基于逆向工程的肥皂盒设计及快速成型*

夏会芳，刘怡来，朱凤霞，温 娟

(武汉华夏理工学院 智能制造学院，湖北 武汉 430223)

0 引言

逆向工程(Reverse Engineering,RE)也称反求工程、反向工程，是将实物转化为CAD模型的数字化技术、几何模型重构技术和产品制造技术的总称，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，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程[1]。

逆向工程技术目前已用于产品的复制、仿制、改进及创新设计，是消化吸收先进技术和缩短产品设计开发周期的重要支撑手段，广泛应用于航空[2]、汽车[3]、医疗[4]、艺术[5]等多个领域。本文基于逆向工程技术，以肥皂盒为实物原型，通过三维激光扫描设备进行实物数据采集，然后将点云数据导入Geomagic Wrap软件进行处理，再利用Geomagic Design X软件进行逆向建模，在Geomagic Control X软件中完成三维检测，最后通过3D打印得到实物模型。

1 肥皂盒三维数据采集

本次扫描选用日本柯尼卡美能达三维扫描仪RANGE7对肥皂盒进行了数据采集。

柯尼卡美能达三维扫描仪使用激光三角法原理，通过光源孔发射出一束水平的激光束来扫描物体。该激光经过旋转平面镜的作用，改变角度，使得激光发射到物体表面。物体表面反射激光束，通过传感器对每一束激光线都采集一帧数据。根据物体表面不同的形状，每条激光线反射回来的信息中包含了表面等高线数据。该扫描仪精度高、快速准确，具有先进的AF功能。扫描时，首先在肥皂盒上贴上标记点(如图1所示)，然后将肥皂盒模型放入托盘中央，启动扫描仪电源，打开电脑上的软件开始对焦，通过观察电脑上的监视窗来调整托盘和扫描仪的位置，使得激光与电脑上的特殊线重合则对焦完成，开始扫描。模型在扫描过程中通过标记点来进行点云自动拼接，所以在每次扫描完成后需轻轻转动托盘10°～15°，对肥皂盒模型换个角度再次扫描，直到获取到完整的点云数据。扫描过程如图2所示。经多次扫描后，最终获取到偏差为+0.017 mm的点云数据，满足精度要求，整合点云，得到如图3所示的肥皂盒完整点云数据，将点云数据转换成ASC文件进行保存。

图1 粘贴标记点

图2 扫描过程

图3 肥皂盒完整点云数据

2 肥皂盒点云数据处理

将采集到的点云数据导入Geomagic Wrap软件中进行点云数据处理,点云数据处理前如图4所示。

图4 导入的点云数据 图5 点云初步处理结果

在进行点云数据处理之前先进行着色处理，然后分别进行非连接对象和体外孤点处理，将质量不好的点删除，之后手动选择将多余的点删除，接着进行减少噪点处理，处理后的结果如图5所示。

完成以上步骤后进行封装处理，封装处理参数设置如图6所示，封装完成如图7所示。

图6 封装处理参数设置

图7 封装完成 图8 点云数据处理完成

接着进行网格医生、删除钉状物、填充孔、快速光顺处理等操作，得到如图8所示点云数据。

3 肥皂盒逆向建模

通过Geomagic Wrap软件处理好的点云数据，以STE格式文件导入到逆向建模软件Geomagic Design X中进行曲面重建。

3.1 分割领域

先选择领域，再选择自动分割选项，在此将敏感度设置为5进行分割，领域分割完成前和完成后分别如图9、图10所示。

图9 领域分割前 图10 领域分割后

3.2 对齐、拉伸、面片拟合

对齐操作完成后，先点击草图选择面片草图，再进行两孔的拉伸，如图11所示。然后进行肥皂盒底部面片拟合，如图12所示。

图11 孔拉伸 图12 面片拟合

3.3 肥皂盒侧面拉伸、两耳建立

肥皂盒侧面、两耳建立通过拉伸、缝合曲边等操作完成，如图13、图14所示。

图13 拉伸侧面 图14 左耳模型建立

3.4 布尔运算、倒圆角

通过布尔运算，初步建好肥皂盒的实体模型，如图15所示。然后倒圆角得到肥皂盒最终模型，如图16所示。

图15 肥皂盒初步模型 图16 肥皂盒最终模型

4 模型三维检测

为对比肥皂盒逆向建模质量，我们利用Geomagic Control X软件对比检测逆向建模数据与标准数据之间的误差。将前面经过Geomagic Wrap软件处理好的肥皂盒点云数据STL文件导入Geomagic Control X软件，然后将经过Geomagic Design X软件逆向建模好的STP文件导入Control软件中，导入结果如图17所示。坐标系对齐之后，进行了3D、2D比较，勾选使用指定误差，将数值调整为±0.05 mm以内,点击需要比较的位置就可以完成对比检测，比较过程如图18所示，最终会自动生成一份PDF报告。我们截取报告中生成的3D比较结果和2D比较结果，分别如图19、图20所示。

图17 文件导入

图18 3D、2D比较过程

图19 3D比较结果

图20 2D比较结果

通过对比，肥皂盒逆向建模数据与标准数据之间误差较小，满足要求，可进行3D打印。

5 肥皂盒3D打印

将逆向建模数据转换为STL格式，导入切片软件中进行切片处理，如图21所示，最后通过3D打印机进行打印，得到肥皂盒实物模型，如图22所示。

图21 切片处理

图22 肥皂盒3D打印实物

6 结论

本文结合逆向工程技术，基于Geomagic软件和3D打印技术进行肥皂盒逆向建模与快速成型，进一步验证了采用逆向技术可以缩短产品研发周期、降低产品研发成本。