基于三維激光掃描與復雜曲面重構技術賦能產品開發創新設計

肖宏濤，楊振國，劉 璇

（1.佛山職業技術學院機電工程學院，廣東佛山 528137；2.湖南農業大學機電工程學院，長沙 410128）

0 引言

隨著新科技不斷涌現，產品開發設計的手段進一步融合發展，加快了家電產品的迭代。而迭代的效率更是是一個企業的競爭力，目前產品開發也在慢慢拋棄傳統的復雜低效的手工設計流程，開發也從純粹的正向設計邁向以逆向設計為基礎融合正向創新設計的動態創新設計[1-2]。即從三維激光掃描、復雜曲面重構、創新設計到3D打印制造技術等新工藝組成了動態創新設計。采用激光三維掃描是因其具有良好的環境適應性，符合一線企業使用的特點[3-4]，而曲面重構涉及到數據領域劃分，對特征提取有較高要求，本文將從點、線、面、體4個方面簡述曲面重構的關鍵技術[5]。本文以電吹風出風口原型為例，通過三維激光掃描與復雜曲面重構和創新設計得到最優化的參數化模型，再利用3D打印技術進行樣件試制，驗證創新模型的使用效果。即對原件進行三維激光掃描得到點云數據，再使用點云處理數據進行數據修復與封裝達到STL的封裝小平面體。以STL數據為參考基礎，進行數據面域的劃分重構，把各個曲面約束關系縫合達到參數化模型，這樣就完成了逆向設計部分。通過吸收原模型的優點，再進行正向設計創新產品。通過3D打印技術，對創新的數模進行樣件制造驗證實際功能，大大減少新產品開發的浪費，縮短設計生產周期，達到產品快速迭代的目標，提高產生的設計與制造效率。

1 三維激光掃描技術

電吹風出風口原件的數據獲取是采用先臨三維科技的手持式Free Scan X7激光掃描儀進采集。三維激光掃描儀在技術上采用了多線光柵激光器以及先進的雙7線掃描技術，ClassⅡ（人眼安全），高速掃描可達480 000次/s，精度高達0.03 mm，掃描方式靈活，不受物體大小、材質、顏色等影響。掃描參數如表1所示。

表1 激光掃描參數信息Tab.1 Laser scanning parameter information

1.1 數據采集前設備初始化

在三維激光掃描使用前需要對環境進行分析，參考表1所示的參數信息。當工作的溫度和濕度與上一次標定的參數相差大于10%時就需要進行標定，或當設備在使用前有小幅度碰撞震動過也需要重新進行標定。

首先取出標定板，在使用標定板時需要注意操作規范，正確佩戴棉質感手套。第二是啟動Free Scan x7掃描系統，進入工具欄的標定環節，標定需要采集18個位置點，具體可以通過4個方向進行采集，在標定時系統有位置修正提示，根據提示調整掃描儀的前后、左右、上下移動的要求，如圖1所示[6]。

圖1 掃描系統初始化標定界面Fig.1 Scan system initialization calibration interface

1.2 三維掃描前處理

三維激光掃描系統屬于光學原理，為了提高掃描精度，需要對掃描原件、即電吹風出風口進行掃描前處理，包括噴涂顯像劑、粘貼標志點、橡皮泥固定原件等步驟。

首先對原件進行噴涂顯像劑。因為噴涂顯像劑可以提高掃描光柵的對比度，壓制光噪的產生。本次試驗采用顯像劑為DPT-5型號，在噴涂時顯像劑與原件距離為30～40 mm為合適，注意在噴涂時要必須保證噴涂均勻，不能出現漏噴和噴流等情況，標準的操作效果如圖2所示。

圖2 原件掃描前處理的噴涂顯像劑Fig.2 Theoriginal spray developer

當完成顯像劑的噴涂時還需要進行標志點的粘貼[7]。標志點在三維掃描過程起了獲取的的點云拼接和空間匹配功能，所以粘貼標志點是在三維掃描中屬于很重要的環節。在粘貼標志點時需要注意兩個原則，一是標志點的粘貼不能形成規律，這樣會影響對標志點的編碼，導致數據拼接錯誤；二是標志點不能粘貼在細小特征上，這樣會導致數據采集的缺漏。標志點的粘貼效果如圖3所示。

