消防頭盔正逆向頭盔與快速成型

唐鋒易杰

（湖南工業職業技術學院，湖南 長沙 410208）

0 引言

在產品的設計過程中，運用逆向方法把已有產品數字化后的點云數據和已有CAD模型拼合后進行分析比較，由分析信息直接對已有的數字化模型參數進行修改，快速得到新產品的數字化模型。頭盔主體曲面是一個復雜的設計過程，這是一部分零部件使用正向設計的建模方法，另一部分使用逆向設計的建模方法是解決復雜設計的有效途徑。

1 消防頭盔的零部件的逆向確認方案

1.1 模型的整體性分析

消防頭盔實物如圖1所示。

圖1 消防頭盔實物觀測圖

模型的形狀比較復雜，零部件很多，各個裝配的位置也需要很大的講究。頭盔外形面是一個光滑圓弧面，兩側的零件固定住了前擋風面罩，擋風面罩是一個半圓弧狀的透明塑料制作而成，表面不耐腐蝕，內部的非接觸的裝配零部件居多。在進行逆向前先要把模型內的零部件進行標記，并具體分析采用哪種方式進行逆向，因零部件較多，只列出部分。

1.2 零部件分析

部分零部件的細部特征很多，有很多的尺寸都是1mm的尺寸位置，考慮到所用掃描儀的精度，掃描不出來一些細微的特征地方，所以決定用游標卡尺正向建模的方法逆向，只要保證所建模的模型互相之間能相互配合。

消防頭盔側部零件與消防頭盔主體的兩側相互配合，所以用游標卡尺測不出配合面的弧度尺寸，必須要用掃描的點元逆向，且精度要控制在誤差內。

消防頭盔擋風面罩和其他零件是相配合的，面與面之間要沒有縫隙，而其大面是一個外觀面，需要用掃描的點元做到G2連續。

消防頭盔的主體的外部是幾個大面，尺寸偏大，內部有加強筋、槽居多，掃描儀掃不出來，需要逆向整體后再進行內部的正向建模。

1.3 建模注意要點

Catia也可以進行正向建模只不過考慮到塑料制品的模具設計大多數采用UG軟件的模具設計模塊，而Catia內的模具模塊就稍稍差些，當然UG也可以逆向只不過逆向的模型與Catia相比也要差些。軟件只是工具，為了產品及時效性應該要把工具最有特色的進行使用才能發揮它最好效果。

2 三維掃描并處理點云

2.1 三維掃描所需物品介紹

本文采用PowerScan?L-Pro進行點云采集，三維掃描前需要進行噴顯像劑，噴顯像劑的原因是三維掃描儀掃描的原理是通過吸收反射的光線粒子進行成像顯示的，如果工件表面太暗，或者太鮮艷掃描儀都吸收不到光線粒子，清洗的時候可以用去除劑，之后用酒精清洗就可以了。

噴完顯像劑后要等到工件表面上的白劑未干時，貼上標志點，標志點的貼法作用有兩種，一種是貼到自身上標記出工件自身的特征上下左右的方位，也就比如說是標明你的胳膊，你的腿在你自身的哪個角度，哪個方向；另一種是貼到托盤上將承載工件自身所處的外部環境方向進行標記，比如說你的胳膊在我這個托盤的外部環境360°范圍的哪一度。

貼標志點的兩種方法可以混合使用，也可以單獨使用，所使用的掃描方法也不一樣。第一種貼工件自身單獨使用的掃描方法適合不規則的物體，掃描時先掃出一部分面，并掃描進3個以上標志點，以此些標志點做定位，稍微翻轉一部分讓掃描儀掃出2個以上的標志點同時能掃描進新的標志點，以此重復性翻轉直到所有的標志點掃描出來，這時工件也掃描完成了；第二種是貼托盤的掃描方法，比較簡單。只要把工件放在工件四周的托盤上，托盤表面上貼上標志點，掃描時只要旋轉托盤掃描就可以了，但是缺點是掃描不出底部；第三種是混合式，在工件本身上貼上標志點并用上四周貼好標志點的托盤，一開始掃描時，把工件放上托盤上，旋轉托盤進行掃描，此時托盤上的標志點定位好了工件，同時工件上的標志點也因為托盤的旋轉而被掃描出來，接著就可以翻邊，掃描工件底部，將工件翻轉過來掃描要注意讓掃描儀能看到一些未翻邊前的標志，同時旋轉托盤時能讓掃描儀掃描出未掃描出來的工件部分以此將整個工件掃描出來。

