基于逆向工程的蓝牙鼠标的改型设计.zip

郑州航空工业管理学院 毕业论文（设计） 2020 届机械设计制造及其自动化专业 1506121 班级 题目基于逆向工程 的蓝牙鼠标的改型设计 姓名张猛学号 150606340 指导教师刘建伟职称副教授 外聘教师职称 二零二一年五月二十二日 摘要 随着时代的进步及科技的快速发展，人们对产品的特性需求越来越 高。在此情况下，逆向工程与快速成形技术给传统的制造业带来了便利， 为行业的发展开启了一扇新的大门。 本文通过 ATOS三维结构光扫描仪扫描，将蓝牙鼠标表面清理干净后， 水平放置在紧固的桌面上，然后，喷上一层显像剂方便对数据的精确采 集，在计算机辅助系统的作用下，将各个面的数据整合存储为IGES点云 文件。 依靠Geomagic Studio 12对初步收集的蓝牙鼠标点云文件，进行预 处理，将无关、不准确的点云数据进行删减、将缺失的点云修补，并适 当稀释整个文件的点云数量，使整个文件轻量化，导出STL文件。 将上述STL文件导入catia中进行逆向建模进行CAS面设计，同时为 了使蓝牙鼠标在外观赏性、使用舒适性及产品多样化性有所提高，在不 改变原始鼠标外部边界尺寸的基础上，更改造型，在UG环境中进行二次 改型设计，重新建模导出 STL 文件，最后完成新产品的快速成型3D打印。 关键词 逆向工程；快速成形；Geomagic Studio；改型设计 Abstract With the progress of the times and the rapid development of science and technology, peoples demand for the characteristics of products is higher and higher. In this case, reverse engineering and rapid prototyping technology bring convenience to the traditional manufacturing industry and open a new door for the development of the industry. In this paper, the surface of Bluetooth mouse is cleaned by ATOS three- dimensional structured light scanner, and then it is horizontally placed on the fixed desktop. Then, a layer of imaging agent is sprayed to facilitate the accurate data acquisition. Under the action of computer-aided system, the data of each surface is integrated and stored as IGES point cloud file. Relying on Geomagic studio 12 to preprocess the initial collected Bluetooth mouse point cloud files, delete the irrelevant and inaccurate point cloud data, repair the missing point cloud, and appropriately dilute the number of point clouds in the whole file to make the whole file lightweight and export STL file. The STL file is imported into CATIA for reverse modeling and CAS surface design. Meanwhile, in order to improve the appearance, comfort and product diversity of Bluetooth mouse, on the basis of not changing the external boundary size of the original mouse, the modeling is changed, and the