1所示。

圖1 逆向設(shè)計(jì)工作流程

2 吹風(fēng)機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

模型逆向重構(gòu)之前，必須獲得精準(zhǔn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本次掃描選取日本柯尼卡美能達(dá)三維掃描儀RANGE5對(duì)吹風(fēng)機(jī)外形進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取吹風(fēng)機(jī)外形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描時(shí)，首先將托盤和吹風(fēng)機(jī)貼上標(biāo)記點(diǎn)(見圖2)，軟件掃描時(shí)會(huì)根據(jù)模型上粘貼的標(biāo)記點(diǎn)對(duì)各次掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)拼接對(duì)齊，掃描過程如圖3所示。經(jīng)旋轉(zhuǎn)方向，多次掃描最終獲取的吹風(fēng)機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示，最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)以asc文件格式進(jìn)行保存。

圖2 吹風(fēng)機(jī)貼標(biāo)記點(diǎn)

圖3 掃描過程

圖4 吹風(fēng)機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

由于掃描過程中會(huì)采集到一些無關(guān)的數(shù)據(jù)(如實(shí)驗(yàn)臺(tái)表面)，同時(shí)掃描數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)中會(huì)包含大量的噪點(diǎn)，所以將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件中進(jìn)行處理。

2.2.1 刪除非連接項(xiàng)

將模型進(jìn)行著色處理后，先對(duì)模型周圍比較遠(yuǎn)的非連接項(xiàng)即紅色點(diǎn)(如圖5所示)進(jìn)行刪除。

圖5 非連接項(xiàng) 圖6 體外孤點(diǎn) 圖7 減少噪音

2.2.2 刪除體外孤點(diǎn)

對(duì)模型周圍比較近的質(zhì)量不好的非連接點(diǎn)即體外孤點(diǎn)(如圖6所示)進(jìn)行刪除。

2.2.3 減少噪音

點(diǎn)擊減少噪音命令進(jìn)一步優(yōu)化點(diǎn)云(如圖7所示)，設(shè)置迭代值為3，偏差限制為0.2 mm。點(diǎn)擊“應(yīng)用”，然后“確定”。

2.2.4 點(diǎn)云封裝

點(diǎn)擊“封裝”，將點(diǎn)云變成面片。封裝完成的面片如圖8所示。

圖8 封裝完成 圖9 孔填充及光順處理 圖10 吹風(fēng)機(jī)領(lǐng)域分割

2.2.5 填充孔及光順處理

最后通過“孔填充”命令及光順處理得到如圖9所示面片。

3 吹風(fēng)機(jī)模型重構(gòu)

將處理好的吹風(fēng)機(jī)面片文件導(dǎo)入Geomagic Design X軟件進(jìn)行建模。Geomagic Design X軟件是一款強(qiáng)大的正逆向混合設(shè)計(jì)軟件，這款正逆向軟件不僅可以在點(diǎn)云面片的基礎(chǔ)上使重構(gòu)模型的曲面生成實(shí)體，也可以通過二維草圖和三維草圖生成實(shí)體，它把正向建模和逆向建模兩種不同的建模方法有機(jī)地結(jié)合起來，完美地詮釋了正向建模與逆向建模的相輔相成。

3.1 領(lǐng)域劃分

領(lǐng)域組的劃分是根據(jù)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的3D特征把模型分成不同區(qū)域。根據(jù)模型特點(diǎn)和需要，把吹風(fēng)機(jī)分為手柄和主殼兩部分，主殼類似于橢圓形狀，我們將它分為上下左右4個(gè)面，左右有內(nèi)凹的特征，先把上下平滑的面和規(guī)則的面分割出來，這樣可以更快地實(shí)現(xiàn)面片擬合，從而得出平滑的實(shí)體面，以縮短建模的時(shí)間，減少建模的難度；其次，將手柄特征部分分為一個(gè)領(lǐng)域，其余平滑地分為兩個(gè)領(lǐng)域即可。最終劃分的領(lǐng)域如圖10所示。

3.2 對(duì)齊坐標(biāo)系

對(duì)齊坐標(biāo)系就是將模型的基準(zhǔn)特征或選擇的點(diǎn)云數(shù)據(jù)領(lǐng)域與世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸或坐標(biāo)平面匹配，使模型與世界坐標(biāo)系對(duì)齊。本例中先對(duì)吹風(fēng)機(jī)建立兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱平面，然后利用“手動(dòng)對(duì)齊”命令對(duì)齊坐標(biāo)系，對(duì)齊后的坐標(biāo)系如圖11所示。

