逆向工程及快速成型技術(shù)在手機(jī)外形設(shè)計(jì)的應(yīng)用

李超群　馬玲

摘? 要：隨著智能制造技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計(jì)逐步趨于智能化，快速化。使用三坐標(biāo)測(cè)量儀對(duì)iPhone6手機(jī)外形進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將經(jīng)過處理的點(diǎn)云進(jìn)行三維數(shù)據(jù)模型的重構(gòu)，生成三維實(shí)體的數(shù)學(xué)模型，通過3D打印機(jī)將數(shù)學(xué)模型實(shí)體化，完成了基于逆向工程技術(shù)與快速成型技術(shù)的手機(jī)模型的智能制造。

關(guān)鍵詞：智能制造;逆向工程;快速成型;數(shù)學(xué)模型

中圖分類號(hào)：TP391.7? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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

近年來，隨著智能制造的發(fā)展，逆向工程技術(shù)和快速成型技術(shù)在家電、交通工具、航天、醫(yī)療、通信、輕工業(yè)等領(lǐng)域的研究增多，但大多僅是其中一項(xiàng)技術(shù)的單獨(dú)運(yùn)用。從如圖1所示基于逆向工程和快速成型技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程可以看出，快速成型技術(shù)的支持使得逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)更趨完善，提高了產(chǎn)品創(chuàng)新的效率，必將成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展方向[1]。本文以手機(jī)外形重建為例，探索兩者結(jié)合使用的可行性，為其在工業(yè)發(fā)展上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

本文通過對(duì)iPhone6手機(jī)外形的數(shù)學(xué)模型重建及實(shí)體模型的加工制造，將逆向工程技術(shù)和快速制造技術(shù)結(jié)合起來，完整地展示了針對(duì)手機(jī)進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)的思路和流程，為二者在其他工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性奠定了基礎(chǔ)。

2 基于逆向工程技術(shù)的iPhone6手機(jī)外形重構(gòu)

手機(jī)行業(yè)競爭日益激烈，手機(jī)外觀作為一項(xiàng)關(guān)鍵因素，能夠借助逆向工程技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)，高效率地完成手機(jī)外觀開發(fā)工作，將實(shí)現(xiàn)企業(yè)面對(duì)行業(yè)市場復(fù)雜多面的市場需求進(jìn)行即時(shí)響應(yīng)?？紤]到后期的模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工、快速成型制造、產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)等領(lǐng)域都需要CAD數(shù)學(xué)模型的支持，因此手機(jī)外形重構(gòu)大大影響到其實(shí)體模型的精度。

2.1 采集實(shí)體三維數(shù)據(jù)

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有對(duì)連續(xù)曲面進(jìn)行掃描來制備數(shù)控加工程序的功能，因此，本文選擇三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量iPhone6手機(jī)模型數(shù)據(jù)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的主要機(jī)構(gòu)如圖2所示，包括主機(jī)、CNC裝置，測(cè)頭、伺服系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等部分組成。

測(cè)量步驟如下：將iPhone6手機(jī)模型定位到工作臺(tái)上，當(dāng)測(cè)桿測(cè)頭接觸模型時(shí)，測(cè)頭內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，并通過發(fā)信臂內(nèi)的電磁耦合器將此信號(hào)傳遞給接受信號(hào)的模塊，隨后進(jìn)入控制器。信號(hào)進(jìn)入控制器后，經(jīng)整形由相應(yīng)的接口傳到數(shù)控系統(tǒng)的指令端，向機(jī)床發(fā)出終止移動(dòng)指令，從而使測(cè)桿測(cè)頭接觸模型瞬間的坐標(biāo)位置被觸發(fā)信號(hào)“封鎖”，并進(jìn)行運(yùn)算處理，同時(shí)測(cè)量機(jī)進(jìn)入下一個(gè)程序段。重復(fù)上述測(cè)量過程，便可自動(dòng)完成所需坐標(biāo)數(shù)據(jù)的測(cè)量。將采取到點(diǎn)（三維坐標(biāo)）組成如圖3所示點(diǎn)云，將其傳輸?shù)近c(diǎn)云處理軟件進(jìn)行下一步的處理。

2.2 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理

逆向工程其中重要的一項(xiàng)技術(shù)環(huán)節(jié)是測(cè)量數(shù)據(jù)的后處理，它決定著后續(xù)模型重建過程能否方便、準(zhǔn)確地進(jìn)行。一般選擇IGES格式作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式。數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容包括：增加補(bǔ)償點(diǎn)、去除噪聲點(diǎn)、精化數(shù)據(jù)點(diǎn)、加密數(shù)據(jù)點(diǎn)、變換坐標(biāo)、數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出[2-3]。

在所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，選取一部分?jǐn)?shù)據(jù)為固定，其余部分為浮動(dòng)，分批通過點(diǎn)的全局注冊(cè)將其合并起來。對(duì)兩個(gè)或更多粗配準(zhǔn)的點(diǎn)對(duì)象或多邊形的配準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)化，將生成的點(diǎn)云誤差控制在（±0.1）mm，最后將所有點(diǎn)合并到一個(gè)公共的坐標(biāo)系下，減少噪聲、簡化數(shù)據(jù)、封裝，從而得到一個(gè)完整的點(diǎn)云[4]。最后使用數(shù)據(jù)軟件處理傳輸過來的點(diǎn)云傳輸?shù)饺S建模軟件上進(jìn)行下一步驟。

2.3 iPhone6手機(jī)外形數(shù)學(xué)模型重建

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)來源和造型方式，認(rèn)為iPhone6手機(jī)外形的幾何特征復(fù)雜型不高，難度不大，采用UG軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合成曲線，再通過將曲線經(jīng)拉伸、倒圓角等方法轉(zhuǎn)化為曲面，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為CAD三維模型，生成如圖4所示的iPhone6手機(jī)數(shù)學(xué)實(shí)體模型。

3 基于3D打印技術(shù)的iPhone6手機(jī)外形快速成型

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)的快速成型技術(shù)，運(yùn)用粉末狀金屬、塑料、陶瓷等可粘合材料，通過逐層打印方式構(gòu)造零件的技術(shù)[5]。得到iPhone6手機(jī)外形數(shù)學(xué)模型后，即可憑借快速成型技術(shù)完成實(shí)體模型的充制，本文選用的模型快速成型設(shè)備是如圖5所示的3D打印機(jī)。