secondary modification design is carried out in UG environment, and the STL file is re modeled and exported, Finally, the rapid prototyping 3D printing of new products is completed. Keywords reverse engineering; rapid formation; Geomagic Studio ; retrofitdesign; 目录目录 AbstractAbstract.3 第一章绪论.1 1.1课题背景 .1 1.2逆向工程技术与快速成形的基本概念 .2 1.2.1逆向工程技术RE.2 1.2.2快速成形技术RP.2 1.3逆向工程与快速成形的基本流程 .4 1.3.1逆向工程.4 1.3.2快速成形.5 1.4国内外研究现状 .6 1.4.1逆向工程的国内外研究现状.6 1.4.2快速成形的国内外研究现状.7 1.5本文的研究对象和研究意义 .7 第二章包装瓶外型数字化 .8 2.1数字化的基本概念 .8 2.2主要的数字化方法 .8 2.2.1三维坐标测量机.9 2.2.2工业 CT.9 2.2.3三维数字化扫描仪.10 2.2.4三维激光扫描测量仪.10 2.3本文采用的测量设备 .10 2.4鼠标数字化信息获取的过程 .12 第三章蓝牙鼠标点云的预处理和三维模型重构 .13 3.1点云的预处理 .13 3.1.1 点云的预处理概述.13 3.1.2数据处理.14 3.1.3 噪点删除.14 3.1.4数据平滑.15 3.1.5数据精简.15 3.1.6数据插补.16 3.1.7点云分块.16 3.2 三维模型逆向重构 .17 3.2.1概述.17 3.2.2曲面重构的基本理论.17 3.2.3曲面重构的基本路线.19 3.3蓝牙鼠标点云处理和逆向建模实验过程 .19 3.3.1整体思路概述.19 3.3.2点云数据的处理.20 3.3.3逆向建模过程.22 3.3.2.1 CATIA软件简介 .22 3.3.2.2 鼠标逆向建模 .23 第四章蓝牙鼠标的改型设计与3D打印 .33 4.1蓝牙鼠标改型设计 .33 4.2 样件 3D 打印的意义 .46 4.3主流的 3D 打印技术 .46 4.3.1选择性激光烧结.46 4.3.2熔融沉积成型技术.47 4.3.3立体光刻造型技术.47 4.3.4叠层实体制造.47 4.4 FDM 3D 打印工艺及设备 .48 4.5 改型鼠标 3D 打印过程 .48 第五章 总结与展望 .51 5.1 论文主要研究重点及总结.51 5.2 展望.错误错误! !未定义书签。未定义书签。 致谢致谢.53 参考文献参考文献.54 1 基于逆向工程的蓝牙鼠标改型设计 第一章绪论第一章绪论 1.1课题背景课题背景 伴随着科技日新月异的进步，许多功能完备的新产品渐渐淘汰了旧 产品，随着现代工业的快速发展和生产生活对各种工业产品的需求越来越 专业化、细节化、产品更新换代的速度越来越快，在这样的时代下，逆向 工程在工业制造领域应用越来越广泛。逆向工程从既有的产品和技术出发， 不断地改进产品以适应社会需求的变化，极大的减少了产品的设计周期和 生产周期，提高了劳动效率，是工业发展进程中不得不重视的技术。 近几年，虽然我国经济高速发展，但仍处于发展中国家阶段，与发 达国家比，仍有不小的差距，尤其在科学及工业技术方面，我国企业不 仅面临着国内竞争者的压力，同时外国高新技术企业的垄断与封锁也同 样造成了很大的困扰。而逆向工程与快速成形技术作为一种能够简单、 快速学习、吸收、改进国外先进成熟科学技术的方法，现在已经得到了 国家的高度重视。 2 本文主要进行的是蓝牙鼠标的改型设计，对于蓝牙鼠标来说，鼠标 表面为许多曲面，通过传统的正向建模，实物测量数据后，很难构建出 三维模型，因此要通过逆向对研究对象进行三维模型重构，再导入 UG 中进行改型优化设计，最后进行 3D 打印，完成改型产品样品生产。 1.2 逆向工程技术与快速成形的基本概念逆向工程技术与快速成形的基本概念 1.2.1逆向工程技术逆向工程技术RE 逆向工程技术又称逆向技术、反求工程等，是利用计算机及各种软 件对于需要逆向的实物，进行数据获取、分析处理、模型重建等操作， 对产品的外观及结构进行反向重建，从而在此基础上，进行改型设计， 包括增加或改进产品本体属性功能，研发出进一步满足新的需求的产品。 