基于逆向工程与快速成型技术的产品设计

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随着经济与科技的发展，用户对产品的要求越来越高，除了要求能满足正常的功能，还对产品的外观提出了新颖性和个性化的要求，因此许多产品就需要有着较为美观的异性曲面，包括机械、电子、日用等产品。为了缩短新产品开发周期，降低产品的研制开发成本，常常采用逆向工程技术与快速成型技术来完成产品的快速数字建模。逆向工程技术是对已有先进产品进行分析、改进或发展创造新产品的-种产品开发方法，也是将三维物理实体几何信息数字化-系列技术手段的总称§速成型技术是将三维CAD模型迅速转化为实物模型。这项技术是从 已有的先进产 品出发 ，经过精密测量，三维重构，再现其形状结构特征并获得所有制造加工数据，然后或经过柔性制造系统输出产品，或经过快速原型制造做 出样品原型，加 以修 改后再进入柔性制造系统。逆向工程信息流如图1所示 。

下面以小龙人玩具为设计对象，介绍其逆向工程技术与快速成型技术的设计方法。

2.数据的提取产 品的逆向设计 过程 中对 产 品的三维数据采集尤为重要，采集的数据对后期的数据处理有着至关重要的影响，常用的数据提取的方法有三角形法、结构光学法、激光干涉法、计算机视图法、CT测量法 、MRI测量法、层切法 、超声波法、接触式坐标测量法等。

在此，我们采用激光扫描设备对小龙人产品进行数据采集。激光三维扫描仪是利用激光光刀对物体表面进行扫描；由光电耦合摄像机(Charge-coupled Device，简称CCD)采集被测表面的光刀曲线，得到光信号 ，通过光电传感器把采集到 的光信号转化成电位差信号，通过处理电路将电位差信号转化成类比的影像信号，最后通过取像卡，把类比的影像信号转换成计算机像素数据，即点云数据。使用激光三维扫描仪对小龙人模型的拍摄步骤如下：①打开3D ScanWizard软件进行系统设置；②启动光栅发射器；③系统标定计算；④立体在产品数据提取步骤中，尤为关键的是系统标定计算和立体拍摄这两个步骤。

在系统标定计算过程 中，主要是建立起拍摄坐标并设置零点，通过调整相机的不同角度进行6次空拍摄获取零点的6个标定数据。立体拍摄过程中主要是对小龙人模型的各个不同角度进行拍摄以获取每个面的数据，而在变换模型位置，注意保证与前面拍摄位置至少有4个公共标识点，以便于数据 的拼接。

3.数据的处理由激 光三维扫 描仪获 取的小龙 人模型为点云数据，该点云数据较为庞大，而处理该数据就是从中识别和抽取原有的几何特征信息。在此，使用Geomagic软件对小龙人点云数据进行处理。是美 国杰魔软件公司推出的逆向软件，该软件是 目前对点云处理及三维曲面构建最强大的软件，从点云处理到三维曲面重建 的时间通常是其他软件的三分之-。数据处理遵循点阶段-多边形阶段-成型阶段三个密不可分的阶段作业流程，可以轻易地从点云创建出完美的多边形模型和样条四边形网格，并可自动转换成NURBS曲面，建模效率非常高 。新增的Fashion拈可 以通过定义曲面特征类型来捕获物理原型的原始设计意图，并拟合成准CAD曲面。

