鼠標模型重構及3D打印*

卞冠宇，董慶茁，舒子杰，景 鑫，夏會芳

(武漢華夏理工學院 智能制造學院，湖北 武漢 430223)

0 引言

逆向工程(RE)也被稱為反求工程，或者說是逆向設計，它主要是對已經存在的實物模型進行轉化，并以此作為基礎進行剖析、深化和二次創造，是一種分析方法和應用技術的組合[1]。鼠標是一種很常用的電腦輸入設備，隨著當今社會日新月異的發展，人們對于鼠標的要求也越來越多，如舒適的操作手感以及靈活性和可靠性，因此對鼠標的美學設計和制作工藝要求也越來越高。鼠標表面由復雜的自由曲面構成，故我們采用逆向工程技術，通過三維掃描設備基于實物模型獲取三維數字化信息，根據數據和設計要求構成鼠標的數字模型，最終通過誤差分析檢測模型是否滿足要求。

1 鼠標三維數據采集

通過三維掃描設備獲取鼠標的三維數字化數據。由于鼠標模型表面明暗程度不同，故須在掃描前對鼠標模型進行表面處理(噴上白色顯像劑)；為了能夠更好地對鼠標模型進行識別、定位，避免掃描數據的質量受到影響，還需按相關要求貼好標記點，如圖1所示。

圖1 實物噴顯像劑處理及標記點粘貼 圖2 鼠標上表面數據 圖3 翻轉鼠標

經旋轉轉盤，完成鼠標上表面的數據采集，如圖2所示。然后翻轉鼠標讓底面朝上(見圖3)，進行再次掃描，直至完成一周的數據掃描。最后將全部掃描工作完成后的數據進行拼接合并，生成一個完整的鼠標模型(如圖4所示)，并保存好數據。

圖4 鼠標拼接完成 圖5 封裝完成 圖6 處理后模型

2 鼠標點云的數據處理

將完成拼接工作的文件導入Geomagic Wrap軟件，進行下一步的操作。

由于掃描過程中存在著各種因素，數據采集時會采集到與模型無關的一些數據，所以在點云階段要進行去除噪點、刪除非連接項等操作，然后將點云封裝成三角形面片，如圖5所示。接著通過使用“孔填充”的命令，對空缺進行填補，并通過使用其他相關命令對模型表面的釘狀物以及平面凸起或者凹陷的地方進行處理，使之光滑，如圖6所示。

3 鼠標逆向建模

將處理完的點云數據文件(面片)利用逆向建模軟件Geomagic Design X導入后進行下一步操作——曲面重建。

3.1 坐標對齊

將“模型”命令欄里的“平面”定義改成“選擇多個點”，在適合做底面的平面選擇多個點并點擊確定，成功創建平面1；接著將“模型”命令欄里的“平面”定義改成“繪制直線”，并在大致處于對稱軸的地方繪制一條直線，接著通過將“模型”命令欄里的“平面”定義改成“鏡像”進行鏡像，成功創建平面2和平面3，最后通過“手動對齊”中的“3-2-1”法完成對齊，如圖7所示。

圖7 坐標對齊 圖8 領域劃分(部分) 圖9 面片擬合好后經剪切得到的鼠標模型

3.2 曲面重構

3.2.1 劃分領域

因為本模型曲面較復雜，所以根據鼠標模型的特征，將鼠標模型手動分為上下左右前后六個領域，如圖8所示。

3.2.2 曲面擬合

本實例采用面片擬合構建模型。對上述劃分出來的六個領域進行面片擬合，然后將得到的六個面片進行“剪切曲面”操作，得到重構后的鼠標模型，如圖9所示。

3.2.3 細節處理

對得到的鼠標模型進行倒圓角以及平面的拉伸切割處理，得到修改后的鼠標模型(見圖10)，操作過程中通過體偏差控制模型的質量，保證模型的精度。

圖10 鼠標模型 圖11 導入文件 圖12 對齊

4 模型計算機輔助檢測

在逆向建模的過程中，由于是以采集到的點云數據為依據進行的曲面重構，或多或少會存在一些誤差，所以就需要通過相關的數據檢測比較二者之間的偏差，用以判斷是否在誤差允許的區間內。

將處理完工的點云數據文件和重構模型文件依次導入到Geomagic Control X，如圖11所示。

4.1 對齊

首先，利用“初始對齊”命令，完成初步對齊任務；然后，通過“最佳擬合對齊”得到完全對齊后的內容，如圖12所示。

4.2 分析對比

通過體偏差和Geomagic Control X軟件將重構后得到的曲面和點云數據進行相關性的數據對比和分析，得到體偏差的對比結果，如圖13所示。除此之外，還需要檢測點與點之間的誤差，并且還需要根據測量位置與參考位置XYZ坐標數值之間的縫隙距離來進行比較和分析。3D比較結果和2D比較結果分別如圖14、圖15所示。

圖13 體偏差 圖14 3D對比 圖15 2D對比

5 模型打印

將建模數據以STL格式導入切片軟件Cura中進行切片處理，如圖16所示。并將最終生成的GCoad代碼導入3D打印設備進行打印,打印過程如圖17所示，最終得到的打印成品如圖18所示。

6 小結

本文針對鼠標利用三維激光掃描設備采集信息，通過Geomagic系列軟件實施逆向建模，使用3D打印快速成型。該方法是實現復雜工藝品從模型—三維數字化信息—模型(二次創新)的一種新穎且快捷的方法[2]，通過逆向工程技術能在已有產品的基礎上進行再次創新，不僅能提高產品的精確性，而且能縮短研發周期。這充分說明了逆向工程是集實用性、開拓性以及綜合性于一體的技術。

圖16 切片處理 圖17 打印過程 圖18 打印成品