其目的就时以最小成本（时间成本、人力成本、财务成本等）投入的原 则研发新产品，让企业创收利润最大化。逆向工程为前沿技术的引进和学 习提供了一个新的努力方向， 在一个企业中，逆向工程能够使其比其他 同类公司更快的开发出符合市场需求的产品，没有进步就是退步，企业 没有创新就没有竞争力，最终将会被淘汰。逆向工程的主要目的就是将 正向难以建模的现有成熟的产品转化为可以修改或改进的计算机数字化模 型。 1.2.2快速成形技术快速成形技术RP 产品的快速成形也称 3D 打印，是从 CAD 模型中快速获取产品实物 的一种方法，常用具有复杂外型曲面的产品中，与传统机械加工不同的 3 是传统机械加工都是通过对带有余量的毛坯进行层层加工最终得到所的 产品，而快速成形技术是通过将材料一层层的叠加得到的产品，传统机 械是减材方式而快速成形技术则是通过增材的方式进行加工。这种方法 在产品开发阶段尤为重要，使材料和人工都得到了充分的利用。 快速成型技术（RP）相比传统方法具有以下独特的优越性和特点： （1）产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造 (Free FormFabrication），这是传统方法无法比拟的。 （2）产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和单 件小批量零件的生产。 （3）由于采用非接触加工的方式，没有工具更换和磨损之类的问 题，可做到无人值守，无需机加工方面的专门知识就可操作。 （4）无切割、噪音和振动等，有利于环保。 （5）整个生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联，零件可大 可小，所见即所得，可随时修改，随时制造。 （6）与传统方法结合，可实现快速铸造，快速模具制造，小批量 零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。 4 1.3 逆向工程与快速成形的基本流程逆向工程与快速成形的基本流程 1.3.1逆向工程逆向工程 逆向工程系统主要由三部分组成: 产品实物几何外形的数字化、 CAD 模型重建、产品或模具制造。逆向工程中的关键技术是据采集、数 据处理、模型的重建。如图 1-1 所示。 (1) 数据采集：数据采集是逆向工程的第一步,其方法的得当直接 影响到是否能准确、快速、完整地获取实物的二维、三维几何数据, 影 响到重构的CAD 实体模型的质量, 并最终影响产品的质量。 (2) 数据处理：对于获取的一系列点数据在进行CAD 模型重建前, 必须进行格式转换、噪声滤除、平滑、对齐、归并、测头半径补偿和插 值补点等处理。 (3) 模型重建：将处理过的测量数据导入CAD系统, 依据前面创建 的曲线、曲面构建出原型的CAD 模型。 图 1-1 逆向工程流程图 5 1.3.2快速成形快速成形 快速成形流程基本上可分为 CAD 模型建立、生成 STL小平面体 文 件、快速成型机加工产品等三个主要步骤。快速成形流程图如图 1-2 所 示。 CAD 模型的建立:得到 CAD 模型的方法大致有两种，第一种是通过 逆向得到，由研究对象作为参考，通过计算机及相关设备，获取对象数 字信息（点云数据），然后逆向建模获得。另一种方法是正向建模，通 过直接使用设备或工具测量研究对象表面数据进行CAD 建模，一般适用 于外观造型简单、现有工具测量方便且模型精度要求不高的方式建模。 STL 文件：STL 是用三角形或多边形网格来表现模型的小平面体文件， 在逆向工程快速成型系统中用的较广的一种文件类型，因为文件易生成且 较为简单，所以是众多快速成型系统的标准应用格式。 快速成型加工产品：产品进行快速成型加工的装置主要有 3D 打印技 术、3DP 技术、FDM 熔融层积成型技术、SLA 立体平版印刷技术、SLS 6 选区激光烧结技术、UV 紫外线成型技术，各个技术所运用的原料和原理 有着差异，相对于传统制造业对毛坯进行减材从而得到产品，快速成形 则是通过对材料的堆积得到产品。 图 1-2 快速成形流程图 1.4 国内外研究现状国内外研究现状 1.4.1逆向工程的国内外研究现状逆向工程的国内外研究现状 逆向工程当前在提高产品质量与性能方面上占据了主导地位。其相关的软 件包括 ICEM 、Imageware、Geomagic Studio、 CopyCAD、RapidForm、CATIA、UG 等。对于本次对研究对象的处理，本题 选用的是Geomagic Studio、CATIA与UG。