吹風機外殼逆向建模與增材制造

唐鋒

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，長沙 410208）

0 引言

在進行新產(chǎn)品的設(shè)計時，運用逆向方法獲得已有產(chǎn)品點云數(shù)據(jù)，并對點云進行處理從而獲得三維模型，進而對模型進行創(chuàng)新設(shè)計，快速得到新產(chǎn)品的數(shù)字化模型[1]。吹風機主體曲面是一個復雜的設(shè)計過程，在逆向建模時曲面重構(gòu)非常重要。

1 點云采集

本文采用PowerScan掃描系統(tǒng)獲得點云數(shù)據(jù)。

PowerScan掃描系統(tǒng)組裝完成后，需要先對機器進行標定，然后再去測量被測物體。期間，需要先觀察物體表面反射情況，無論反射過強還是表面過暗者，都需要噴涂顯像劑。如有需要可在物體上粘貼標志點，標志點需在物體難以分辨處多貼幾個，以便于讓設(shè)備分辨出來。在三維數(shù)字化測量的時候，CCD相機發(fā)射光到光柵器件產(chǎn)生光柵，不同寬度的光幅產(chǎn)生的同一斜度的光柵按次序一一投射到被測物體的表面，因為被測物體外形的不同，從而引發(fā)光柵條紋的變形，而這些變形的光柵條紋包括了被測物體的三維形狀信息數(shù)據(jù)。2臺CCD相機獲取到這些形狀信息后交由電腦安裝的掃描系統(tǒng)進行處理運算，最后在顯示器中出現(xiàn)被測件表面點所處的空間位置形成的點云數(shù)據(jù)。然后再用Geomagic Studio 2014軟件去處理點云。

2 操作流程

1）測量前的準備工作。

首先對被測物體進行觀察分析。如果物體表面顏色較深且反光性較強，此時需要對被測物體表面噴涂顯像劑，噴顯像劑時要先使用清水將被測件表面清潔干凈，晾干后再進行噴涂。噴涂時先將顯像劑搖晃幾下，使噴出的粉末均勻些，在間隔被測物體10～20 cm處進行噴涂。按壓噴嘴并圍繞被測物體轉(zhuǎn)移。待顯象劑干后再粘貼標志點[1]。

2）PowerScan掃描系統(tǒng)標定。

標定是為了獲得世界坐標系中被測物體點的空間坐標，與拍攝圖像坐標系中對應(yīng)點的函數(shù)關(guān)系的步驟[2-5]。標定的好壞將直接影響掃描系統(tǒng)精度。

3）PowerScan掃描系統(tǒng)測量。

PowerScan掃描系統(tǒng)的測量結(jié)果是將多次掃描所得的點云圖像進行拼合最終得到完整的點云圖像數(shù)據(jù)。被測物體通過PowerScan掃描系統(tǒng)自身在掃描中自動對標志點進行編號及拼合即可組合完整。在掃描采集的過程中，需要使用掃描測量頭對被測件進行不同角度的多次拍攝，一般順時針轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺幅度在30°、60°及略小于90°的角度進行360°的拍攝。

4）Geomagic Studio 點云處理流程。

Geomagic Studio軟件不僅可以處理點云，還可以創(chuàng)建多邊形網(wǎng)格和將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CAD模型的軟件，是Geomagic 公司的一款軟件。此外介紹一下Geomagic Qualify（下文分析報告會用到），GeomagicQualify建立了CAD與CAM的聯(lián)系紐帶，可使逆向的CAD模型與被測物體數(shù)據(jù)進行快速、高效的圖形比較，并可以自動生成報告文檔[6-8]。

Geomagic Studio 2014軟件的點云處理的具體流程如圖1所示。

圖1 點云處理具體流程

點云的處理主要在Geomagic Studio 軟件進行, 其中包括全局注冊、聯(lián)合點對象、清除噪點、封裝、補孔、優(yōu)化、簡化數(shù)據(jù)及保存等步驟。其中補孔如圖2所示。

圖2 填充單個孔

3 逆向建模

1）自由曲面重構(gòu)。

采用Geomagic DX軟件對吹風機外殼進行逆向建模，首先通過導入.stl數(shù)據(jù)，然后進行分割、坐標對齊操作后進行自由曲面重構(gòu)，如圖3所示。

圖3 完成模型重構(gòu)

2）輸出模型。

由Geomagic Design X 64的輸出命令，選擇以完成抽殼的實體進行輸出。保存為.igs格式,然后將.igs文件導入到UG軟件，并導出.stl格式。

4 吹風機增材制造

增材制造是整個逆向工程的一個重要環(huán)節(jié)，通過增材制造技術(shù)得到產(chǎn)品實物模型，能夠?qū)崿F(xiàn)模型的放大、縮小和改進[9]。本次打印模型使用的是太爾時代的3D打印桌面機UP BOX，打印機器采用熔融沉積成型技術(shù)（FDM），只需打印設(shè)備與電腦相連接。打開UP BOX自帶的切片軟件系統(tǒng)UP，使用噴嘴高度測試命令，設(shè)定好打印參數(shù)，直接就可以輸出打印。

1）導入模型。打開UP切片軟件，打開保存的.stl文件，首先進行初始化，如圖4所示。

圖4 導入stl文件

2）使用【噴嘴高度測試】命令，然后設(shè)置打印參數(shù)，如層厚、填充方式、支撐類型、擺放位置等信息，如圖5所示。

圖5 設(shè)置打印參數(shù)

3）打印。點擊【打印】命令自動打印，等待打印完成即可，如圖6所示。

圖6 成型模型

4）后處理。打印完成后，使用鏟子使打印件與多孔板分離，然后使用尖嘴鉗去除支撐部分，從而得到打印模型。使用3D打印機增材制造出來的物品表面有時會比較粗糙，需要拋光。拋光的方法有物理拋光和化學拋光[10]：a.物理拋光。需要用砂紙打磨進行后處理。可采用銼刀、砂紙、尖嘴鉗對物體進行打磨。b.化學拋光。可用丙酮蒸汽進行拋光，可在通風廚內(nèi)煮沸丙酮熏蒸打印物品。目前化學拋光還不成熟，應(yīng)用比較少。本模型采用物理拋光。

5 數(shù)據(jù)對比

1）打印模型與被測物體對比，左邊為原始模型，右邊為新制造模型，如圖7所示。

圖7 對比圖

2）采集的點云數(shù)據(jù)與逆向的數(shù)據(jù)進行對比如表1、表2、表3所示，采集數(shù)據(jù)點11 339個，體外孤點10個，從對比數(shù)據(jù)中可知點云的數(shù)據(jù)與逆向數(shù)據(jù)在偏差分布上數(shù)據(jù)很小，達到設(shè)計要求。

表1 偏差分布

表2 3D偏差mm

表3 標準偏差

6 結(jié)語

三維掃描階段由于吹風機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；在打印的過程中如果出現(xiàn)翹邊，可以在溫床上貼塊膠布或涂膠的方法來解決。通過Geomagic Studio軟件進行逆向建模，導出.igs文件，然后通過NX軟件導出.stl文件，最后通過3D打印機實現(xiàn)增材制造，并通過點云數(shù)據(jù)與逆向建模數(shù)據(jù)的對比，驗證了此方法的正確性和高效性。