仿古家具产品数模重构及创新设计制造研究

高 敏，周仁和

(淮阴工学院，淮安 223001)

0 引言

仿古家具的造型元素以曲面造型为主，其制作需要一定的文化基础和扎实的技术，利用现有普通技术要批量生产制造这种类型的家具非常困难，因此目前它的价格比普通大批量生产的家具要高出许多。早期这类型的仿古家具的制作主要靠有着丰富经验的熟练匠人，但随着科学技术的发展，机械化加工的方法引入到家具加工当中，形成了批量的生产模式和方法。这种机械化的生产方式的不足之处在于应用机械在加工这些家具时，很多的装饰性的元素很难加工出来。这一状况随着数字技术的发展有所好转，在家具加工过程中，逐步引入数字控制的概念，引入数控机床，使得这一矛盾有所缓解，但还没有完全解决。其原因就在于在仿古家具中，造型及装饰元素中有很多元素属于曲面造型元素。而这些元素正是这些家具的精华所在，是最难去仿制的。因此，生产难点集中在这些曲面的加工方法上。因此要批量生产制造这些家具，最好采用多轴联动的数控机床，这些机床的数控代码的生成需要三维数字模型，而这些仿古家具的装饰造型的数模建立又非常困难，尤其是细节方面的模型重构更是设计中的难点。

采用逆向工程技术，可以快捷准确的生成其三维数字模型。基于数字模型，就可对这些家具方便的进行创新设计，并可以快速的导入CAM软件，生成数控代码，从而实现批量快速的数字化制造。另外，一般家具厂的仿古家具还存在数量虽大但款式不多，远不能满足消费市场的需求的问题。这也需要我们扩大仿制的古典家具的范围，丰富仿造内容。同时，社会的进步又对仿制家具也提出了要求，那就是单纯的仿制已经不能满足当代市场的需求，必须把古董家具，如明清家具的特点融入适当的现代特色，并与当代的加工工艺、材料等相结合，才有可能设计出既具有中国传统风格又具有现代时尚元素的家具产品。

1 数模重构及创新设计制造中的关键技术

1.1 逆向工程技术

逆向工程是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，并在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程[1]。目前逆向工程技术研究较多的是将获得的三维离散数据作为初始素材，借助专用的曲面处理软件完成曲面重构，通过一定的软件平台，在完成产品的再设计后，输出NC加工指令或用STL文件驱动快速成型机制造出产品或原型。其过程一般包括点云数据采集、数据预处理和曲面重构等[2]。

1.1.1 点云数据采集

点云数据采集是利用特定的测量设备和测量方法来获取实物模型或零部件表面离散点的几何坐标数据，是逆向工程的最基本最关键的步骤[3]。点云的规则化程度和精度决定了曲面重构的质量。传统的三坐标测量机测量速度很慢，只能完成很少的检测任务，本研究采用的FARO测量系统适用于复杂曲面的数据采集，可高速扫描不规则曲面，能够精确捕捉并最终形成形象逼真的三维图像。

FARO测量系统是一种便携式的测量臂系统，具有便携性、高精度和易操作的特点，主要由FARO测量臂、激光扫描头、三角架和电脑等组成。整个FARO测量系统中的主要部分为FARO测量臂，测量臂有六个光栅码盘来记录探头工作时任意姿态的六个转角，通过对固定臂长及实时变化的角度的记录，即可换算出探头在任意位置时的坐标值。测量系统的扫描头发射出激光，照射到被测物体表面，然后利用CCD接受漫反射光成像点，当漫反射光斑随被测物体表面起伏时，成像光点作相应移动，根据光源、物体表面反射点和成像点之间的三角关系，可以计算出被测表面测点的三维坐标[4]。

FARO测量系统所配套使用的扫描软件为Geometric Studio，通过这个软件可以实现对测量面的点、线、面的等多种数据处理功能，可以存储为IGES、STEP、VDA、STL等多种导入和导出格式，能够满足与其他工程软件的相互兼容。因此，FARO测量系统可实现对仿古家具构件表面甚至内部点云数据的自由测量。利用FARO测量系统扫描的基本过程如下：