我国逆向工程在起步阶段较为不顺， 因为其生产出的产品误差较大，表面质量也很低，当时采用的是仿制的方 法，但随着科技的进步和人们的理论知识越来越丰富，人们认识了扫描， 这一方法使逆向产品的质量有了质的飞跃。虽然逆向工程技术如今已经趋 于成熟，但优点和缺点依旧并存，尤其对于复杂曲面来说建模是一个比较 费时费力的工作，能否进行合理对前数据的优化处理，很大影响了建模效 率。 7 1.4.2快速成形的国内外研究现状快速成形的国内外研究现状 当今技术创新无疑占据着新产品研发主导地位，在这种情况下产品 的快速成形也被提到到了一个很高的发展层次。产品快速成形的基本手 段有快速原型制造技术、数字原型和虚拟原型技术等，这些技术为产品 的快速成形奠定了很好的基础。RE/RP 集成方法大致分为三种，基于 CAD 建模的 RE/RP 系统集成，这种方法是在 CAD 建模的基础上对产品进行 创新优化，应用较广；RE/RP 系统直接集成，这种方法是对研究对象扫 描得到数据直接生成 STL 文件，可以避免在 CAD 建模中出现的很多问 题；基于测量数据直接切片的 RE/RP 系统直接集成,这种方法不能对对象 进行改型和设计，有较大的局限性，常用于对研究对象的缩放和复制。 在进行产品创新设计过程中计算机辅助技术提供了强有力的支持，使其 得到了很好的发展。 1.5 本文的研究对象和研究意义本文的研究对象和研究意义 本课题以具有复杂曲面的鼠标为研究对象，运用 Geomagic Studio 与CATIA进行逆向建模，从而得到很难正向建模的复杂曲面，然后通过 在UG中进行改型和优化，最后进行 3D 打印从而得到新产品。利用 8 UG 实体建模进行改型，使原有产品在外观赏性、使用舒适性及产品多样化 性有一定的改进，从而使产品更加具有市场竞争力。 第二章蓝牙鼠标外型数字化第二章蓝牙鼠标外型数字化 2.1 数字化的基本概念数字化的基本概念 产品的数字化是一种依靠计算机及外接设备技术支撑的转换过程， 它将许多复杂不可以轻易人工表达的信息转换成可测量的数据，然后通 过相关设备进行数字模型建立。在传统制造业不发达时，人们进行的产 品设计基本上靠手工来完成，其中制造实物与理论模型的信息交流只能 依靠二维图，改图和修图非常不便，而计算机数字化就很好的解决了这 个问题，它们将产品的外型结构等方面的相关参数通过计算机辅助装置 并利用三维坐标的点来表达出来，为后续建模和修改提供了很大的便利。 2.2 主要的数字化方法主要的数字化方法 通常获取数据的基本设备有三坐标测量机（CTT） 、工业 CT、三维 数字化扫描仪、激光扫描测量仪等，这些装置获取数据的方式各有不同 各有优缺点，通过这些设备可以获得研究对象表面的三维坐标值，测量 方法的分类如图 2-1 所示。 9 图 2-1 主要测量方法 2.2.1三维坐标测量机三维坐标测量机 三坐标测量机（CTT）一般由以下几个部分组成X、Y、Z 三轴、测头 系统、电气控制硬件系统、数据处理软件系统。CTT 按测量方式可分为接 触和非接触以及接触和非接触并用式测量，通过软件对点进行采集， 从而 得到数据点的三维坐标，三维测量机虽然测量精度高，但测量速度和效 率等方面略显不足。 2.2.2工业工业 CT 工业CT 能在对测量物体没有损伤的条件下，很直观的将物体表现出 来。依据辐射在被检测物体中的减弱和吸收特性来得到物体的图像，测 量的结果同物质对辐射的吸收本领有关，一般利用放射性核素或其他辐 射源发出的 X、Y 射线，通过观察被测物体中射线的衰退规律和分布情 况从而得到物体的详细信息，最后利用计算机信息处理和图像重现技术 来获得所需的数字信息，一般适用于对表面复杂的对象测量，但测量精 度较低。 10 2.2.3三维数字化扫描仪三维数字化扫描仪 三维数字化扫描仪是一种可以用来对已存在物体进行构外貌分析的 一种装置，测量得到的数据进行三维重构。三维数字化扫描仪可分为接 触式和非接触式，接触式是通过接触对象进行测量，得到的数据比较准 确；非接触式则是通过将能量投射到研究对象中，通过能量反射的时间 来得到研究对象的三维信息。三维扫描仪和相机一样，他们测量的范围 是有限的，而不同的是，相机主要扫描提取的是色彩信息而三维数字化 扫描仪则是提取的距离信息。因为三维扫描仪测量范围是有限的，所以 在进行测量时需要变换装备于测量对象的相对位置，然后通过计算机辅 助系统将多次的扫描结果拼凑成完整的模型。 2.2.4三维激光扫描测量仪三维激光扫描测量仪 三维激光扫描测量仪能够将很好的将景物给复制出来，相对于单点 测量，三维激光扫描有了质的飞跃。