3.1点阶段小龙人点云数据中含有比较多的离散点，这些点通常都是远离我们的主点云并且并不参与我们想要的任何几何形状的表达。而这些点的产生通常是因为我们在扫描过程中无意中从背景中取得的，比如是工程台、房间的墙壁或是工件的支撑架等等♂合以下方法可以去除特征：①用选择工具手动移除游离点；②对于比较靠近主云点的非主云点，可 以设置非连接项的 尺寸”数值来选择删除，该尺寸”可设置为5.0；③对于还残留的体外游离点，可以体外孤点的 敏感性”为85左右来删除；④在扫描过程中，由于扫描设备轻微震动、扫描校准不精确或被扫描物体表面准备处理不好等原因，有可能将-些噪声点引入数据中，表现为曲面对象粗糙、不均匀。为了减少这些噪音点，可以使用减少噪声。具体操作为：从模型曲面重构 L-- 模型检测 I--L模型3D打印图1逆向工程信息流程Points(点)菜单中选择ReduceNois(减少噪音)或者直接点击图标进入减少噪音选项页。选择Free-form shapes(自由曲面形状))如果模型有很多锐边或者小细节需要保留，可选择Pri smatic shapes(棱柱形))，并切拖动Smoothness Level(光滑程度)动条到中间位置，Iterations(插值)设为3便可，然后 点确定就可以进行减少噪音的过程，系统会自动利用噪音点进行平均化以得到更光滑的表面；⑤通过统-采样设置点间距为0.6来减少点云数据；⑥封装数据：通过设置目标三角形数目把小龙人点云模型转化为多边形模型。

3.2多边形阶段对于多边形阶段，主要是对整个小龙人模型的缺 口进行补修，并得到更光滑的面♂合以下方法：①利用填充孔功能可在缺失数据的区域里来创建-个基于曲率的填充 (curvature-based fi U ing)或-个平面填充 (flat fi l1)，把小龙人多边形多边形模型的孔进行填充；②通过打磨工具对小龙人模型表面凹凸不平的地方进行光滑修复；③通过去除特征对模型的肿块和压痕；④通过简化多边形来减少小龙人模型的三角片数量。

3.3成型阶段成型 阶段 即 曲面 阶段 ，主要 是把小龙人多边形模型转化为曲面模型，并输出常用的三维模型编辑格式，以便使用别的软件进行下-步的编辑。曲面阶段可以通过以下几个步骤来完成：①通过修复相交区域来检测是否存在相交的区域；②探测图2小龙人成品电子世界 -119-I .鳗 廑 - 基于拈化的嵌入式软件设计研究洛阳电光设备研究所 李鹏飞摘要嵌入式软件多采用c语言编写。文章提出了-种c语言拈化编程的实现方法，并详细描述该技术实现的细节。使用这种拈化编程的方法，可以用c语言编写出带有c语言部分面向对象特征的软件拈。采用这种方法编写的代码具有很高的重复利用率，而且更利于修改和维护。

关键词嵌入式软件；拈化-、 嵌入式软件编程语言嵌入式软件通常采用汇编、c语言、c十语言进行编写。从三种语言执行效率上进行比较则汇编最高、c语言次之、c语言最慢 ，从三种语 言拈化编程的难易程度上进行比较则c十语言最好、c语言次之、汇编最差，在大多数情况下，嵌入式软件多采用C语言进行编写，原因如下：1.c语言是面向过程的高级语言，代码移植性和可读性远高于汇编；2.大多数嵌入式软件开发环境都提供汇编和c语言编译器，而c语言编译器有可能不提供；3.三种语言相 比c语言学习起来较容易。

由于嵌入 式软件多采用c语 言编写 ，因此本文着重讲述如何用c语言进行拈化编程。

二、软件拈化设计概述面对越来越复杂的软件开发任务，人们提出了各种软件设计的模型。从用户需求和系统要实现的任务功能出发，把大型的软件划分为相对较小的拈。拈化设计 的核心是拈的独立性 (即高 内聚 ，低偶合)，主要包括功能独立性和结构独立性，这使得软件开发的分工易于实现。

拈化设计有如下优点：1.提高代码重复利用率；2.方便修改和维护；3.便于调试排错 ：4.易于扩展。

软件设计的拈化降低 了设计开发的复杂度并使设计步骤清晰，也有利于提高软件健壮性、灵活性、可复用性等▲行拈化软件设计时应综合考虑拈的可分解性、可结合性、可理解性、连续性及模块保护几方面的要求。

