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摘 要：使用手持式激光扫描仪对油箱盖产品进行数据采集，得到完善、精确的油箱盖点云；运用Geomagic软件进行油箱盖点云数据处理，得到精简、光顺、无噪声点的点云数据，包括清除噪点、精减点云、边界优化、简化数据、保存等步骤。根据油箱盖模型产品实物的点云数据，利用可实现逆向三维造型设计软件UG NX进行逆向设计，重新构造实物的三维CAD模型。产品最终三维模型，经STL数据转换后输入到快速成型设备系统中，完成设计产品的打印及后处理。
关键词：逆向设计 快速成型技术 数据采集 数据处理 曲面重构
中图分类号：TH164 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）08（a）-0045-04
产品的逆向设计与快速成型技术，是指根据产品实物样件表面进行数字化处理，高效、准确地采集到产品表面的三维几何坐标数据，并运用相应的软件来处理点云数据。利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的三维CAD模型，进行曲面模型重构[1-2]。产品最终三维模型，经STL数据转换后输入到快速成型设备系统中，完成产品的打印及后处理。
1 油箱盖模型的数据采集与数据处理
1.1 扫描
针对油箱盖的外形进行模型分析，确定扫描方案，然后进行油箱盖点云数据的扫描。由于建模思想不一样，点云数据的扫描侧重点也不一样。数据点质量的好坏直接影响到曲面精度。使用手持式激光扫描仪对油箱盖进行数据采集，得到完善、精确的油箱盖点云，如图1所示。
1.2 点云数据的处理
油箱盖点云的处理主要在Geomagic Studio软件进行，其中包括清除噪点、手动注册、全局注册、合并、补洞、边界优化、简化数据及保存等步骤[3]。
（1）清除噪点。
打开Geomagic Studio软件，运用【统一采样】命令，右击界面中黑色的杂乱点云，可以按下鼠标中键旋转观察，在一起的点云变成绿色。选择除噪的工具栏，在分隔栏中选择“低”，并根据右边选点的多少更改数值的大小，确定后删除噪音点，如图2所示。
（2）精减点云。
在下拉式菜单中选择统一采样，在绝对距离中设置距离值为1。由于存在大量的冗余数据，会影响后期建模的光滑度，并影响加工质量。不同类型的点云可用不同的精减方式：对散乱点云可用随机采样法；对扫描线点云和多边形点云可用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减、弦偏差等方法；对网格化点云可用等分布密度和最小区域法，如图3所示。
（3）边界优化。
放大油箱盖的边界，可以看到并不光滑，因此需要对其边界进行优化。菜单栏：边界→编辑，选择“部分边界“选择边界线上的2点，再单击这条线，控制点应在7～8，张力应为0～1之间。可以调节数字使其边界顺滑。
（4）简化数据及保存。
因为点云处理完后可能要被Imageware编辑和处理，所以要保存为stl格式，这种格式也可直接被快速成型机识别。
（5）数据的转换。
使用File→save as命令，选择igs格式保存。igs格式是能被UG、PROE等三维软件识别的一种文件格式。在保存时，注意删除原有的点云，这样才能更快地打开igs格式文件。
2 油箱盖模型的曲面重构
打开UG软件，打开预先保存的，在Geomagic软件中处理好的油箱盖点云数据，导入IGS文件，进入建模模块。
2.1 建立坐标系
用【基本曲线】命令画出两条实线，再用【拉伸】命令选择两条直线拉伸出一个平面，并用动态原点建立好坐标系，如图4所示。
2.2 建立基准平面及绘制草图
运用【基准平面】命令，创建所需的各个基准平面，并根据点云创建如图所示的草图轮廓，如图5所示。
2.3 构建曲面、凹槽及固定件
运用【扫掠】命令，按上一步骤绘制的草图曲线扫掠片体。运用【修剪片体】命令，修剪多余片体。从点云绘制曲线，并用【拉伸】命令，选取曲线拉伸成片体，并选取油箱盖顶面进行修剪。对凹槽内部边进行边倒圆，选择【加厚】命令，并选择片体加厚2.5 mm。最终得到的图形，如图6所示。
3 油箱盖的快速成型设备具体步骤
3.1 导出STL格式
绘制好的图形导出STL格式并修改三角公差为0.002 5、相邻公差为0.12，勾选自动法相生成并让其三角形显示，如图7所示。
3.2 打开Aurora快速成型系统
3.2.1 系统连接、初始化、调试