能够更快更加准确地还原物体本身， 被广泛应用于各种行业。激光扫描测量仪通过光电变换将这光信号变成 电信号，再经过电子学系统和微机实时处理，就可得到测量结果。激光 扫描测量仪能够完整的测量复杂零件，精度较好。 2.3 本文采用的测量设备本文采用的测量设备 本文采用获取研究对象数字信息的设备为 ATOS 扫描设备。ATOS 扫描设备主要由 ATOS 光学数字化仪、软件系统、高级图像处理计 11 算机系统组成，ATOS 光学数字化仪含光源投影单元和两个 80 万像素 的 CCD 相机、一组镜头和一副十字架以及驱动测量头工作的控制器。 ATOS 采用的是非接触光扫描，可以弥补接触式扫描接触不到的或者 易于损伤的物体扫描的一个弊端，能够在很短的时间内使用户获得所需 要的数据，大大缩短生产新产品所耗费的时间。与其他普通扫描装备不 同的是 ATOS 三维扫描仪得到的是被测对象所有表面的三维坐标信息， 广泛的应用于模具设计、逆向工程、文物复制与修复、医学研究等多个 领域。 ATOS 扫描仪由光源（卤素灯）产生编码光栅，光栅投影到被测物 体表面产生一系列图像，这些图像被相机拍摄，通过处理这些图像，计 算得到被测对象表面的坐标。图 2-2 为 ATOS 光学系统构成组件。 图 2-2ATOS 光学系统构成组件 ATOS 扫描仪相对于普通测量仪器，具有较高的测量精度；可以在很 短时间内得到被测对象的三维坐标值，效率很高；适用于对大而重的物 体扫描，硬件设备占地少，制约因素少；相对于其他扫描设备来说， 其上手很快，操作不繁琐，被广泛的应用。 12 2.4 鼠标数字化信息获取的过程鼠标数字化信息获取的过程 首先第一步要做的是将研究对象表面清洁干净，这样能够避免鼠标 外面粘带的物质影响测量数据，完成后在研究对象表面要喷一层显像剂， 显像剂的量不能太多也不能太少，大多会使测量误差变大大少则可能会 导致某些位置测量不出数据。处理前后结果对照如图 2-3 所示。 图 2-3 包装瓶处理对照图 完成第一步工作之后，对研究对象进行贴点，之后用 ATOS 型扫 描设备进行在各个面进行扫描，最终获得鼠标的外型的数字化信息， 获取数据过程如图 2-4 所示，鼠标数据图如图 2-5 所示。 图 2-4 获取数据过程图图 2-5 鼠标数据图 13 第三章蓝牙鼠标点云的预处理和三维模型重构第三章蓝牙鼠标点云的预处理和三维模型重构 3 3. .1 1点云的预处理点云的预处理 3.1.1 点云的预处理概述点云的预处理概述 Geomagic Studio 是Geomagic公司的一款逆向软件产品，可根据任何实 物零部件通过扫描点点云自动生成准确的数字模型。作为自动化逆向工程 软件，Geomagic Studio 还为新兴应用提供了理想的选择，如定制设备大批 量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动重造。Geomagic Studio可以作为CAD、CAE和CAM工具提供完美补充，它可以输出行业标准格 式，包括STL、IGES、STEP和CAD等众多文件格式 首先将由 ATOS 型扫描设备获取的鼠标点云数据存储为IGES文件， 导入到Geomagic Studio软件中，由于ATOS设备扫描会得到非常多的点云数 据，而这些数据并非都是重构所需要的，有些数据还会对模型重构造成 影响，给后续进行曲线构建和曲面构建带来困难。首先进行噪点删除及 体外孤点删除工作，将不需要的点进行删除。调整鼠标点云的位置和方 向使其方便进行模型重构。点云的预处理就是在进行点云处理以及后面 曲面重构的一个关键步骤，决定了后续工作的难易度和准确度。 14 3.1.2数据处理数据处理 ATOS 扫描设备获取点云的数字信息过程中，都会或多或少的出现测 量的误差，有时因为研究对象的外型特征以及测量设备的局限性会出现测 量的缺口。这些点称为异常点，直接影响后面的模型重构，因此需要采用 噪点删除、数据平滑等一系列操作进行处理点云，为后续进行曲面操作 做准备。在包装瓶扫描结束后，通过对点云的分析需要进行一些预处理， 首先包装瓶下面板凳和瓶口的点云数据都不是重构所需要的， 需要对其进 行噪点删除；包装瓶曲面较多且有些曲面的曲率变化并不是那么明显，为 了使提取到的特征更加准确一些，需要进行数据平滑处理； 由于 ATOS 设备在扫描后会产生大量的数据点，但在进行逆向重构的时候也不需要那 么多，为了提高效率和减小软件工作压力，需要对其进行数据精简；在 得到点云之后，把柄的下方有较大部分的数据缺失，这个给重构带来了 很大的困难，运用数据插补来对这部分进行补充；对于包装瓶根据曲率的 变化，需要对其进行数据分块，从而使能够更加准确、快速的完成模型重构。 