陶瓷產(chǎn)品的數(shù)字化逆向設計分析

陳麗娟

摘要：近年來，隨著我國科學技術水平與工藝制造水平的不斷提升，對工藝品設計提出了更高的標準和要求。在陶瓷工藝品設計與生產(chǎn)領域，傳統(tǒng)的手工制作模式已經(jīng)很難滿足市場的需求，目前，數(shù)字化逆向設計技術被越來越多地應用于陶瓷工藝產(chǎn)品的設計中。本文結(jié)合實例分析了陶瓷產(chǎn)品中數(shù)字化逆向設計的流程及要點。

關鍵詞：陶瓷產(chǎn)品；數(shù)字化；逆向設計；應用

中圖分類號：TP391.7

相較于傳統(tǒng)的手工制作，數(shù)字化逆向設計在陶瓷產(chǎn)品設計中的應用，不僅使陶瓷產(chǎn)品的設計精度被大幅提高，并使模具設計的周期得到最大限度的縮短。深入分析研究數(shù)字化逆向設計技術在陶瓷產(chǎn)品中的有效運用，能夠有效節(jié)省陶瓷生產(chǎn)加工過程中人力及物力投入，提高生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量，進而提高陶瓷產(chǎn)品的市場競爭力，對于我國陶瓷生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

一、陶瓷產(chǎn)品的數(shù)字化逆向設計流程

陶瓷產(chǎn)品的數(shù)字化逆向設計是利用計算機輔助設計技術將陶瓷產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成為工程概念模型和設計模式，并以此為基礎對其進行分析處理、優(yōu)化設計和再創(chuàng)造的過程。陶瓷產(chǎn)品的數(shù)字化逆向設計流程為：實物模型→分析模型→數(shù)據(jù)測量→數(shù)據(jù)處理→CAD曲面模型重構(gòu)→仿形改制產(chǎn)品→制作系統(tǒng)CAM→模具→新產(chǎn)品。

二、陶瓷產(chǎn)品的數(shù)字化逆向設計要點

（一）數(shù)據(jù)測量

數(shù)據(jù)測量是陶瓷產(chǎn)品數(shù)字化逆向設計的基礎。一些復雜形狀的陶瓷產(chǎn)品，包含的細節(jié)特征多且雜，普通的三坐標測量儀很難獲得準確的模型數(shù)據(jù)。目前，陶瓷產(chǎn)品數(shù)字化逆向設計中常用的測量設備為Model Shop Color 3D Scanner Bundle的3030RGB激光掃描儀。該設備的最小采樣間隔可以達到100微米，工作臺高度為300 毫米，長度是1000毫米，可以用于分割大型或復雜的零件模型

跟蹤、數(shù)據(jù)掃描及拼接。首先模型必須豎直平放于工作臺上，并利用膠泥對模型進行固定，掃描儀沿工作臺作往復運動，同時工作臺配合掃描儀作旋轉(zhuǎn)運動，完成模型的側(cè)面數(shù)據(jù)測量，然后再將模型側(cè)面平放于工作臺上，掃描儀對準其底部掃面出底部點云。最后將重疊部分的點云進行合并，可得出點云圖，如圖1所示。

（二）數(shù)據(jù)預處理

由于數(shù)據(jù)測量中不可避免地會出現(xiàn)許多的雜點和噪聲點，不加以處理，會對后續(xù)的曲線和曲面重建造成影響。同時用激光掃描點云會有一些難以收集的模型特征，如內(nèi)腔、里槽、邊緣等部位，造成點云不連續(xù)，因而需要對點云進行填補。數(shù)據(jù)預處理中，可利用曲率的連續(xù)性特征，創(chuàng)建新的點云，使點云的模型更加完整，更接近接近真實的模型。完成數(shù)據(jù)預處理后，將文件格式轉(zhuǎn)化為.STL，以方便后續(xù)的曲面重構(gòu)。經(jīng)過預處理后的點云模型如圖2所示。

（三）三維模型重構(gòu)

在三維模型重構(gòu)過程中過多的點云數(shù)據(jù)會對運算速度造成影響。點云的過濾可利用弦高差在變化較小的曲面部位過濾掉盡量多的點，在變化較大的部分過濾掉盡量少點，這樣可使模型特征更為明顯。