圖3 粘貼標志點Fig.3 Marking point

掃描路徑的設計。本次試驗采用掃描四分法，即通過4個角度對原件進行三維掃描。電吹風出風口上下兩端特征曲面復雜，也是零件的裝配結構，所以需要對這兩個位置進行高精度、全方位掃描，得到建模所需的數據特征。為達到所需效果，在掃描時可以采用掃描轉盤小角度轉動。側壁屬于大曲率曲面，在掃描時可以進行定角度快速掃描采集數據。內壁掃描時，為了提高數據質量，可以根據光學原理，讓掃描儀的光柵最多的投射到內壁上，保障能采集到足夠的數據進行點云拼接。

1.3 點云數據采集

在三維掃描階段時，對設備參數的設定較為重要。掃描前處理屬于物理處理，而三維掃系統中的曝光、增益和對比度也較為重要，會直接影響點云的生成和噪點的過多產生，具體掃描流程如圖4所示。

圖4 三維激光掃描流程Fig.4 3Dlaser scanning process

（1）啟動掃描系統。打開電腦桌面的Free Scan軟件。

（2）新建工程。在新建工程時需要對項目參數進行設定，本次試驗采用的是6 mm的標志點，所以勾選標志點類型時要注意選擇。還有項目中還需要設置點云的解析度，數字越低采集到的點云距離越大，特征就越模糊，采集的速度就越快，反之點距小、特征精細、運行速度慢，所以在設置參數時需要根據硬件質量和被掃描原件特征需求進行合理參數設置[8]。本次試驗樣件有上下端的細小特征，所以采用了0.1 mm的解析度保障特征精度。

（3）點云掃描。在掃描系統中有3個掃描的工藝，針對本次掃描的特點，選擇點云掃描選項。在進入掃描前需要對掃描儀的相機參數進行設置，也是本次掃描的關鍵步驟，可以把掃描頭對準被測量原件，觀察動態窗口，光柵條為綠色時曝光和對比度達到平衡，就可以設置本次掃描的相機參數。

（4）數據采集。三維掃描需要遵守基本原則，即先采集標志點定宏觀掃描框架，再掃描大面幅的特征，最后采集細微特征。在掃描時需要讓原件與轉盤固定為一個整體，這樣可以保障標志點拼接的精準度[9]。通過上述步驟便可得到電吹風出風口的點云數據，再利用點云處理軟件進行剔除冗余點、降噪、封裝、補洞得到原件的STL小平面體數據，效果如圖5所示。

圖5 STL封裝數據Fig.5 STL encapsulatesdata

2 復雜曲面重構

經過前面的三維掃描前處理和數據采集與修復，得到電吹風出風口的非參數化STL數據，為了符合設計要求和生產要求，就需要對其進行曲面重構，即把STL數據進行領域劃分，并擬合出參數化曲面。再劃分領域時需要根據實物進行分析區域關系，通過曲面的約束與縫合得到參數化模型，為下步的創新設計提供參數依據。

2.1 對齊坐標系

坐標系是一個設計的基礎，會直接影響后期特征的設計與加工。規格的坐標系可以提高設計與加工的效率。通過分析電吹風的實物，可以確定下端面有一部分為裝配的圓柱體，所以可以確定圓柱體是回轉軸為坐標系的Z軸，柱斷面作為X-Y基準面；再分析原型的外形形態，得知電吹風出風口是左右對稱的設計，那么便可以提出對稱平面作為X-Z平面。確定坐標系后，可以使用Geomagic Design X軟件進行對齊坐標系，具體過程如圖6所示。

圖6 對齊坐標系Fig.6 Aligned coordinatesystem

2.2 特征線提取

在復雜曲面重構中，特征提取是非常重要的環節。對參數化模型重建進行劃分，可以分為點、線、面、體4個階段，在三維掃描時已經提取出來了點云數據，而如何在海量的點云中抽取出特征點和擬合出曲線具有重要的造型意義。線上階段為點而劃成面，是模型的骨架元素。模型的特征線主要涉及3種特征線型：主骨架線、輪廓線、形狀線。提取特征線前需要對原型進行特征歸類分析，找到搭建面的關鍵曲線，在STL小片體重可以利用反光的原理，劃定曲線的范圍，通過曲線類型的確定和曲率的設置確定特征線的定形和定位。通過原型分析，確定電吹風出風口的特征曲線，如圖7所示。

