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三維掃描儀應用:基於逆向工程與快速成型技術的產品設計

時間:2014-06-03 10:19:45來源:精易迅科技瀏覽次數:6238

    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麵,包括機械、電子、日用等產品。為了縮短新產品開發周期,降低產品的研製開發成本,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係列技術手段的總稱。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並獲得所有製造加工數據,然後或經過柔性製造係統輸出產品,或經過快速原型製造做出樣品原型,加以修改後再進入柔性製造係統。逆向工程信息流(樣品—樣品3D測繪—模型曲麵重構—模型檢測—模型3D打印)
    下麵以小龍人玩具為設計對象,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,采集的數據對後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、激光幹涉法、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小龍人產品進行數據采集。三維掃描儀是利用結構光對物體表麵進行掃描;由光柵發射器配合攝像機(Charge-coupled Device,簡稱CCD)采集被測物體的點雲數據。使用三維掃描儀對小龍人模型的拍攝步驟如下:①打開Stereo3D軟件進行係統設置;②啟動光柵發射器;③係統標定計算;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小龍人模型為點雲數據,該點雲數據較為龐大,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軟件對小龍人點雲數據進行處理。是美國傑魔軟件公司推出的逆向軟件,該軟件是目前對點雲處理及三維曲麵構建最強大的軟件,從點雲處理到三維曲麵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,可以輕易地從點雲創建出完美的多邊形模型和樣條四邊形網格,並可自動轉換成NURBS曲麵,建模效率非常高。新增的Fashion模塊可以通過定義曲麵特征類型來捕獲物理原型的原始設計意圖,並擬合成準CAD曲麵。
    3.1 點階段
    小龍人點雲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雲並且並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,比如是工程台、房間的牆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遊離點;②對於比較靠近主雲點的非主雲點,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對於還殘留的體外遊離點,可以體外孤點的“敏感性”為85左右來刪除;④在掃描過程中,由於掃描設備輕微震動、掃描校準不精確或被掃描物體表麵準備處理不好等原因,有可能將一些噪聲點引入數據中,表現為曲麵對象粗糙、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(自由曲麵形狀))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)),並切拖動Smoothness Level(光滑程度)動條到中間位置,Iterations(插值)設為3便可,然後點確定就可以進行減少噪音的過程,係統會自動利用噪音點進行平均化以得到更光滑的表麵;⑤通過統一采樣設置點間距來減少點雲數據;⑥封裝數據:通過設置目標三角形數目把小龍人點雲模型轉化為多邊形模型。
    3.2 多邊形階段
    對於多邊形階段,主要是對整個小龍人模型的缺口進行補修,並得到更光滑的麵。結合以下方法:①利用填充孔功能可在缺失數據的區域裏來創建一個基於曲率的填充(curvature-based filling)或一個平麵填充(flat fill),把小龍人多邊形多邊形模型的孔進行填充;②通過打磨工具對小龍人模型表麵凹凸不平的地方進行光滑修複;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小龍人模型的三角片數量。
    3.3 成型階段
    成型階段即曲麵階段,主要是把小龍人多邊形模型轉化為曲麵模型,並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。曲麵階段可以通過以下幾個步驟來完成:①通過修複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通過構造曲麵片,把模型劃分為多個小曲麵片;④對輪廓線進行“升級/約束”,分隔輪廓線與各曲麵片;⑤定義劃分曲麵片:通過添加/刪除2條路徑等來編輯輪廓線區域;⑤通過編輯曲麵片移動模型上的頂點,從而調整各個曲麵的平滑度;⑥定義曲麵細節總數:構造模型格柵,細分各曲麵;⑦最後把模型擬合成NURBS曲麵;⑧把文件保存為STL格式,以便在別的軟件可以繼續編輯。
    對於小龍人模型的數據處理,已從點雲階段轉化成曲麵階段,提取了大部分的曲麵幾何特征信息,轉化成我們都熟悉的幾何特性,再次基礎上還可以對小龍人模型進行改造,創新。
    3 數據輸出
    獲取小龍人模型常用格式文件後,需要對小龍人進行加工製造成成品,在此,我們采用FDM快速成型機設備加工小龍人。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麵輪廓信息,隨加熱噴頭的運動,選擇性地塗覆在工作台的製件基座上,並快速冷卻固化;③一層完成後工作台下降一個層高,再進行下一層的塗覆,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後,小龍人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,縮短製造產品的時間,便於對產品的創新修改,大大降低了產品的成本,提高產品製造效率。


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