在翻邊前，軟件里要將掃描出來的托盤上的標志點刪除再進行翻邊。

橡皮泥的作用是讓工件擺放位置時給它做支撐用，橡皮泥是黑色的所以不會被掃描進去。下面以消防頭盔主體為例進行分析。

2.2 消防頭盔主體01掃描與點云處理

2.2.1 掃描

先噴顯像劑并在工件上貼好標志點，由于消防頭盔主體01的尺寸很大，掃描時掃描儀需要上下或前后距離的適調，太近或者太遠都會導致頭盔主體掃描不出來。調整好距離后開始掃描，掃描時觀看掃描的模型有沒有未掃描到的，未掃描出來的角落進行重復性掃描。

2.2.2 點元處理

掃描好了的文件默認是.ac格式還不是STL格式。要進行逆向并生成為STL格式才行，這時要用到Geomagic Wrap的軟件進行點元的處理。導入進Geomagic Wrap先刪除多余的外部點后進行減少噪音，最后合并點云。

合并完成的點云數目為600多萬個，需要進行簡化，簡化點云為40幾萬個點云。

模型的標志點所處的地方為空洞要進行填孔，填完孔的地方表面會凹凸不平要進行去除特征操作，將所有的模型中可以補全的空都補全，有一些部分不能補的便不用補。處理完點云后導出為STL格式，便可在Catia中逆向了。

3 c a t ia逆向建模

從點云處理導出來的點云坐標與軟件的坐標并沒有對正，在進行逆向前必須進行對正。對完正后將以前的點元刪除掉，用對正后的點云。修剪掉通過點云擬合出來的多余的面。觀察面片與點云的誤差，適當進行修改。將面片合并后在零件設計里面縫合生成實體。內部的結構和兩側的螺紋孔并沒有逆向出來而是要放在UG進行正向建模。

4 UG正向建模

將catia逆向成的實體導出為STP格式，導入進UG軟件，進行實體的編輯，通過游標卡尺測量出各個加強筋的位置和裝配面的位置。實物與模型對比如圖2所示。

圖2 實物與模型對比

5 消防頭盔的零部件快速成型

得到的三維數據，轉化為S tl格式文件，然后導入切片軟件進行切片，完成切片后即可進行3D打印。本文采用UPBOX打印機，使用UP S tudio切片軟件進行切片，采用ABS材料來打印的產品，選擇ABS材料是因為它具有很強的抗沖擊性、耐劃、尺寸穩定等特性，是目前板材行業中十分理想的材料，并且物美價廉，很適合學校使用。用ABS材料打印出來的支架，正好發揮了它的抗沖擊性以及熱溶性的特性。而消防頭盔應用的場景重點也在這兩處地方。此次利用3D打印消防頭盔各部件，與原先生產模型的方法是兩種截然不同的方法，原先的消防頭盔采用模具制造形式，而用3D打印打印出來的消防頭盔是由ABS材料一層一層累積起來的。在前期的設計階段驗證模型的實際用途使用3D打印能為人們帶來更多的選擇方式。

由于材料有限，并不能全部打印出來，只展示部分打印模型。如圖3所示。

圖3 頭盔零部件快速成型

6 結語

三維掃描階段由于頭盔主體零件表面需要很光滑，噴涂顯像劑便會弄臟表面清洗不方便，故采用貼透明膠的方法解決，噴涂完顯像劑后可以直接撕掉透明膠，在UG正向建模時，有些尺寸誤差測量不出來，但是裝配時又必須要保證裝配誤差在一定范圍內，這時可以采用邊給預定的數值邊用3D打印打印出來，再根據與實物的裝配，做一定的調整數值；在打印機打印的過程中如果出現翹邊，可以在溫床上貼塊膠布或涂膠的方法來解決。通過正、逆向建模相結合的方法來完成對頭盔所有零部件的三維數據獲取和3D打印制造，驗證了次方法的正確性和高效性。