逆向工程及快速成型技术在手机外形设计的应用

李超群　马玲

摘  要：随着智能制造技术的快速发展，产品设计逐步趋于智能化，快速化。使用三坐标测量仪对iPhone6手机外形进行数据扫描，得到点云数据，将经过处理的点云进行三维数据模型的重构，生成三维实体的数学模型，通过3D打印机将数学模型实体化，完成了基于逆向工程技术与快速成型技术的手机模型的智能制造。

关键词：智能制造;逆向工程;快速成型;数学模型

中图分类号：TP391.7         文献标志码：A         文章编号：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

近年来，随着智能制造的发展，逆向工程技术和快速成型技术在家电、交通工具、航天、医疗、通信、轻工业等领域的研究增多，但大多仅是其中一项技术的单独运用。从如图1所示基于逆向工程和快速成型技术的产品设计流程可以看出，快速成型技术的支持使得逆向工程中的关键技术更趋完善，提高了产品创新的效率，必将成为产品设计的发展方向[1]。本文以手机外形重建为例，探索两者结合使用的可行性，为其在工业发展上的应用奠定基础。

本文通过对iPhone6手机外形的数学模型重建及实体模型的加工制造，将逆向工程技术和快速制造技术结合起来，完整地展示了针对手机进行逆向设计的思路和流程，为二者在其他工业设计中应用的可行性奠定了基础。

2 基于逆向工程技术的iPhone6手机外形重构

手机行业竞争日益激烈，手机外观作为一项关键因素，能够借助逆向工程技术在短时间内，高效率地完成手机外观开发工作，将实现企业面对行业市场复杂多面的市场需求进行即时响应。考虑到后期的模具设计、数控加工、快速成型制造、产品的再设计等领域都需要CAD数学模型的支持，因此手机外形重构大大影响到其实体模型的精度。

2.1 采集实体三维数据

三坐标测量机具有对连续曲面进行扫描来制备数控加工程序的功能，因此，本文选择三坐标测量机测量iPhone6手机模型数据。三坐标测量机的主要机构如图2所示，包括主机、CNC装置，测头、伺服系统和电气系统等部分组成。

测量步骤如下：将iPhone6手机模型定位到工作台上，当测杆测头接触模型时，测头内部产生一个触发信号，并通过发信臂内的电磁耦合器将此信号传递给接受信号的模块，随后进入控制器。信号进入控制器后，经整形由相应的接口传到数控系统的指令端，向机床发出终止移动指令，从而使测杆测头接触模型瞬间的坐标位置被触发信号“封锁”，并进行运算处理，同时测量机进入下一个程序段。重复上述测量过程，便可自动完成所需坐标数据的测量。将采取到点（三维坐标）组成如图3所示点云，将其传输到点云处理软件进行下一步的处理。

2.2 测量数据的处理

逆向工程其中重要的一项技术环节是测量数据的后处理，它决定着后续模型重建过程能否方便、准确地进行。一般选择IGES格式作为数据转换格式。数据处理的主要内容包括：增加补偿点、去除噪声点、精化数据点、加密数据点、变换坐标、数据的格式转换和数据输出[2-3]。

在所获得的点云数据，需要通过数据处理软件进行数据拼接，选取一部分数据为固定，其余部分为浮动，分批通过点的全局注册将其合并起来。对两个或更多粗配准的点对象或多边形的配准进行细化，将生成的点云误差控制在（±0.1）mm，最后将所有点合并到一个公共的坐标系下，减少噪声、简化数据、封装，从而得到一个完整的点云[4]。最后使用数据软件处理传输过来的点云传输到三维建模软件上进行下一步骤。

2.3 iPhone6手机外形数学模型重建

根据测量数据类型、数据来源和造型方式，认为iPhone6手机外形的几何特征复杂型不高，难度不大，采用UG软件将点云数据拟合成曲线，再通过将曲线经拉伸、倒圆角等方法转化為曲面，进一步转化为CAD三维模型，生成如图4所示的iPhone6手机数学实体模型。

3 基于3D打印技术的iPhone6手机外形快速成型

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础的快速成型技术，运用粉末状金属、塑料、陶瓷等可粘合材料，通过逐层打印方式构造零件的技术[5]。得到iPhone6手机外形数学模型后，即可凭借快速成型技术完成实体模型的充制，本文选用的模型快速成型设备是如图5所示的3D打印机。