3.1.3 噪点删除噪点删除 在研究对象数据点云的获取中，噪点删除是一个难点，这个过程中 会不可避免的受到外界的干扰，从而产生噪点。本文采用的是光学测量 设备，噪声产生的原因主要为镜面反射，可能会造成数据的局部失真。 在非接触扫描在噪点的产生是必然的，这些点都是不需要的，要对其进 15 行删除处理。在扫描获得点云后，包装瓶下的凳子以及包装瓶瓶口都不 是建模所需要的，所以利用圈选点将其删除，除了这些不需要的点外， 还有一些点与周围点偏差较大，称之为“跳点”。常用剔除方法为曲线 检查法、直观检查法、弦高差法，首先要把这些影响的点进行剔除，从 而避免影响后期建模。 3.1.4数据平滑数据平滑 在实际获得研究对象测量数据时会或多或少的引入测量噪声点，为 了降低这些噪声点对三维模型重构的影响，需要对其进行滤波处理。数 据平滑的目的是为了得到比较精确的特征提取效果，应保持参数不变。 一般采用标准高斯、平均或中值滤波算法。标准高斯相对于其他两种算 法，效果作用较小，能够很好的保持原有的点云数据；中值滤波算法对 于消除毛刺的效果较好；平均滤波算法得到的值为各数据点的统计平均 值。人机交换是通过对明显的噪点进行删除，这种方法简单、实用应用 较为广泛。在进行平滑处理的时候，还要同时保证两组数据偏差不能过 大，所以在进行算法选择的时候要根据获得点云的质量来合理选择算法。 3.1.5数据精简数据精简 经过扫描获得的点云数据，点云数量过多，在储存和处理方面都有 一定的困难，同时会消耗大量的时间和计算机资源，在导入软件时也可 能会使反应迟钝或者导入失败。事实上，在重构模型的时候不是将所有 16 的点云数据都用于重构，因此在保持一定精度的条件下可以对数据进行 精简。物体点云形状差异较大，因此选择的精减方式也会有所不同。等 间距等量缩减法适用于扫描线点云和多边形点云，是通过指定两点间的 距离，当两点间距离小于指定距离时就把其中一个点删掉；等分布密度 法适用于网格化点云；散乱的点云可通过随机采样进行精简。 3.1.6数据插补数据插补 由于测量装置和被测物体的形状以及人工操作方法的影响，会使被 测物体的表面部分数据没有被采集到，进而导致了数据的缺失。这种情 况给后续模型的重构带来了很大的困难，数据插补可以较高程度地去弥 补这个空白。数据插补的主要方法有实物填充法、曲线曲面插值补充法、造 型设计法等。实物填充法就是将物体的边边角角用材料进行补充从而使 表面完整，结束后取出材料来确定边界；造型设计法是利用物体几何特 征来设计曲面，进而得到缺失部分测量点；曲线曲面是利用几何特征拟 合出曲线和曲面，适用于缺失面积不大的场合。 3.1.7点云分块点云分块 对于产品来说只有一个曲面构成的情况很少，往往都是由多个曲面 构成，基于这个情况点云分块就成为模型重构前的一个重要操作步骤。 将同一个曲面类型的数据分组，将整个点云划分为各个不同类型的曲面 数字域，这就是点云分块。本文研究对象为一个对称物体，但半面也是 17 由多个曲面组成。在进行实际操作中，精准的获得边界线是非常困难的， 因为靠近边界的点一般都是不可靠的。数据分块建造的曲面在控制点的 排列方面趋势要基本保持一致，这样在后续的光顺处理就会减少很多麻 烦。点云分块要尽可能地恰当，点云分块的好坏直接影响了曲面的构造 与缝合。恰当的分块可以减少三维曲面重构工作和得到高品质的曲面。 3.23.2 三维模型逆向重构三维模型逆向重构 3.2.1概述概述 在模型重构过程中利用相交、倒圆等手段将各个曲面进行缝合起来， 分块是应尽量减少曲面的数量，进而满足模型光顺方面的要求。点云分 块的是否恰当直接影响到了后面模型重建的难度以及成品的质量。 逆向工程究其根本就是进行三维模型的重构，有了重构得到的三维 模型就能够实现产品的快速成形，三维模型重构是整个工作中最复杂最 重要的一部分。 三维模型重构有两种基本的实现方法，第一种是由生成的点云数据 直接自动拟合成曲面，在经过曲面的缝合、倒角等一系列操作完成模型 重构； 第二种方法是利用所获得被测对象点云数据拟合呈线，再由线构 面，最后通过曲面的拼接、缝合等操作完成三维模型的重构。 3.2.2曲面重构的基本理论曲面重构的基本理论 曲面重构是逆向工程的目的与核心，是最关键的一部分。研究对象 18 由形状不同的几个子平面组成，因此不能够用一个面完成重构，需要多 种方法对研究对象表面进行重构。