1）对测量臂和激光扫描头进行安装和校准后，均匀喷涂显像剂，将被测实物放置到稳定的平台上并固定，保证其在测量过程中不受震动干扰；

2）开机，校验FARO测量系统接触式探头和激光扫描头是否工作正常；

3）沿物体表面进行扫描。首先进行曝光度测试，扫描时尽量保持扫描头与被测表面的合适距离，尽量使激光投射方向垂直于被测表面；

4）激光扫描仪能自动记录所获取的曲面点云数据，并将采集到的数据点动态显示在电脑屏幕上，对未扫描到或点密度太小的部位可重复扫描；

5）保存点云数据为IGS格式，可得到仿古家具构件的点云数据。

1.1.2 数据预处理

数据预处理主要是在Geometric Studio软件中处理所获得的二维数据，使其符合后续操作的要求。初始扫描得到的点云数据可能存在体外点，同时在扫描过程中，由于扫描设备轻微震动、扫描校准不精确或被扫描物体表面处理不好等原因，有可能将一些噪音点引入数据中，表现为点云离散，曲面粗糙、不均匀。因此，必须对通过FARO测量所获得的点云数据进行处理，使之更加规则化。另外，点云数据过密不利于后续的数据多边形化，所以对点数过多的点云数据要进行数据过滤。

数据预处理主要包括：

1）消除体外点；

2）减少噪音点；

3）合并点云；

4）减少点的数量。

1.1.3 曲面重构

根据曲面拓扑形式不同，自由曲面建模分为两大类：一是以B样条或NURBS曲面为基础的四边域曲面构造方案；二是以三角Bezier曲面为基础的三角曲面构造方案[5]。三角Bezier曲面拟合具有构造灵活、适应性好等优点，适合表现无规则、复杂型面的物体，但所构造的曲面模型与通用CAD/CAM系统交换数据困难[6]。本研究中利用Geometric studio软件将采集到的点云数据进行处理，最终生成高精度的NURBS四边域参数曲面。

1）仿古家具构件三角面片重构

首先在点云对象上创建多边形网格。一旦点对象被净化和条理化，就可以用多边形网格来封装对象。

（1）填充孔。利用填充孔功能可在缺失数据的区域里来创建一个基于曲率的填充（curvaturebased fi lling）或一个平面填充（fl at fi lling），可以执行全部填充、部分填充和桥填充。

（2）去除特征。利用去除特征命令可以快速去除对象上的肿块和压痕。该命令可以减少先删除选中的几何形状、再基于曲率填充空隙的步骤。利用sandpaper(砂纸)命令来光顺或松弛对象上的区域。

（3）简化多边形。利用Decimate（简化多边形）命令可以减少多边形模型的三角片数量。该命令将在曲率较小的区域减少三角片，而在曲率较大的区域保持三角片数量。

然后进入形状编辑阶段。利用多边形模型编辑功能对不完美之处和孔进行修复之后，即可进入下一阶段——Shape Phase（形状阶段），在多边形对象上创建曲面，开始曲面拟合过程。操作方法为：点击Edit(编辑)→Phase(阶段)→Shape Phase（形状阶段），点击OK进入Shape Phase（形状阶段）对话框。用Auto Surface（自动曲面）在多边形对象上拟合一个曲面。点击Patches(曲面片)→Auto Surface（自动拟合曲面），移动Surface Detail(曲面细节)滑杆到Max（最大）。该设置将决定在多边形对象上最终曲面将包含的曲面数量。采用软件的误差分析功能可以对重构后的三角面片进行误差分析。

