逆向工程技术在工艺品设计中的运用

赵 娜

（晋城职业技术学院，山西 晋城 048026）

逆向工程技术是运用三维扫描设备等手段，通过数字化设计和几何模型重构，将已有产品或实物转化为三维数字化模型，继而进行剖析、深化和再设计，并获得新产品的技术。逆向工程技术的流程通常分为四个阶段，分别是实物的数据采集阶段、数据处理阶段、逆向建模阶段和模型制造阶段。逆向工程技术具有高效快速、普适性强等特点。在产品设计领域，逆向工程技术较传统正向设计缩短了产品研发周期，提高了产品的市场响应能力，让产品更趋于系列化。逆向工程技术可以顺应任何形式的产品开发，精准实现无参数信息的实物到完整信息数据整合。因此，逆向工程技术作为产品设计的一种新思路，广泛应用于快速模具制造、快速原型制造、医学、文物保护、影视制作等领域。

随着生活水平的提高和文化意识的增强，人们对工艺品的需求也在不断增加。传统的工艺品在成型技术和生产规模上，以民间手艺人通过传统工艺制作为主，有规模小和单件制作的特点，传统工艺制作及研发速度已无法满足市场需求。将逆向工程技术运用于工艺品的设计和创新中，设计者可以快速高效完成工艺品的复制和再设计，利用3D打印技术快速将设计转变成实物，简化了设计流程，降低了研发成本，激发了设计者在短时间内的创作灵感，也满足了不断变化的市场需求。本文以装饰鱼为研究对象，利用逆向工程技术对装饰鱼进行逆向建模及创新设计。（见图1）

一、三维数据采集

（一）扫描前处理

本次扫描使用北京三维天下科技有限公司生产的Win3DD 单目非接触光学扫描仪对装饰鱼进行数据采集。由于装饰鱼颜色较暗，需要对其表面喷涂白色显像剂，增强其表面的反光性，保证扫描仪可以充分接收来自装饰鱼的反射激光束。为提高扫描的精确度，显像剂的喷涂要均匀，显像剂风干后才可进行扫描。

标志点粘贴时，要遵循每个拼接面至少贴四个标志点，且不在一条直线上，左右两面也不能对称粘贴；由于装饰鱼是不规则产品，无明显对称面，需进行多方位扫描，从而进行多视角数据的合并，标志点应粘贴平面区域或曲率较小的曲面，不能影响特征采集。（见图2）

图1 装饰鱼模型

图2 喷显像剂及贴标志点

（二）扫描

为确保扫描系统精度，先对扫描仪相机参数进行标定。本次扫描和点云处理均使用Geomagic Wrap软件，它的数据处理过程为点、多边形和曲面三个阶段，可根据扫描的点云数据创建出多边形网格，并自动转换为NURBS曲面。本次扫描需将装饰鱼实物放在黑色转盘上，为了确保扫描仪达到最佳扫描状态，更精确地提取到标志点，调整扫描仪与装饰鱼之间的距离应保持在600 毫米。扫描过程中保持黑色转盘与装饰鱼的相对静止，多次旋转转盘，完成多角度扫描，获取精确的三维数据，保存为.asc 格式。（见图3）

图3 点云数据

图4 点云数据简化

二、点云数据处理

扫描到点云数据直接在Geomagic Wrap 软件中处理。

（一）点云数据简化

光学扫描设备在数据采集时，常采集到过多的数据点，存在大量冗余数据，影响后续算法的效率，因此需要减少数据量，进行点云数据简化。首先将模型进行着色处理，再选择“非连接项”命令，尺寸参数值默认5.0mm，删除模型周围分离的点群。接着使用体外弧点命令，敏感度值设为100，删除与其他多数的点云具有一定距离的点，体外弧点的操作可以重复2 至3 次。使用减少噪音命令，迭代参数设置3，偏差设置0.05mm。（见图4）再使用封装命令，对点云进行三角面片化操作，勾选最大三角形数，值默认。

（二）点云数据填充及平滑

由于被扫描物体的几何拓扑原因或者在扫描过程中选用不同的扫描方法，物体会被遮挡，导致部分表面无法测量，所采集的数字化模型存在数据缺损，因此需进行点云数据填充。装饰鱼扫描过程贴标志点的位置和扫描时点云数据稀薄之处就存在点云数据缺失，需使用单个孔填充命令，分别将漏洞及缺失处填充，选择按曲率填充。