将机器与Aurora快速成型系统连接，然后进行Aurora快速成型系统初始化，最后调试仪器，检查各喷头的吐丝情况是否正常。
3.2.2 文件导入Aurora快速成型系统
单击【载入模型】，将文件载入快速成型系统，如图8所示。
3.2.3 将工件放入仪器中心并修改分层参数
将导入的文件自动对准，考虑节约支撑材料，将工件放置。把支撑间隔，轮廓线宽，工作台高度等参数修改成自己经验值的数据，如图9所示。
3.3 打印实体及后处理操作
对于油箱盖产品的快速成型，选择3D打印成型强度较好的熔融沉积（FDM）成型方式。产品打印完成图如图10所示。
打印完成后处理包括设备降温、零件保温、去除支撑、表面处理等步骤[4]。
（1）设备降温。
原型制作完毕后，如不继续造型，即可将系统关闭，为使系统充分冷却，至少于10 min后再关闭散热按钮和总开关按钮。
（2）零件保温。
零件加工完毕，下降工作台，将原型留在成形室内，薄壁零件保温15～20 min大型零件20～30 min，过早取出零件会出现应力变形。
（3）模型后处理。
用小铲子小心取出原型。去除支撑，避免破坏零件。用砂纸打磨台阶效应比较明显处，用小刀处理多余部分，用填补液处理台阶效应造成的缺陷。如需要可用少量丙酮溶液把原型表面上光。
4 结论
（1）油箱盖产品的数据采集是使用手持式激光扫描仪对油箱盖进行三维扫描，点云的数据处理主要在Geomagic Studio软件进行，其中包括清除噪点、手动注册、全局注册、合并、补洞、边界优化、简化数据及保存等步骤。
（2）油箱盖产品的曲面重构是运用UG软件重新构造实物的三维CAD模型，其中包括导入IGS点云文件、建立坐标系、建立基准平面绘制草图、构建曲面、构建凹槽、创建固定件、边倒圆、得到最终模型等步骤。
（3）产品最终三维模型，经STL数据转换后输入到快速成型设备系统中，选择3D打印成型强度较好的熔融沉积（FDM）成型方式，运用Aurora快速成型系统完成系统连接、初始化、调试及相关参数设置，最终完成油箱盖产品的打印及后处理。
参考文献
[1] 颜永年.先进制造技术[M].化学工业出版社，2002.
[2] 彭燕军，王霜，彭小欧.UG、Imageware在逆向工程三维模型重构中的应用研究[J].机械设计与制造，2011（5）：85-87.
[3] 谢英星，张晓红.基于Geomagic Studio和快速成型技术的产品设计[J].工具技术，2015（6）：61-63.
[4] 刘艳申.工艺亭子三维造型与3D打印[J].电子测试，2016（7）：17-19.
关键词：逆向设计 快速成型技术 数据采集 数据处理 曲面重构
中图分类号：TH164 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）08（a）-0045-04
产品的逆向设计与快速成型技术，是指根据产品实物样件表面进行数字化处理，高效、准确地采集到产品表面的三维几何坐标数据，并运用相应的软件来处理点云数据。利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的三维CAD模型，进行曲面模型重构[1-2]。产品最终三维模型，经STL数据转换后输入到快速成型设备系统中，完成产品的打印及后处理。
1 油箱盖模型的数据采集与数据处理
1.1 扫描
针对油箱盖的外形进行模型分析，确定扫描方案，然后进行油箱盖点云数据的扫描。由于建模思想不一样，点云数据的扫描侧重点也不一样。数据点质量的好坏直接影响到曲面精度。使用手持式激光扫描仪对油箱盖进行数据采集，得到完善、精确的油箱盖点云，如图1所示。
1.2 点云数据的处理
油箱盖点云的处理主要在Geomagic Studio软件进行，其中包括清除噪点、手动注册、全局注册、合并、补洞、边界优化、简化数据及保存等步骤[3]。
（1）清除噪点。
打开Geomagic Studio软件，运用【统一采样】命令，右击界面中黑色的杂乱点云，可以按下鼠标中键旋转观察，在一起的点云变成绿色。选择除噪的工具栏，在分隔栏中选择“低”，并根据右边选点的多少更改数值的大小，确定后删除噪音点，如图2所示。
（2）精减点云。
在下拉式菜单中选择统一采样，在绝对距离中设置距离值为1。由于存在大量的冗余数据，会影响后期建模的光滑度，并影响加工质量。不同类型的点云可用不同的精减方式：对散乱点云可用随机采样法；对扫描线点云和多边形点云可用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减、弦偏差等方法；对网格化点云可用等分布密度和最小区域法，如图3所示。