2）仿古家具构件NURBS曲面重构

NURBS曲面重构是在三角面片重构的基础上进行的，即最终曲面成形阶段(Shape Phase)，此阶段主要实现数据分块与曲面构造功能[7]。

（1）通过检测曲率(Detect Curvature)功能检测家具构件曲率，根据软件计算的曲率结果找出多边形数据中的特征线(Contour Line)。

（2）创建面片(Construct Patches)功能在多边形数据上可自动根据特征曲线生成四边形网格，此时为不规则网状。

（3）利用网格编辑功能将网格面规则化。

（4）利用创建栅线(Construct Grid)功能在每一个网格内建立UV参数线，然后使用拟合曲面(Fit Surface)功能使得每一个四边形网格自动生成GI连续的曲面片（可设置最大控制点数和调整公差值）。

（5）最后利用Geometric studio的误差分析功能对NURBS重构曲面进行误差分析。

曲面重构后，可将该曲面STL数据导入到三维工程软件，如UG中进行再设计。

1.2 逆向工程技术实施的软件条件

目前比较常用的通用逆向工程软件有Surfercer ，Delcam以及Strim。本研究中的点云数据处理主要是在Geometric Studio软件中进行，这是和FARO相配套的数据处理软件。本研究的逆向工程软件平台为UG软件，其逆向工程模块可以接受点云数据。

1.3 CAD/CAM技术

这里的CAD主要指的是三维CAD。在逆向工程软件里处理完成的点云数据（一般格式为IGES或STEP格式）可以直接导入CAD软件，以导入数据作为基础，可以完成产品建模过程，得到产品的完整CAD模型，从而能够描述产品的全部相关数字信息。模型制作完成后，可以在所得模型基础上进行重新设计，也可以通过所选择设计平台的工程图模块功能输出工程图。在本设计中使用的是软件是UG。将再设计后的三维模型导入UG软件的加工模块中，生成刀具轨迹，判断加工的合理性，并作适当的修正。等确定各加工过程准确无误后就可以进行程序的输出。NC加工程序生成后，再将生成的数控加工代码送至加工中心加工完成加工。此即为仿古家具构件的数模重构及创新设计制造过程。

2 结论

本研究课题以FARO测量系统为基础，利用逆向工程思想对明清等传统中式家具结构、造型进行数模重构，并通过产品造型创新完成仿制和创新设计全过程，主要包括：点云数据采集、数据预处理、曲面重构、逆向工程软件平台再设计和CAD/CAM数控加工等步骤。通过研究，得出结论如下：

1）FARO测量系统是获取仿古家具部件中复杂装饰面的曲面数据的重要工具；

2）基于三角化方法的曲面构造灵活、边界适应性好，具有构造复杂形状的潜力，是仿古家具产品逆向设计数模重构的一种有效方法；

3）在当前制造领域中，逆向工程技术的应用已经十分广泛，也相对较成熟。但在家具制造领域中，尤其是仿古家具制造领域，其应用还不广泛，因而有着广阔的研究前景；

4）本方法可以降低仿古家具制作成本、丰富设计内涵，在工业设计领域具有重要的理论和现实意义。

[1] 王宵,刘会霞,梁佳洪.逆向工程技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2004.

[2] Wu LSh,Peng Q J.Research And Development Of Fringe P-rojection Based Methods In 3-D Shape Reconstruction[J].Journal of Zhejiang University Science,2006(2):1026-1036.

[3] 蔡克中,钟砚涛.现代产品设计中逆向工程技术的应用.包装工程Packaging Engineering[J], 2006,27(3):157-158.

[4] FARO Arm操作手册[Z].美国FARO公司,2006.

[5] 崔秀梅,冯文杰.基于FARO测量系统的汽车零部件逆向设计[J].重庆工学院学报(自然科学) Journal of Chongqing Institute of Technology(Natural Science) [J],2008,22(5):18.

[6] Szobonya L,Renner G.Construction Of Curves And Surfaces Based On Point Clouds[J].Computer and Automation Research Institute Budapest,2000.11(4):11-57.

[7] 孟凡文,吴禄慎,罗丽萍.三维面部数据采集与NURBS曲面重构[J].激光与红外Laser ＆ Infrared[J],2010,40(3):336-337.