在将各个区域面拟合完成之后，通过 延伸、裁剪等曲面操作，将各个区域面平滑的连接起来，得到完整的曲 面构型。对于曲面重构质量有两个评价标准，一个是精度一个是光顺性， 根据零件的要求不同从而选取更适合的方法进行重构。曲面拟合算法是曲 面重构的一个关键所在，曲面拟合的算法大体上有三种，Bezier 曲面为 基础的曲面拟合、以三角 Bezier 曲面为基础的曲面拟合、以三角平面 片为基础的多面体等，对于具有复杂曲面的研究对象通常采用三角 Bezier 曲面为基础的曲面拟合，因为它具有灵活、适应性好的特点， 以 Bezier曲面为基础的曲面拟合能够使曲面更加平滑，构造出的对象更 是生动， 但在更改的方面有着限制，合理的运用曲面拟合算法也能使模 型重构更加准确。 19 3.2.3曲面重构的基本路线曲面重构的基本路线 在设计过程中由点云构成曲线，在曲线的基础上构建曲面，最后通 过曲面编辑在完成研究对象的重构。曲面重构的基本路线如图 3-1 所示。 图 3-1 曲面重构的基本路线 3.33.3蓝牙鼠标点云处理和逆向建模实验过程蓝牙鼠标点云处理和逆向建模实验过程 3.3.1整体思路概述整体思路概述 依据对蓝牙鼠标点云的分析，可以初步得到一个反求思路。 （1）本文研究蓝牙鼠标为对称件，因此在模型重构是只需要建立一 半的曲面，然后进行镜像得到另一半。 （2）将扫描完的鼠标点云文件导入到Geomagic中，进行点云文件预 处理，优化成最佳状态，导出小平面体STL文件。 （3）将上述STL文件导入到CATIA-V5R2017中，进入Digitized Shape Editor模块，作出多条截面线，将截面曲线调光顺，然后根据曲线作出光 顺曲面，完成表面造型建模。 20 3.3.2点云数据的处理点云数据的处理 1.将原始的鼠标点云文件导入到Geomagic中，对整个点云进行修补 操作，其中修补操作中，有主要有网格医生、简化、裁剪、雕刻等命令， 而简化主要是为了减小点云数量，裁剪和雕刻主要是为了修补点云特殊 特征，而网格医生命令主要是对点云整体自动修复，包含了所有命令特 征，故点击网格医生命令，初步对整个点云进行先行自动修复，去除尖 点（删除突出的硬点）、去除自相交（删除相互相交的硬点面）、去除 尖状物（删除突出的硬点团）等，如图 3-2 所示。 图 3-2 鼠标（含桌面）点云 2.删除其它不相干点云数据，保留鼠标点云数据，如图3-3所示。 图 3-3 鼠标点云 21 3.对点云表面进行平滑处理，其中相关的命令主要有，松弛（最大限度 的减少单独多边形之间的角度）、删除钉状物（检测并展平多边形网格上的 单点尖峰）、减少噪音（将点移至统计的正确位置以弥补噪音（如扫描仪误 差）、快速平滑处理（使多边形网格更平滑并使三角形的大小一致）等，由 于点云表面已经无凸起尖峰，故先使用松弛命令，最大限度减少单独多边形 之间的角度，使多边形网格更平滑，点云数据表面更光顺，如图3-4所示。 图 3-4 松弛多边形 4.对点云进行降噪处理，使用减少噪音命令，尽量减低扫满误差影响， 点云数据表面更光顺，如图3-5所示。 图 3-5 降噪处理 22 5.使用快速平滑处理命令，使三角形网格尽量保持一致，使点云数据表 面更光顺，如图3-5所示。 图 3-6 快速平滑处理 6.稀释点云处理，使用简化命令，将整个点云数据中的三角形数所占的 百分比降为80%，使整个文件更加轻量化，方便后续逆向建模，如图3-7所示。 图 3-7 快速平滑处理 3.3.3逆向建模过程逆向建模过程 3.3.2.13.3.2.1 CATIACATIA软件简介软件简介 由于本次逆向设计，是采用CATIA作为建模软件进行逆向，故这里对 23 CATIA做一些基本介绍。CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作 为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未 来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在 内的全部工业设计流程。模块化的CATIA系列产品旨在满足客户在产品开发 活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数 字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA产品基于开放式可扩展的V5架构。 通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA解决方案加快企 业对市场的需求的反应。