基于三维激光扫描仪的台灯零部件的逆向设计研究

 
摘  要：以台灯零件实体为例，首先使用三维扫描技术获得台灯零件的CAD数据，并用专业软件对数据进行处理，最后用3D打印机打印出台灯零件实体。简单阐述了逆向反求及3D打印的基本概念、原理等，具体介绍了用激光扫描仪对台灯零件的三维扫描及点云拼接过程，imageware软件进行点云处理的过程，UG软件补全台灯零件CAD模型的过程，Cura切片软件对模型进行处理，3D打印机进行3D打印的过程。
关键词：逆向反求；三维扫描；点云处理；3D打印
 
传统的产品设计是根据产品的用途和功能，先进行构想，再通过计算机辅助设计成图纸，加工制造，最后定量生产。而逆向工程是根据现有的产品实物，通过三维激光扫描和点采集等手段，获取实体的三维数据和空间几何形状，将获取的数据通过计算机专业设计软件处理成图纸，用于生产制造的过程。
目前，逆向工程逐渐发展成为支持产品创新设计与新产品开发的重要工程技术，而3D打印是快速成型技术的一种，也被称作新型产品制造技术，是“增材制造”的主要实现形式。逆向工程与3D打印有机结合，经过3D打印参数的调整和CAD重新建模修改，实现零件或原型的复原和更新。运用相关手段对产品进行分析再设计等创新处理，从而使产品表现出更加优良的性能，缩短新产品的开发周期，提高新产品的开发效率。
本文以台灯零件实体为研究对象，采用日本进口RANGE 5三维激光扫描仪对台灯零件进行扫描，获得点云数据，利用逆向软件imagewaver对点云数据进行处理和拟合，使用三维设计软件UG对台灯零件CAD模型数据进行修改及数字化建模，最后使用切片软件Cura处理模型，形成.stl格式文件，用3D打印机打印出台灯零部件实体。

1  逆向工程和三维激光扫描

1.1  逆向工程

逆向工程也称作逆向设计或反求工程，是将已有产品模型实体转化为工程设计模型和概念模型，并在此基础上解剖、深化和再创新的一系列分析方法和应用技术的组合。逆向工程主要步骤为：数据获取、数据处理、模型重建。
（1）数据获取：通过三维激光扫描仪等仪器设备对实体进行扫描测量，获取实体的三维数据。
（2）数据处理：利用专业软件对获取的数据进行处理及修复，复制实体或者设计出比原模型更加先进的产品。
（3）模型重建：通过快速成型设备，生产出实体样品，对其进行验证和测量，并根据技术要求进行完善，实现零部件小批量生产。

1.2  三维激光扫描

三维激光扫描技术是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速测出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。

2  台灯零部件的逆向设计

2.1  数据采集及处理

2.1.1  数据采集

（1）前期准备。为了保证零件的扫描数据的准确性，需对三维激光扫描仪进行校准。同时，根据对台灯零部件进行分析，需在实体表面贴一定数量的标志点，标志点贴放以尽量不影响特征点扫描为原则，相互之间的距离应大于或等于5 mm，尽量贴在没有特征点的平面，以保证扫描数据的真实可靠。如图1和图2所示。 （2）扫描过程。扫描仪聚焦完成后，调整实物扫描的角度，经过多次扫描，直到将零件表面都扫描完整，零件的三维数据会完全呈现在数据处理软件中。
（3）点云数据采集。将多次扫描的三维数据进行拼接，得到比较密集的数据点，称为点云，如图3所示。

2.1.2  数据处理

将采集到的点云数据输出，然后导入到imagewaver软件中进行处理，如图4所示。 （1）数据降噪。对于数据获取的测量过程中，由于仪器的影响、环境的变化等，不可避免地会带进噪声、误差等，所以需对点云数据进行某些补偿或者删除一些明显错误点。
（2）数据修复。对于扫描过程中，数据采集不完全或局部的数据缺失，利用软件进行修补。图为台灯零部件处理后的点云数据。

2.2  曲面重构和模型重建

曲面重构是根据已有曲面数据去构造反映其形状的数学模型的过程，目的是确定一个曲面逼近未知曲面，包含两方面的意义，一是已有的数据曲面是曲面重构的根据；二是已有的曲面是决定和衡量重构所得到曲面模型质量的标准。

2.2.1  曲面重构

本次台灯零部件的逆向设计采用imagewaver和UG软件进行数据处理和曲面重构，前者根据任何实物零部件通过扫描点云，生成准确的数据模型，后者可以辅助建模。

2.2.2  生成三维模型

对重构的曲面进行延伸、相交、裁剪、缝合等处理，由点云数据拟合成实体曲面。拟合台灯零件的底面和顶面用的方法是构建自由曲面，拟合侧面的方法是运用创建3D-B样条和桥接曲线，再利用扫掠中的沿方向拉伸将所创建的3D-B样条和桥接曲线沿Z轴正方向进行拉伸。拟合凸台的主要方法是扫掠，在扫掠的过程中，需要选择适宜轮廓曲线和路径曲线，才可能达到理想的效果。轮廓曲线和路径曲线是通过构建剖切式点云截面得到的，如图5所示。

2.2.3  重建CAD模型的检验与修正

重建CAD模型的检验与修正主要包括精度与模型曲面品质的检验与修正方面，精度反映反求模型与实物差距的大小。该阶段的进程是：根据获得CAD模型重新测量和制造出样品，来检验重建的CAD模型师傅满足精度或者其他实验性能指标的要求，对不满足要求的需重复以上过程，直至达到零件的设计标准。

2.3  实物模型3D打印

3D打印（3DP）即快速成型技术的一种：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，做XY平面运动。热塑性丝状塑料（直径为3 mm PLA塑料丝），由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层薄片轮廓，一层截面成型完成后，工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层画出的截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。将生成好的三维模型使用Curu软件进行切片处理，并以PLA塑料丝为原材料，利用3D打印机，打印台灯零部件实体，并进行后处理，获得实体模型。整个过程如图6～8所示。

3  结束语

当前，使用三维扫描技术获取待检测模型的点云数据，再利用逆向和正向设计造型，是机械设计行业的主要手段之一。本文以台灯零部件作为研究对象，验证了以上逆向工程的可行性。结果表明，在台灯零部件的设计及制作方面，与传统的方法相比，三维扫描和3D打印的有机结合，不仅可以缩短新产品的研发周期，还可以提高新产品的技术水平。但是产品的精度评价没有统一的标准，根据通用的方式，可以在曲面品质评价时，采用控制顶点、反射线、高光线、高斯曲率等方法，对曲面拼接连续性精度和曲面的内部品质进行评价，目前，武汉华夏理工学院机电工程学院实验中心建设有现代测量技术实训室，可以使用三坐标测量机测量原始模型和打印出的模型，对比数据，并进行精细修改，这也是笔者下一步重点研究和努力的方向。

参考文献

[1]     孟晓平，王作文，邱亚玲．基于三维激光扫描的逆向工程创新性实验教学研究[J]．实验科学与技术．2014，12(3)：65-67．