基于逆向工程的陶瓷杯数字化设计与制造

基于逆向工程的陶瓷杯数字化设计摘要：随着计算机技术的迅速发展，计算机三维造型技术特别是逆向工程技术在制陶业上已经得到了广泛的应用。为了获取陶瓷杯难以精确测量的问题，本文研究了陶瓷杯外形的逆向工程造型方法，并对逆向工程的具体细节进行介绍。通过罗兰光学扫描仪的非接触测量获取陶瓷杯表面的云状数据,首先利用Pixform进行点云拼接再利用Imageware软件对测量数据进行处理,且基于NURBS样条曲面重构理论进行陶瓷杯造型表面重构,最终实现了陶瓷杯的曲面重构，产生陶瓷杯的三维模型及STL文件。与传统的正向设计方法相比,该方法提高了工作效率,缩短了新产品的开发周期。关键词：逆向工程；点云；三维造型DigitaldesignofceramicmugbasedonreverseengineeringAbstract：Withtherapiddevelopmentofcomputertechnology,three-dimensionalcomputermodelingtechnology,especiallythereverseengineeringtechnologyintheceramics,hasbeenwidelyused.Ceramicmugdifficulttosolvetheissueofaccuratemeasurement.Thispaperstudiestheshapeoftheceramicmugreverseengineeringmodelingmethod.Byopticalscannersaccesstothenon-contactmeasurementoftheceramicmugsurfacecloudofdata,withfirstPixformandImageware,themeasurementdataisprocessedandNURBSsurfacereconstructionbasedonthetheorybladeshapesurfacereconstruction.TheultimaterealizationofafansurfacereconstructionandSTLfiles.Beingdesignedwiththetraditionalmethod,themethodimprovestheworkingefficiency,shortenthedevelopmentcycleofnewproducts.Keywords:ReverseEngineering;PointCloud;Three-dimensionModeling逆向工程已成为实现新产品快速开发的重要技术手段，其主要应用领域如下：(1)对产品外形美学有特别要求的领域，由于设计师习惯于依赖3D实物模型对产品设计进行评估，因此产品几何外形通常不是应用CAD软件直接设计的，而是首先制作全尺寸的木质或粘土模型或比例模型，然后利用逆向工程技术重建产品数字化模型。(2)当设计需要实验才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。例如航天航空、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等的要求，需进行风洞等实验建立符合要求的产品模型。此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的，最终借助逆向工程，转换为产品的三维CAD模型及其模具。(3)在模具行业，常需通过反复修改原始设计的模具型面。这将实物通过数据测量与处理产生与实际相符的产品数字化模型，对模型修改后再进行加工，将显著提高生产效率。因此，逆向工程在改型设计方面可发挥正向设计不可替代的作用。(4)逆向工程也广泛用于修复破损的文物、艺术品、或缺乏供应的损坏零件等。逆向工程的原理就是一个“从有到无”的过程，根据已经存在的产品模型，通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物转化为计算机上的三维数字模型，反向推出产品的设计数据的过程。逆向工程是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合逆向软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成IGES或STL数据，据此就能进行快速成型。在瞬息万变的产品市场中，能否快速地生产出合乎市场要求的产品就成为企业成败的关键。由于各种原因我们都会遇到只有一个实物样品或手工模型，没有图纸或CAD数据档案，没法得到准确的尺寸，这就为我们在后续的工作中采用先进的设计手段和先进的制造技术带来了很大的障碍，制造模具也就更为烦杂。但是逆向工程技术很好的解决了这一问题。传统的复制方法时间长而效果不佳，已渐渐为新型数字化的逆向工程系统所取代。逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。并给出一个一体化的解决方案：从样品→数据→产品。从样品（实物）直接反求出三维数据，然后用快速成型直接加工出产品，因此逆向工程具有快速，高效等特点。