自1999年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程， 从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。 CATIA系列产品已经在七大领域里成为首要的3D设计和模拟解决方案：汽车、 航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。尤 其是在逆向工程方面，功能强大。 3.3.2.23.3.2.2 鼠标逆向建模鼠标逆向建模 1.打开catiaV5-2017 ，进入digitized shape editor模块，将上述预 处理过的鼠标点云STL文件导入，如图 3-5 所示。 图 3-5鼠标点云 24 2.采用Planar Sections命令，根据建模需要，对鼠标STL文件打对应截 面线，尽量保持截面线间平行，且利于取先作面，如图3-6所示。 图 3-6鼠标点云 3.进入自由样式模块，隐藏原STL文件，并以上述小平面体截面线为基 准，作出对应光顺的、可编辑的样条线，如图3-7所示。 25 图 3-7鼠标点云 4.进入创成式外形设计模块，运用多截面曲面命令，根据所作的样条曲 线，作出最拟合鼠标点云的大面，如图3-8所示。 图 3-8鼠标点云 5.将不拟合的曲面裁剪掉，通过桥接曲面、控制点及多截面曲面命令将 大面调拟合，并且保证面与面之间的连续性至少达到G1相切连续，如图3-9 26 所示。 图 3-9鼠标点云 6.根据STL截面，作两侧大面的构造线，如图3-10所示。 图3-10大面构造线 7.根据两侧大面构造线，运用多截面曲面、桥接曲面及控制点命令， 作出左侧大面，并保证曲面表面光顺性达到G1连续，如图3-11所示 如图3-11左侧大面 27 8.同样根据尾侧截面线构造样条线，运用多截面曲面及控制点命令， 作出尾侧大面，并保证曲面光顺，拟合效果最佳。如图3-12所示 如图3-12尾侧面调整 9.同样根据前端截面线构造样条线，运用多截面曲面及控制点命令， 作出前侧大面，并保证曲面光顺，拟合效果最佳。如图3-13所示 如图3-13前侧大面 10.使用分割命令，修剪各个方向的大面。如图3-14所示 28 如图3-14修剪大面 11.将上述修剪后的大面，使用结合命令，结合在一起，并对侧面 交接位置进行倒圆角（R=19mm）操作，使导出的圆角面与点云数据达到 最佳拟合状态。如下图3-15与图3-16所示 如图3-15大面裁剪 如图3-16大面倒圆 12.作底面，如图3-17所示 29 如图3-17底面 13.裁剪底面，并采用结合命令，将整个鼠标外CAS面缝合在一起， 如图3-18所示 如图3-18底面完成状态 14.逐步作出鼠标中键相关细节，并结合实物特征，导出相关圆角， 优化相关细节，具体如图3-19、图3-20、图3-21所示 30 如图3-19细节一 如图3-20细节二 图3-21数模完成状态 31 15.对逆向设计作出的鼠标数模进行表面CAS面斑马纹分析，通过观 察发现，数模表面重要的相关大面之间斑马纹连接位置，都在同一个位 置，均满足G1连续性要求，具体如图3-22所示 图3-22CAS面表面分析 16对比点云与数模，对数模主要大面与点云之间进行拟合偏差分 析，具体如图3-23所示，最大正偏差为1.18mm，最大负偏差为0.608mm， 综合考虑整体数模偏差均小于1.2mm，满足实物制作要求。 32 图3-23拟合偏差分析 17.鼠标逆向造型最终数模状态与实物对比，如图3-24所示，外形 基本一致。 鼠标实物 逆向数模 图3-24实物与数模对比 33 第四章蓝牙鼠标的改型设计与第四章蓝牙鼠标的改型设计与3D3D打印打印 4.1 蓝牙鼠标改型设计蓝牙鼠标改型设计 逆向设计并不是简单把研究对象进行简单的复制，而是对产品进行 改进和创新。改型是在本来存在的产品上进行符合市场需求的、能够满 足消费者新需求的改进，从而使产品更加能够被消费者接受。本文对蓝 牙鼠标外形进行了改型，主要在外观上进行了增加功能以及增加舒适度 的改型，在左侧增加一个台子，使左侧大拇指能够放下；同时在鼠标按 键部位增加凸起点或条纹，来增加手指与鼠标间的摩擦力，使按键更有 力；此两项改进，使整个鼠标 人机工程实用性大大提高。本次改型设 计，在UG 环境下完成。 UG 是如今应用最广泛的三维造型软件之一，本文需要对逆向重构的 模型其进行外观的改型和优化，对曲面造型修改要求较高，UG相对于其 他软件的三维部