逆向工程及快速成型技術在手機外形設計的應用

李超群　馬玲

摘? 要：隨著智能制造技術的快速發展，產品設計逐步趨于智能化，快速化。使用三坐標測量儀對iPhone6手機外形進行數據掃描，得到點云數據，將經過處理的點云進行三維數據模型的重構，生成三維實體的數學模型，通過3D打印機將數學模型實體化，完成了基于逆向工程技術與快速成型技術的手機模型的智能制造。

關鍵詞：智能制造;逆向工程;快速成型;數學模型

中圖分類號：TP391.7? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）34-0148-02

Abstract： With the rapid development of intelligent manufacturing technology， product design tends to be intelligent and rapid. The shape of iPhone6 mobile phone is scanned by three-dimensional coordinate measuring instrument， and the point cloud data is obtained. The processed point cloud is reconstructed to form the mathematical model of three-dimensional entity， and the mathematical model is materialized by 3D printer. The intelligent manufacturing of mobile phone model based on reverse engineering technology and rapid prototyping technology is completed.

Keywords： intelligent manufacturing; reverse engineering; rapid prototyping; mathematical model

1 概述

近年來，隨著智能制造的發展，逆向工程技術和快速成型技術在家電、交通工具、航天、醫療、通信、輕工業等領域的研究增多，但大多僅是其中一項技術的單獨運用。從如圖1所示基于逆向工程和快速成型技術的產品設計流程可以看出，快速成型技術的支持使得逆向工程中的關鍵技術更趨完善，提高了產品創新的效率，必將成為產品設計的發展方向[1]。本文以手機外形重建為例，探索兩者結合使用的可行性，為其在工業發展上的應用奠定基礎。

本文通過對iPhone6手機外形的數學模型重建及實體模型的加工制造，將逆向工程技術和快速制造技術結合起來，完整地展示了針對手機進行逆向設計的思路和流程，為二者在其他工業設計中應用的可行性奠定了基礎。

2 基于逆向工程技術的iPhone6手機外形重構

手機行業競爭日益激烈，手機外觀作為一項關鍵因素，能夠借助逆向工程技術在短時間內，高效率地完成手機外觀開發工作，將實現企業面對行業市場復雜多面的市場需求進行即時響應。考慮到后期的模具設計、數控加工、快速成型制造、產品的再設計等領域都需要CAD數學模型的支持，因此手機外形重構大大影響到其實體模型的精度。

2.1 采集實體三維數據

三坐標測量機具有對連續曲面進行掃描來制備數控加工程序的功能，因此，本文選擇三坐標測量機測量iPhone6手機模型數據。三坐標測量機的主要機構如圖2所示，包括主機、CNC裝置，測頭、伺服系統和電氣系統等部分組成。

測量步驟如下：將iPhone6手機模型定位到工作臺上，當測桿測頭接觸模型時，測頭內部產生一個觸發信號，并通過發信臂內的電磁耦合器將此信號傳遞給接受信號的模塊，隨后進入控制器。信號進入控制器后，經整形由相應的接口傳到數控系統的指令端，向機床發出終止移動指令，從而使測桿測頭接觸模型瞬間的坐標位置被觸發信號“封鎖”，并進行運算處理，同時測量機進入下一個程序段。重復上述測量過程，便可自動完成所需坐標數據的測量。將采取到點（三維坐標）組成如圖3所示點云，將其傳輸到點云處理軟件進行下一步的處理。

2.2 測量數據的處理

逆向工程其中重要的一項技術環節是測量數據的后處理，它決定著后續模型重建過程能否方便、準確地進行。一般選擇IGES格式作為數據轉換格式。數據處理的主要內容包括：增加補償點、去除噪聲點、精化數據點、加密數據點、變換坐標、數據的格式轉換和數據輸出[2-3]。

在所獲得的點云數據，需要通過數據處理軟件進行數據拼接，選取一部分數據為固定，其余部分為浮動，分批通過點的全局注冊將其合并起來。對兩個或更多粗配準的點對象或多邊形的配準進行細化，將生成的點云誤差控制在（±0.1）mm，最后將所有點合并到一個公共的坐標系下，減少噪聲、簡化數據、封裝，從而得到一個完整的點云[4]。最后使用數據軟件處理傳輸過來的點云傳輸到三維建模軟件上進行下一步驟。

2.3 iPhone6手機外形數學模型重建

根據測量數據類型、數據來源和造型方式，認為iPhone6手機外形的幾何特征復雜型不高，難度不大，采用UG軟件將點云數據擬合成曲線，再通過將曲線經拉伸、倒圓角等方法轉化為曲面，進一步轉化為CAD三維模型，生成如圖4所示的iPhone6手機數學實體模型。

3 基于3D打印技術的iPhone6手機外形快速成型

3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎的快速成型技術，運用粉末狀金屬、塑料、陶瓷等可粘合材料，通過逐層打印方式構造零件的技術[5]。得到iPhone6手機外形數學模型后，即可憑借快速成型技術完成實體模型的充制，本文選用的模型快速成型設備是如圖5所示的3D打印機。