下面就依据逆向工程的流程进行具体介绍，模型曲面分析→确定扫描方案→进行实体点云扫描→进行点云数据处理→建立需要的曲面以及曲面的缝合→进行实体建模。1.陶瓷杯的模型曲面分析针对陶瓷杯的外形观察，发现其实体主要分为三个部分组成。它们分别是中间圆柱实体，一个手柄和特征底部如图1-1所示：图1-1三个结构都没有共同的曲面特征，但可以使用曲线加旋转以及贴合曲面的方法来生成所需要的曲面，然后分别进行拼接与缝合，就得到了想要得曲面。2.扫描方案的确定在进行逆向工程时，三维扫描是最基本的一步。它是获得原始点云数据的最直接的方法，也是最理想的方法。原始点云数据是后面进行逆向处理的根本依据，因此三维扫描得到点云数据的好坏直接影响到逆向建模的成功与否。有了以上的建模思路，就可以进行陶瓷杯点云数据的扫描。由于建模思想不一样，点云数据的扫描侧重点也不一样。数据点质量的好坏直接影响到曲面精度。根据分析可知扫描时分为三个部分扫描，先面扫圆柱部分含手柄信息，再扫杯底最后扫面杯子内部，在扫描后进行手动拼接。3.实体点云扫描1）启动软件后并打开扫描仪按钮，先设置扫描的高度和宽度参数，对杯体进行预览，得到下图3-1：图3-1通过三维测量系统快速、精确地采集物体的外形数据是点云三维重建的基础也是其中一个重要的研究内容。近年来随着三维测量技术的不断发展，出现了很多点云数据采集方法。扫描设备根据其测量方式可分两类：(a)接触式测量：根据测头的不同，可分为触发式和连续式。应用最为广泛的三坐标测量机是20世纪60年代发展起来的新型高效精密测量仪器，是有很强柔性的大型测量设备。(b)非接触式测量：根据原理的不同，可分为三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法、CT测量法、MRI测量法、超声波法和层析法等。从三维数据的采集方法上来看，非接触式的方法由于同时拥有速度和精度的特点，因而在逆向工程中应用最为广泛。这次的陶瓷杯测量也是用非接触式测量的三维光学测量仪罗兰PICZALPX-250三维立体扫描仪如图3-2：图3-2,2）在杯底用橡皮泥固定，对其进行四个面的面扫描得到点云数据如图3-3；图3-33）分析扫描方式对杯底进行扫得到图3-4；图3-4由于杯体片外型特征便于获取，且大部分曲率变化不大大，在手柄部位的点云也相对容易获取。有容易识别的部位，所以采用手动拼结。为了便于拼结，以陶瓷杯上的特征点要扫描出来为以后的拼结提供方便，所以每幅点云图就必须包括以上几个部位的至少3个部位，并且相邻的两幅图必须至少3个部位互相一样。这样才能正确拼结。最终确定扫描次数为3次也就是有3幅点云图。4.点云的贴合与拼接及数据的转换A、在pixform中进行拼接，由于对扫描得到的杯底是没有点云的如下图，所以要进行拼接处理。图4-1B、删除不必要的部分1、点击RMB→Select→选择vertex选择图4-2右下壳体上选择不必要的部分并删除它们。2、重新显示隐藏的壳体（先隐藏粉红色的部分）。将鼠标移至项目窗口中，在隐藏壳体前面的方框中打上对钩，隐藏的壳体将重新显示出来。C、重合（定位）两个壳体1、在[Build]菜单下→Register→2Shells→点击Initial。首先选择您希望移动的壳体，然后选择基础的壳体，在如下图情况下，首先选择绿色的壳体，然后选择灰色的壳体。2、接下来,用LMB指定合并的基本点。先在移动的壳体（白色）上的一个点，然后在基本的壳体（粉红）上选择一个相对应的点，一般选取四组点就可以了。3、点击RMB→选择“Pause”，然后用LMB+鼠标得到希望的工作视角如图4-2，再点击RMB释放“Pause”，继续选取其它的基本点了。4、当您完成了基本点的选取后,点击RMB→选取“Done”两个壳体将按预先指定的位置合并在一起。5、在[Build]菜单下，选择“Registe”→“Fine”选择两个壳体然后点击RMB→“Done”两个壳体将自动调整好相对的位置。如图4-3所示D、检验重合效果在[Measure]菜单下,点击[Shell/ShellDeviation]。它的作用是测量两个壳体间的偏差(位置公差)并以牛顿环的形式表现出来，如果偏差过大，请重复若干次上面几图4-2部步的操作。操作结果如图4-4所示：图4-3图4-4注意:蓝色代表偏差为“0”。如果重合部位都是蓝色,表示重合的很完美。E、合并壳体在[Build]菜单下,选择“Mergeshells”。选择您希望合并的壳体，点击RMB-“Done”，合并工作开始。当操作完成后，所有的壳体将显示统一的颜色，如图4-3。1）依据点云建立曲面以及曲面的缝合2）进行实体建模结束语参考文献[1]姜元庆.UG/IMAGEWARE逆向工程培训教程[M].北京：清华大学出版社，2003年[2]万军.逆向工程中数据点云精简方法研究[J].西安交通大学学报，2004年[3]金涛，童水光.逆向工程技术[M]．北京：机械工业出版社，2003年[4]刘之生.反求工程技术[M].北京：机械工业出版社，1992年[5]刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2005[6]戴静.逆向工程数据处理关键技术研究[D].南京:南京理工大学,2003[7]王广春.快速成型与快速模具制造技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,2003