三維掃描儀應用：基于逆向工程與快速成型產品設計

 隨著經濟與科技的發展，用戶對產品的要求越來越高，除了要求能滿足正常的功能，還對產品的外觀提出了新穎性和個性化的要求，因此許多產品就需要有著較為美觀的異性曲面，包括機械、電子、日用等產品。為了縮短新產品開發周期，降低產品的研制開發成本，常常采用逆向工程技術與快速成型技術來完成產品的快速數字建模。逆向工程技術是對已有先進產品進行分析、改進或發展創造新產品的一種產品開發方法，也是將三維物理實體幾何信息數字化一系列技術手段的總稱。快速成型技術是將三維CAD模型迅速轉化為實物模型。這項技術是從已有的先進產品出發，經過精密測量，三維重構，再現其形狀結構特征并獲得所有制造加工數據，然后或經過柔性制造系統輸出產品，或經過快速原型制造做出樣品原型，加以修改后再進入柔性制造系統。逆向工程信息流（樣品—樣品3D測繪—模型曲面重構—模型檢測—模型3D打印）

下面以喜羊羊玩具為設計對象，介紹其逆向工程技術與快速成型技術的設計方法。

    1.數據的提取

     產品的逆向設計過程中對產品的三維數據采集尤為重要，采集的數據對后期的數據處理有著至關重要的影響，常用的數據提取的方法有三角形法、結構光學法、激光干涉法、計算機視圖法、CT測量法、MRI測量法、層切法、超聲波法、接觸式坐標測量法等。

    在此，我們采用激光掃描設備對喜羊羊產品進行數據采集。三維掃描儀是利用結構光對物體表面進行掃描；由光柵發射器配合攝像機(Charge-coupled Device，簡稱CCD)采集被測物體的點云數據。使用三維掃描儀對美羊羊模型的拍攝步驟如下：①打開Stereo3D軟件進行系統設置；②啟動光柵發射器；③系統標定計算；④立體拍攝；⑤數據結果導出。

     2.數據的處理

     由三維掃描儀獲取的玩具模型為點云數據，該點云數據較為龐大，而處理該數據就是從中識別和抽取原有的幾何特征信息。在此，使用Geomagic軟件對玩具點云數據進行處理。是美國杰魔軟件公司推出的逆向軟件，該軟件是目前對點云處理及三維曲面構建最強大的軟件，從點云處理到三維曲面重建的時間通常是其他軟件的三分之一。數據處理遵循點階段一多邊形階段一成型階段三個密不可分的階段作業流程，可以輕易地從點云創建出完美的多邊形模型和樣條四邊形網格，并可自動轉換成NURBS曲面，建模效率非常高。

模塊可以通過定義曲面特征類型來捕獲物理原型的原始設計意圖，并擬合成準CAD曲面。

     3.1 點階段

     玩具點云數據中含有比較多的離散點，這些點通常都是遠離我們的主點云并且并不參與我們想要的任何幾何形狀的表達。而這些點的產生通常是因為我們在掃描過程中無意中從背景中取得的，比如是工程臺、房間的墻壁或是工件的支撐架等等。結合以下方法可以去除特征：①用選擇工具手動移除游離點；②對于比較靠近主云點的非主云點，可以設置非連接項的“尺寸”數值來選擇刪除，該“尺寸”可設置為5.0；③對于還殘留的體外游離點，可以體外孤點的“敏感性”為85左右來刪除；④在掃描過程中，由于掃描設備輕微震動、掃描校準不精確或被掃描物體表面準備處理不好等原因，有可能將一些噪聲點引入數據中，表現為曲面對象粗糙、不均勻。為了減少這些噪音點，可以使用減少噪聲。具體操作為：從Points（點）菜單中選擇ReduceNois（減少噪音）或者直接點擊圖標進入減少噪音選項頁。選擇Free-form shapes（自由曲面形狀））如果模型有很多銳邊或者小細節需要保留，可選擇Prismatic shapes（棱柱形）），并切拖動Smoothness Level（光滑程度）動條到中間位置，Iterations（插值）設為3便可，然后點確定就可以進行減少噪音的過程，系統會自動利用噪音點進行平均化以得到更光滑的表面；⑤通過統一采樣設置點間距來減少點云數據；⑥封裝數據：通過設置目標三角形數目把玩具點云模型轉化為多邊形模型。

      3.2 多邊形階段

     對于多邊形階段，主要是對整個玩具模型的缺口進行補修，并得到更光滑的面。結合以下方法：①利用填充孔功能可在缺失數據的區域里來創建一個基于曲率的填充（curvature-based filling）或一個平面填充(flat fill)，把玩具多邊形多邊形模型的孔進行填充；②通過打磨工具對玩具模型表面凹凸不平的地方進行光滑修復；③通過去除特征對模型的腫塊和壓痕；④通過簡化多邊形來減少玩具模型的三角片數量。

      3.3 成型階段

     成型階段即曲面階段，主要是把玩具多邊形模型轉化為曲面模型，并輸出常用的三維模型編輯格式，以便使用別的軟件進行下一步的編輯。曲面階段可以通過以下幾個步驟來完成：
①通過修復相交區域來檢測是否存在相交的區域；
②探測輪廓線：設置“曲率敏感性”為70.0，設置“分隔符敏感度”為40，設置“最小區域”為71.31，敏感性”為50，即可根據模型的形狀描繪輪廓線；
③通過構造曲面片，把模型劃分為多個小曲面片；
④對輪廓線進行“升級/約束”，分隔輪廓線與各曲面片；
⑤定義劃分曲面片：通過添加/刪除2條路徑等來編輯輪廓線區域；
⑤通過編輯曲面片移動模型上的頂點，從而調整各個曲面的平滑度；
⑥定義曲面細節總數：構造模型格柵，細分各曲面；

⑦最后把模型擬合成NURBS曲面；⑧把文件保存為STL格式，以便在別的軟件可以繼續編輯。

     對于玩具模型的數據處理，已從點云階段轉化成曲面階段，提取了大部分的曲面幾何特征信息，轉化成我們都熟悉的幾何特性，再次基礎上還可以對玩具模型進行改造，創新。

      3.數據輸出

     獲取玩具模型常用格式文件后，需要對玩具進行加工制造成成品，在此，我們采用FDM快速成型機設備加工玩具。FDM快速成型，絲狀材料選擇性熔覆(Fused Deposition Manufacturing，簡稱FDM)，又稱熔融沉積造型。FDM工作原理：①絲狀熱塑性材料材料由供絲機構送進噴頭，在噴頭中加熱到熔融態；②熔融態的絲狀材料被擠壓出來，按照計算機給出的截面輪廓信息，隨加熱噴頭的運動，選擇性地涂覆在工作臺的制件基座上，并快速冷卻固化；③一層完成后工作臺下降一個層高，再進行下一層的涂覆，如此循環，最終形成三維產品。在快速成型過程中，關鍵是對分層參數的設置，分層參數影響著產品最終的加工質量。在經過四小時的三維打印后，玩具成品在設備的工作室中已完成，如圖所示。

     通過以上實驗，結合逆向工程技術與快速成型技術可以加速產品設計周期，縮短制造產品的時間，便于對產品的創新修改，大大降低了產品的成本，提高產品制造效率。

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