圖7 提取特征曲線Fig.7 Extraction characteristic curve

2.3 曲面重構

從逆向設計角度來分析，曲面重構就是對STL小平面體進行面域劃分，再賦予曲面的參數，而曲面擬合參數的設計是在曲面重構環節中的重點，曲面擬合達到面域順滑要求[10]。所以在曲面重構是需要不斷分析面的光順性，不斷修正擬合參數。更具最小二乘法公式，擬合都是通過點進行擬合計算，所以曲面重構的方式有兩種，一種是通過提取特征點進行擬合光順曲線再擬合出參數面，這種重建的點驅動線帶動曲面的變化，其設計邏輯性強，后期的修型方便；還有一種是直接在點云數據中選擇點進行擬合出曲面，這種方式的曲面重構效率較高，但少了特征線驅動，這樣會造成后期修型困難。電吹風出風口采用了點、線、面的驅動方式進行曲面重構，效果如圖8所示。

圖8 電吹風曲面重構Fig.8 surface reconstruction

3 創新設計

完成上述的曲面重構之后，根據電吹風的主體表面特點進行創新設。分析原件的特點，發現電吹風出風口與主體銜接不順暢，增加出風的阻力，所以可以對出風口的外表面進行創新設計。第二是發現出風口與電吹風主體的連接結構可以進一步優化，提高零件裝配可靠性。

3.1 電吹風出風口曲面銜接設計

為了改善電吹風出風效果，通過參考前面的曲面重構的數據，提取最大輪廓，抽取出兩端頂點，再從中段中隨機提取4個控制點，通過最小二乘法的三次多項式，計算4個通過點的三次多項式擬合，設多項式即的值，通過計算可以得到曲線的最優曲率，令曲面更加順滑，擬合結果如圖9所示。

圖9 G1曲面銜接Fig.9 G1 surfaceconnection

3.2 裝配結構設計

原電吹風出風口是采用卡扣是裝配設計，會出現漏風情況，影響使用體驗感。為了解決這缺陷，本次試驗對出風口進行了創新設計，采用U型環槽的裝配設計，增大出風口與主體的裝配面，提高整體的氣密性。裝配槽如圖10所示。

圖10 裝配槽設計Fig.10 Assembly groovedesign

4 3D打印驗證

進行了電吹風出風口的數據采集、曲面重構、創新設計之后得到創新模型，進行3D打印樣件制造驗證裝配[11]。在進行打印前需要帶模型進行STL數據化，在近似化時需要把數據公差設為0，否則容易出現爛面或破洞。數據切片需要注意設置打印機層高，本次試驗以光敏聚合物為原材料，使用DLP曝光進行逐層固化疊加，即就是把創新模型進行分層切片、離散堆積增材制造[12]。具體3D流程如圖11所示。當產品打印完成時，還需要對其進行后處理，把打印的支撐進行剝離，并對殘余的支撐點打磨拋光，發現固化不完整時，可以采用紫外線燈進行二次固化定型，由于3D打印都會存在臺階效應，所以制件會存在公差偏大的情況，可以測量裝配位置再進行修型打磨，直到順利裝配為止。最后當發現打印產品不符合設計目標是可以再次修改參數化模型，再打印試制，直到滿足設計要求為止。

圖11 電吹風出風口的3D打印Fig.11 3D printing of the original

5 結束語

本文以電吹風出風口為載體，驗證了基于三維激光掃描、曲面重建、功能創新設計和3D打印樣件是可以作為對產品開發的高效設計鏈。對比傳統工藝，其減少了很多反復修模的環節，可以把每一個環節拆解單獨完成，符合目前的工種協助設計要求，提高設計效率，加快產品的迭代。而三維掃描和曲面重建環節還可以吸收原型的優秀設計元素，較少樣件試制次數，壓縮產品生產的周期。新工工藝的產品每個功能都可以數字化設計和快速驗證，為設計提供更系統的靈感。通過本次試驗，這種新的設計工藝是可以體現企業產品設計新理念的。