基于點云來進行三角網(wǎng)格曲面創(chuàng)建，設置參數(shù)時，參數(shù)圓的直徑需根據(jù)點云疏密度確定，使完成的三角網(wǎng)格曲面更直觀。網(wǎng)格曲面根據(jù)曲面形狀和曲率劃分，使每個表面曲率變化相對較小，形狀與規(guī)則圖形越相近越好，比如橢圓形、圓形、矩形等，這有利于后續(xù)構(gòu)建柵格。壺口根據(jù)點云分布特征，將其劃分成四個與矩形近似的區(qū)域。

輪廓曲線根據(jù)前面劃分的曲面進行創(chuàng)建，邊界曲線根據(jù)點云節(jié)點進行分割，并將生成的節(jié)點連接成一條曲線。可以以創(chuàng)建的輪廓線作為后續(xù)擬合曲面的邊界。輪廓線創(chuàng)建完成后，調(diào)整控制點在曲面的相對位置，使輪廓線符合曲率的變化和曲面的形狀，防止出現(xiàn)不規(guī)則小塊曲面。擴展輪廓線，使其生成一個輪廓曲面片，以此作為后續(xù)劃分空白面板內(nèi)曲面片的基準。根據(jù)曲面形狀確定輪廓曲面片的寬度，可以將1作為曲面輪廓線寬度，進而生成輪廓曲面片。

空白面板內(nèi)的曲面片以生成的輪廓曲面片為基礎，使剩余的空白面板被曲面片填滿。由于生成的曲面形狀和尺寸不規(guī)則，其變化規(guī)律也與曲面變化規(guī)律不相符，因而需要調(diào)整曲面片，以方便后續(xù)的加工柵格。首先，曲面的頂點根據(jù)曲面形狀進行重新劃分，同時由于壺口部分點云被輪廓線分為了四塊與矩形近似的區(qū)域，只需根據(jù)點云形狀調(diào)整曲面片使點云網(wǎng)格化。同時調(diào)整矩形區(qū)域具有相同數(shù)量控制點的曲面邊界，保證網(wǎng)格生成的路徑數(shù)目一致，使生成的網(wǎng)格大致均勻規(guī)則。網(wǎng)格生成后，分別調(diào)整曲面各控制點的位置，這樣可使最終得出的曲面片相對規(guī)則。

利用生成后曲面片對柵格進行構(gòu)造，在曲面片的空白處生成N * N小塊曲面片。生成的小塊曲面片分辨率根據(jù)曲面形狀確定。本文所用實例，其分辨率為15時最佳，可用于操作擬合曲面的細節(jié)最多。在保證點云精確的情況基礎上可以將分辨率適當?shù)奶岣撸苑从钞a(chǎn)品更多的細節(jié)特征。但分辨率過高會導致運算困難冗長，且容易被噪聲點影響。在實際模型的過程中分辨率應依據(jù)點云的具體情況而定。確定分辨率后，對相交區(qū)域進行檢查并修復，以此完成柵格使用柵格曲面對NURBS曲面進行擬合，本文實例定義擬合公差是0.001毫米，通常情況下，控制點數(shù)量越多，其公差越小，模型細節(jié)特征與實物細節(jié)特征的差異也就越小，公差要求和控制點數(shù)量可根據(jù)曲面的特征進行調(diào)整。

最后利用圖層管理，使用上述相同方法對模型其他部分完成NURBS曲面擬合。所有的曲面擬合完成后，縫合所有曲面，使其合成一個新的整體曲面。最終得出完整的實體模型圖，如圖3所示。

結(jié)束語：

陶瓷產(chǎn)品中數(shù)字化逆向設計技術的運用，需根據(jù)模型的特征和測量數(shù)據(jù)以及曲面的復雜程度，選擇模型重構(gòu)的類型。我國陶瓷產(chǎn)品中數(shù)字化逆向設計的運用需要與時俱進，順應社會和科技的發(fā)展潮流，不斷改進和創(chuàng)新。這樣才能夠真正地提升我國陶瓷產(chǎn)業(yè)的整體設計水平、生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)質(zhì)量，進一步促進我國陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻：

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