吹风机外壳逆向建模与增材制造

唐锋

（湖南工业职业技术学院，长沙 410208）

0 引言

在进行新产品的设计时，运用逆向方法获得已有产品点云数据，并对点云进行处理从而获得三维模型，进而对模型进行创新设计，快速得到新产品的数字化模型[1]。吹风机主体曲面是一个复杂的设计过程，在逆向建模时曲面重构非常重要。

1 点云采集

本文采用PowerScan扫描系统获得点云数据。

PowerScan扫描系统组装完成后，需要先对机器进行标定，然后再去测量被测物体。期间，需要先观察物体表面反射情况，无论反射过强还是表面过暗者，都需要喷涂显像剂。如有需要可在物体上粘贴标志点，标志点需在物体难以分辨处多贴几个，以便于让设备分辨出来。在三维数字化测量的时候，CCD相机发射光到光栅器件产生光栅，不同宽度的光幅产生的同一斜度的光栅按次序一一投射到被测物体的表面，因为被测物体外形的不同，从而引发光栅条纹的变形，而这些变形的光栅条纹包括了被测物体的三维形状信息数据。2台CCD相机获取到这些形状信息后交由电脑安装的扫描系统进行处理运算，最后在显示器中出现被测件表面点所处的空间位置形成的点云数据。然后再用Geomagic Studio 2014软件去处理点云。

2 操作流程

1）测量前的准备工作。

首先对被测物体进行观察分析。如果物体表面颜色较深且反光性较强，此时需要对被测物体表面喷涂显像剂，喷显像剂时要先使用清水将被测件表面清洁干净，晾干后再进行喷涂。喷涂时先将显像剂摇晃几下，使喷出的粉末均匀些，在间隔被测物体10～20 cm处进行喷涂。按压喷嘴并围绕被测物体转移。待显象剂干后再粘贴标志点[1]。

2）PowerScan扫描系统标定。

标定是为了获得世界坐标系中被测物体点的空间坐标，与拍摄图像坐标系中对应点的函数关系的步骤[2-5]。标定的好坏将直接影响扫描系统精度。

3）PowerScan扫描系统测量。

PowerScan扫描系统的测量结果是将多次扫描所得的点云图像进行拼合最终得到完整的点云图像数据。被测物体通过PowerScan扫描系统自身在扫描中自动对标志点进行编号及拼合即可组合完整。在扫描采集的过程中，需要使用扫描测量头对被测件进行不同角度的多次拍摄，一般顺时针转动转台幅度在30°、60°及略小于90°的角度进行360°的拍摄。

4）Geomagic Studio 点云处理流程。

Geomagic Studio软件不仅可以处理点云，还可以创建多边形网格和将点云数据转化为CAD模型的软件，是Geomagic 公司的一款软件。此外介绍一下Geomagic Qualify（下文分析报告会用到），GeomagicQualify建立了CAD与CAM的联系纽带，可使逆向的CAD模型与被测物体数据进行快速、高效的图形比较，并可以自动生成报告文档[6-8]。

Geomagic Studio 2014软件的点云处理的具体流程如图1所示。

图1 点云处理具体流程

点云的处理主要在Geomagic Studio 软件进行, 其中包括全局注册、联合点对象、清除噪点、封装、补孔、优化、简化数据及保存等步骤。其中补孔如图2所示。

图2 填充单个孔

3 逆向建模

1）自由曲面重构。

采用Geomagic DX软件对吹风机外壳进行逆向建模，首先通过导入.stl数据，然后进行分割、坐标对齐操作后进行自由曲面重构，如图3所示。

图3 完成模型重构

2）输出模型。

由Geomagic Design X 64的输出命令，选择以完成抽壳的实体进行输出。保存为.igs格式,然后将.igs文件导入到UG软件，并导出.stl格式。

4 吹风机增材制造

增材制造是整个逆向工程的一个重要环节，通过增材制造技术得到产品实物模型，能够实现模型的放大、缩小和改进[9]。本次打印模型使用的是太尔时代的3D打印桌面机UP BOX，打印机器采用熔融沉积成型技术（FDM），只需打印设备与电脑相连接。打开UP BOX自带的切片软件系统UP，使用喷嘴高度测试命令，设定好打印参数，直接就可以输出打印。

1）导入模型。打开UP切片软件，打开保存的.stl文件，首先进行初始化，如图4所示。

图4 导入stl文件

2）使用【喷嘴高度测试】命令，然后设置打印参数，如层厚、填充方式、支撑类型、摆放位置等信息，如图5所示。

图5 设置打印参数

3）打印。点击【打印】命令自动打印，等待打印完成即可，如图6所示。

图6 成型模型

4）后处理。打印完成后，使用铲子使打印件与多孔板分离，然后使用尖嘴钳去除支撑部分，从而得到打印模型。使用3D打印机增材制造出来的物品表面有时会比较粗糙，需要抛光。抛光的方法有物理抛光和化学抛光[10]：a.物理抛光。需要用砂纸打磨进行后处理。可采用锉刀、砂纸、尖嘴钳对物体进行打磨。b.化学抛光。可用丙酮蒸汽进行抛光，可在通风厨内煮沸丙酮熏蒸打印物品。目前化学抛光还不成熟，应用比较少。本模型采用物理抛光。

5 数据对比

1）打印模型与被测物体对比，左边为原始模型，右边为新制造模型，如图7所示。

图7 对比图

2）采集的点云数据与逆向的数据进行对比如表1、表2、表3所示，采集数据点11 339个，体外孤点10个，从对比数据中可知点云的数据与逆向数据在偏差分布上数据很小，达到设计要求。

表1 偏差分布

表2 3D偏差mm

表3 标准偏差

6 结语

三维扫描阶段由于吹风机主体零件表面需要很光滑，喷涂显像剂便会弄脏表面清洗不方便，故采用贴透明胶的方法解决，喷涂完显像剂后可以直接撕掉透明胶；在打印的过程中如果出现翘边，可以在温床上贴块胶布或涂胶的方法来解决。通过Geomagic Studio软件进行逆向建模，导出.igs文件，然后通过NX软件导出.stl文件，最后通过3D打印机实现增材制造，并通过点云数据与逆向建模数据的对比，验证了此方法的正确性和高效性。