（3）边界优化。
放大油箱盖的边界，可以看到并不光滑，因此需要对其边界进行优化。菜单栏：边界→编辑，选择“部分边界“选择边界线上的2点，再单击这条线，控制点应在7～8，张力应为0～1之间。可以调节数字使其边界顺滑。
（4）简化数据及保存。
因为点云处理完后可能要被Imageware编辑和处理，所以要保存为stl格式，这种格式也可直接被快速成型机识别。
（5）数据的转换。
使用File→save as命令，选择igs格式保存。igs格式是能被UG、PROE等三维软件识别的一种文件格式。在保存时，注意删除原有的点云，这样才能更快地打开igs格式文件。
2 油箱盖模型的曲面重构
打开UG软件，打开预先保存的，在Geomagic软件中处理好的油箱盖点云数据，导入IGS文件，进入建模模块。
2.1 建立坐标系
用【基本曲线】命令画出两条实线，再用【拉伸】命令选择两条直线拉伸出一个平面，并用动态原点建立好坐标系，如图4所示。
2.2 建立基准平面及绘制草图
运用【基准平面】命令，创建所需的各个基准平面，并根据点云创建如图所示的草图轮廓，如图5所示。
2.3 构建曲面、凹槽及固定件
运用【扫掠】命令，按上一步骤绘制的草图曲线扫掠片体。运用【修剪片体】命令，修剪多余片体。从点云绘制曲线，并用【拉伸】命令，选取曲线拉伸成片体，并选取油箱盖顶面进行修剪。对凹槽内部边进行边倒圆，选择【加厚】命令，并选择片体加厚2.5 mm。最终得到的图形，如图6所示。
3 油箱盖的快速成型设备具体步骤
3.1 导出STL格式
绘制好的图形导出STL格式并修改三角公差为0.002 5、相邻公差为0.12，勾选自动法相生成并让其三角形显示，如图7所示。
3.2 打开Aurora快速成型系统
3.2.1 系统连接、初始化、调试
将机器与Aurora快速成型系统连接，然后进行Aurora快速成型系统初始化，最后调试仪器，检查各喷头的吐丝情况是否正常。
3.2.2 文件导入Aurora快速成型系统
单击【载入模型】，将文件载入快速成型系统，如图8所示。
3.2.3 将工件放入仪器中心并修改分层参数
将导入的文件自动对准，考虑节约支撑材料，将工件放置。把支撑间隔，轮廓线宽，工作台高度等参数修改成自己经验值的数据，如图9所示。
3.3 打印实体及后处理操作
对于油箱盖产品的快速成型，选择3D打印成型强度较好的熔融沉积（FDM）成型方式。产品打印完成图如图10所示。
打印完成后处理包括设备降温、零件保温、去除支撑、表面处理等步骤[4]。
（1）设备降温。
原型制作完毕后，如不继续造型，即可将系统关闭，为使系统充分冷却，至少于10 min后再关闭散热按钮和总开关按钮。
（2）零件保温。
零件加工完毕，下降工作台，将原型留在成形室内，薄壁零件保温15～20 min大型零件20～30 min，过早取出零件会出现应力变形。
（3）模型后处理。
用小铲子小心取出原型。去除支撑，避免破坏零件。用砂纸打磨台阶效应比较明显处，用小刀处理多余部分，用填补液处理台阶效应造成的缺陷。如需要可用少量丙酮溶液把原型表面上光。
4 结论
（1）油箱盖产品的数据采集是使用手持式激光扫描仪对油箱盖进行三维扫描，点云的数据处理主要在Geomagic Studio软件进行，其中包括清除噪点、手动注册、全局注册、合并、补洞、边界优化、简化数据及保存等步骤。
（2）油箱盖产品的曲面重构是运用UG软件重新构造实物的三维CAD模型，其中包括导入IGS点云文件、建立坐标系、建立基准平面绘制草图、构建曲面、构建凹槽、创建固定件、边倒圆、得到最终模型等步骤。
（3）产品最终三维模型，经STL数据转换后输入到快速成型设备系统中，选择3D打印成型强度较好的熔融沉积（FDM）成型方式，运用Aurora快速成型系统完成系统连接、初始化、调试及相关参数设置，最终完成油箱盖产品的打印及后处理。
参考文献
[1] 颜永年.先进制造技术[M].化学工业出版社，2002.
[2] 彭燕军，王霜，彭小欧.UG、Imageware在逆向工程三维模型重构中的应用研究[J].机械设计与制造，2011（5）：85-87.
[3] 谢英星，张晓红.基于Geomagic Studio和快速成型技术的产品设计[J].工具技术，2015（6）：61-63.
[4] 刘艳申.工艺亭子三维造型与3D打印[J].电子测试，2016（7）：17-19.