三维扫描仪应用基于逆向工程与快速成型技术的产品设计

随着经济与科技的发展，用户对产品的要求越来越高，除了要求能满足正常的功能，还对产品的外观提出了新颖性和个性化的要求，因此许多产品就需要有着较为美观的异性曲面，包括机械、电子、日用等产品。为了缩短新产品开发周期，降低产品的研制开发成本，常常采用逆向工程技术与快速成型技术来完成产品的快速数字建模。逆向工程技术是对已有先进产品进行分析、改进或发展创造新产品的一种产品开发方法，也是将三维物理实体几何信息数字化一系列技术手段的总称。快速成型技术是将三维CAD模型迅速转化为实物模型。这项技术是从已有的先进产品出发，经过精密测量，三维重构，再现其形状结构特征并获得所有制造加工数据，然后或经过柔性制造系统输出产品，或经过快速原型制造做出样品原型，加以修改后再进入柔性制造系统。逆向工程信息流（样品—样品3D测绘—模型曲面重构—模型检测—模型3D打印）

下面以喜羊羊玩具为设计对象，介绍其逆向工程技术与快速成型技术的设计方法。

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1.数据的提取

产品的逆向设计过程中对产品的三维数据采集尤为重要，采集的数据对后期的数据处理有着至关重要的影响，常用的数据提取的方法有三角形法、结构光学法、激光干涉法、计算机视图法、CT测量法、MRI测量法、层切法、超声波法、接触式坐标测量法等。

在此，我们采用激光扫描设备对喜羊羊产品进行数据采集。三维扫描仪是利用结构光对物体表面进行扫描；由光栅发射器配合摄像机(Charge-coupled Device，简称CCD)采集被测物体的点云数据。使用三维扫描仪对美羊羊模型的拍摄步骤如下：①打开Stereo3D软件进行系统设置；②启动光栅发射器；③系统标定计算；④立体拍摄；⑤数据结果导出。

2.数据的处理

由三维扫描仪获取的玩具模型为点云数据，该点云数据较为庞大，而处理该数据就是从中识别和抽取原有的几何特征信息。在此，使用Geomagic软件对玩具点云数据进行处理。是美国杰魔软件公司推出的逆向软件，该软件是目前对点云处理及三维曲面构建最强大的软件，从点云处理到三维曲面重建的时间通常是其他软件的三分之一。数据处理遵循点阶段一多边形阶段一成型阶段三个密不可分的阶段作业流程，可以轻易地从点云创建出完美的多边形模型和样条四边形网格，并可自动转换成NURBS曲面，建模效率非常高。

模块可以通过定义曲面特征类型来捕获物理原型的原始设计意图，并拟合成准CAD曲面。

3.1 点阶段

玩具点云数据中含有比较多的离散点，这些点通常都是远离我们的主点云并且并不参与我们想要的任何几何形状的表达。而这些点的产生通常是因为我们在扫描过程中无意中从背景中取得的，比如是工程台、房间的墙壁或是工件的支撑架等等。结合以下方法可以去除特征：①用选择工具手动移除游离点；②对于比较靠近主云点的非主云点，可以设置非连接项的“尺寸”数值来选择删除，该“尺寸”可设置为5.0；③对于还残留的体外游离点，可以体外孤点的“敏感性”为85左右来删除；④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准备处理不好等原因，有可能将一些噪声点引入数据中，表现为曲面对象粗糙、不均匀。为了减少这些噪音点，可以使用减少噪声。具体操作为：从Points（点）菜单中选择ReduceNois（减少噪音）或者直接点击图标进入减少噪音选项页。选择Free-form shapes（自由曲面形状））如果模型有很多锐边或者小细节需要保留，可选择Prismatic shapes（棱柱形）），并切拖动Smoothness Level（光滑程度）动条到中间位置，Iterations（插值）设为3便可，然后点确定就可以进行减少噪音的过程，系统会自动利用噪音点进行平均化以得到更光滑的表面；⑤通过统一采样设置点间距来减少点云数据；⑥封装数据：通过设置目标三角形数目把玩具点云模型转化为多边形模型。

3.2 多边形阶段

对于多边形阶段，主要是对整个玩具模型的缺口进行补修，并得到更光滑的面。结合以下方法：①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（curvature-based filling）或一个平面填充(flat fill)，把玩具多边形多边形模型的孔进行填充；②通过打磨工具对玩具模型表面凹凸不平的地方进行光滑修复；③通过去除特征对模型的肿块和压痕；④通过简化多边形来减少玩具模型的三角片数量。

3.3 成型阶段

成型阶段即曲面阶段，主要是把玩具多边形模型转化为曲面模型，并输出常用的三维模型编辑格式，以便使用别的软件进行下一步的编辑。曲面阶段可以通过以下几个步骤来完成：
①通过修复相交区域来检测是否存在相交的区域；
②探测轮廓线：设置“曲率敏感性”为70.0，设置“分隔符敏感度”为40，设置“最小区域”为71.31，敏感性”为50，即可根据模型的形状描绘轮廓线；
③通过构造曲面片，把模型划分为多个小曲面片；
④对轮廓线进行“升级/约束”，分隔轮廓线与各曲面片；
⑤定义划分曲面片：通过添加/删除2条路径等来编辑轮廓线区域；
⑤通过编辑曲面片移动模型上的顶点，从而调整各个曲面的平滑度；
⑥定义曲面细节总数：构造模型格栅，细分各曲面；

⑦最后把模型拟合成NURBS曲面；⑧把文件保存为STL格式，以便在别的软件可以继续编辑。

对于玩具模型的数据处理，已从点云阶段转化成曲面阶段，提取了大部分的曲面几何特征信息，转化成我们都熟悉的几何特性，再次基础上还可以对玩具模型进行改造，创新。

3.数据输出

获取玩具模型常用格式文件后，需要对玩具进行加工制造成成品，在此，我们采用FDM快速成型机设备加工玩具。FDM快速成型，丝状材料选择性熔覆(Fused Deposition Manufacturing，简称FDM)，又称熔融沉积造型。FDM工作原理：①丝状热塑性材料材料由供丝机构送进喷头，在喷头中加热到熔融态；②熔融态的丝状材料被挤压出来，按照计算机给出的截面轮廓信息，随加热喷头的运动，选择性地涂覆在工作台的制件基座上，并快速冷却固化；③一层完成后工作台下降一个层高，再进行下一层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。在快速成型过程中，关键是对分层参数的设置，分层参数影响着产品最终的加工质量。在经过四小时的三维打印后，玩具成品在设备的工作室中已完成，如图所示。

通过以上实验，结合逆向工程技术与快速成型技术可以加速产品设计周期，缩短制造产品的时间，便于对产品的创新修改，大大降低了产品的成本，提高产品制造效率。