圖11 對(duì)齊坐標(biāo)系 圖12 面片擬合 圖13 剪切曲面

3.3 創(chuàng)建面片模型

對(duì)分割的領(lǐng)域分別進(jìn)行面片擬合，并對(duì)相鄰的面片依次進(jìn)行擬合。面片擬合過程中需要調(diào)整擬合出面片的大小，使面片能夠完全覆蓋所選領(lǐng)域，如圖12所示。兩個(gè)面片相交會(huì)產(chǎn)生多余的部分，對(duì)于交叉多余部分點(diǎn)擊剪切曲面，選擇剪切面和被剪切面，保留需要的部分，如圖13所示。

3.4 曲面填充

由于掃描過程中實(shí)物模型本身結(jié)構(gòu)或人為操作等原因，吹風(fēng)機(jī)外殼存在部分掃描不到的死角，在面片擬合時(shí)會(huì)出現(xiàn)缺失，對(duì)后續(xù)實(shí)物模型的重構(gòu)造成很大的影響，故需要對(duì)孔洞進(jìn)行縫合、修補(bǔ)。根據(jù)不同的孔洞形式，選擇相應(yīng)的填補(bǔ)方式。本例中面片擬合后縫合及曲面填充的效果如圖14所示。

圖14 縫合及曲面填充 圖15 曲面賦厚 圖16 倒圓角

3.5 曲面賦厚

利用Geomagic Design X軟件中“賦予厚度”命令，對(duì)擬合的面片模型進(jìn)行曲面賦厚，得到如圖15所示模型。

3.6 圓角

由于面片擬合表面復(fù)雜不平整，很多面片相交的部位并不平滑，用倒圓角命令可以使面和面的相交處連接平滑。選擇布爾運(yùn)算命令，點(diǎn)擊可變圓角，選取要素邊線，點(diǎn)擊自動(dòng)計(jì)算各個(gè)位置的圓角半徑大小，點(diǎn)擊完成，完成倒圓角命令，如圖16所示。

3.7 導(dǎo)出實(shí)體

點(diǎn)擊“布爾運(yùn)算”進(jìn)行合并，使其成為一個(gè)整體(見圖17)，進(jìn)行精確度分析，偏差較小(見圖18)，最后保存文件。

圖17 合并整體 圖18 精度分析 圖19 2D比較

4 模型偏差分析

利用Geomagic Control X軟件可動(dòng)態(tài)觀察模型的體偏差、曲率、連續(xù)性等建模情況。分別測量2D或3D中的尺寸偏差，根據(jù)色譜來判斷模型不同位置的偏差，綠色為最佳，偏向紅色說明檢測的模型在這個(gè)位置相對(duì)于參考模型有凸起，偏向藍(lán)色則說明檢測的模型在這個(gè)位置相對(duì)于參考模型有凹陷。通過2D比較、3D比較(如圖19、圖20所示)對(duì)模型進(jìn)行偏差對(duì)比分析檢查，結(jié)果表明，所建模型對(duì)比分析偏差在允許的范圍之內(nèi)。

5 3D打印

將建好的模型導(dǎo)入Print 3D軟件中進(jìn)行模擬分片，調(diào)整打印位置及方向，設(shè)置填充密度及打印速度等參數(shù)，然后導(dǎo)出為STL文件，最后進(jìn)行3D打印。打印過程如圖21所示，最終打印的成品如圖22所示。

圖20 3D比較 圖21 打印過程 圖22 吹風(fēng)機(jī)3D打印樣品

6 結(jié)論

如果是使用傳統(tǒng)正向建模的方法，對(duì)于吹風(fēng)機(jī)復(fù)雜曲面的設(shè)計(jì)會(huì)無從下手，而利用逆向工程技術(shù)可以有效地采集三維數(shù)據(jù)，并結(jié)合逆向工程軟件重構(gòu)數(shù)字模型。本文對(duì)吹風(fēng)機(jī)外形進(jìn)行了逆向建模，結(jié)果表明，逆向設(shè)計(jì)可大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)周期。