由于被测物体表面粗糙或者扫描过程中发生轻微振动，都会产生噪音点，这些噪音点会影响曲面重构的质量。通过数据平滑处理，可提高数据光滑度，改善曲面质量。先删除钉状物，再使用减少噪音命令，执行快速光顺命令。再通过去除特征，删除填充孔产生的不规则三角面片，插入一个可以和周边三角形有序连接的多边形网格，使填充部位与其它部位光滑连接。（见图5）

三、逆向建模

将处理好的点云数据，以.stl格式导入到Geomagic Design X软件中进行逆向建模。

图5 封装、填充及平滑

图6 对齐坐标

（一）建立坐标系

各软件之间的工作坐标系不相同，导入DX中装饰鱼位置随意，会影响后期逆向建模和正向设计，故重新建立坐标系。将模型按俯视位置放置，找到模型前部分的对称面，并绘制直线做要素变换。然后通过手动对齐命令中的面—线—点模式建立坐标系。（见图6）

（二）划分领域组

划分领域组是执行面片拟合、放样向导命令的基础。准确地划分领域组有助于降低曲面建模的难度，提高曲面建模质量。根据扫描数据的曲率和特征，Geomagic Design X 软件的领域组功能可以自动将面片分为不同的几何领域，也可根据实际建模需要手动划分。划分时遇到扫描数据不准确的坑洼表面不划线。装饰鱼都是曲面连接，结构复杂，采取手动划分领域组。结合建模方法，仅对鱼的底面及鱼背鳍部位划分领域。

（三）曲面重构

Geomagic Design X 软件有多种曲面重构方法，如基础曲面、面片拟合、放样和面填补等。工艺品造型复杂多样，通常是多种曲面重构方法结合使用。本次曲面重构主要用面填补命令。通过3D面片草图分区域绘制空间曲线，再通过面填补命令重构曲面。（见图7）剪切重构的曲面，剪成平整的曲面片，通过放样命令让曲面片之间光滑连接，鱼的尾鳍、腹鳍、胸鳍用圆角命令处理，保证光滑过渡，鱼的底面及背鳍部位使用面片拟合命令生成曲面片，再与其它曲面片剪切，缝合，最终得到装饰鱼的实体。（见图8）本次建模的难点在于曲率变化大的鱼身曲面创建。用面片拟合命令和放样都可以实现鱼身曲面创建，面片拟合对领域组的划分要求较为严格，放样对截面轮廓曲线的数量及点数控制要求严格，相对面填补命令更快捷。

图7 曲面创建

图8 实体

（四）误差分析

Geomagic Design X 软件中的体偏差功能，可以帮助做误差分析，在建模过程中，可以通过此命令不断调整建模方法，获得精确的结果，也可以在建模结束后快速了解逆向建模的实体与原始扫描数据之间的偏差。体偏差色图用不同的颜色标记出偏差的范围。绿色代表在允许公差范围内，蓝色、红色分别代表建模模型小于、大于面片尺寸，将指针放在工件模型上即可查看偏差数值。（见图9）装饰鱼的逆向建模质量较好，都在公差允许范围内。

四、3D打印

3D 打印软件使用的是UP Studio，打印设备使用的是太尔时代UP BOX+3D打印机，该打印机是一款基于FDM技术的3D打印机，材料选用ABS。将逆向建模保存的.stl 数据格式，导入软件中，得到打印成品。（见图10）

图9 体偏差色图

图10 3D打印模型

五、创新设计

将Geomagic Wrap 软件处理好的数据，以.stp 格式文件导入到软件UG NX10.0 软件中进行创新设计。假设需要将装饰鱼加装一个造型独特的摆放台，摆放配合位置要紧密，装饰鱼不能随意晃动。可按照装饰鱼的底面形状结构设计凸台，并在摆放台内设计形状、高度相同的凹坑，即可满足创新要求。（见图11）若需要将装饰鱼设计成可拆卸的两部分，且对应的轴配合紧密，可通过平面将装饰鱼实体切割成两部分，并在切割面处设计插条和孔，方便拆卸，符合配合要求，满足设计需求。

图11 创新设计

六、结语

本文通过三维数字化扫描、数据处理、逆向建模、3D打印和正向创新设计的过程，为工艺品设计及创新提供了一种思路，实现了模型的快速重构和创新，提高了工艺品的开发能力，降低了研发成本。