拈的可分解性要求把-个大的、复杂的问题分解为-些小的、简单的问题，通过解决各个小问题来解决大问题；拈的可结合性要求不同时期、不同项目、不同环境下设计的拈应能自由地结合在-起构成新的系统；拈的可理解性要求通过某种方法设计的每个拈不需要参考相邻的拈就能被人看懂；拈的连续性要求通过某种方法设计出的拈，在需求发生变化时只影响-个或少数几个拈；模块保护则要求通过某种方法设计出的模块，在运行期间发生的错误被限制在这个拈内部或仅仅传播到少数几个摸块。

拈化设计时应将上述要求有机地结合起来。在保证正确性和健壮性的基础上，应旧能提高软件的可扩充性和可复用性。

三、使用c语言进行拈化代码编写通过拈化所实现的软件是由被加工的对象及其在该对象上所实现的有关功能构成。在开发软件的过程中，-般采用两种方法：其-是把重点放在功能的实现上，其二是把重点放在对象上。基于功能的软件开发方法中，其功能实现中考虑的过程 ”和 操作 ”是多变和不稳定的，程序结构围绕事先确定好的功能，使得功能的扩充、删除及修改变得相当困难。这样的软件结构脆弱、功能集中、耦合度大，很难满足可扩充性、可维护性的要求，软件的重用性也差。

面向对象的程序设计中考虑的 对象”和 数据结构”是相对稳定的。尽管功能是千变万化的，但-个问题空间中的对象-般总能保持其相对稳定不变性，这样围绕对象构造的软件系统也自然会有好的稳定性。面向对象方法把属性和服务封装在对象中，当外部功能发生变化时，这种封装可以保持对象结构的相对稳定，使得改动仅局限在-个对象内部，减小了因改动引起的系统波动效应，因此，面向对象方法开发的软件具有易于扩充、修改和维护的特性。另外，面向对象方法具有的继承性和封装性也支持软件重用，并且易于扩充，能较好地适应复杂大系统不断发展和变化的要求。

c拥有面向对象的特性，因此使用c语言可以方便、轻松的完成软件拈化设计。

C语言是面向过程的语言，不具备CT语言面 向对 象的优势 ，拈化编程 不像c实现起来那么容易，但是通过C语言的高级应用还是可以实现的。使用c语言来实现c语言面向对象特征，通过举例对比的方式描述具体实现过程，详细如下：c定义-个对象是通过 类”，类封装了-个对象所用到的数据和方法，c语言中没有类但是有 结构体”，c语言中可以使用-个 结构体”来定义-个对象。例如实现-个-阶数字低通滤波器模轮廓线：设置 曲率敏感性”为70.0，设置 分隔符敏感度”为4O，设置 最小区域”为7i.31，敏感性”为50，即可根据模型的形状描绘轮廓线；③通过构造曲面片，把模型划分为多个小曲面片；④对轮廓线进行 升级/约束 ”，分隔轮廓线与各曲面片：⑤定义划分曲面片：通过添加/删除2条路径等来编辑轮廓线区域；⑤通过编辑曲面片移动模型上的顶点，从而调整各个曲面的平滑度；⑥定义曲面细节总数：构造模型格栅，细分各曲面；⑦最后把模型拟合成NURBS曲面；⑨把文件保存为STL格式，以便在别的软件可以继续编辑。

对于小龙人模型的数据处理，已从点云阶段转化成曲面阶段，提取了大部分的曲面几何特征信息，转化成我们都熟悉的- 120- 屯子世再几何特性，再次基础上还可以对小龙人模型进行改造，创新。

4.数据输出获取小龙人模型常用格式文件后，需要对小龙人进行加工制造成成品，在此，我 们采用FDM快速 成型机 设备加 工小龙人。FDM快速成型，丝状材料选择性熔覆(Fused Deposition Manufacturing，简称FDM)，又称熔融沉积造型。FDM工作原理：①丝状热塑性材料材料由供丝机构送进喷头，在喷头中加热到熔融态；②熔融态的丝状材料被挤压出来，按照计算机给出的截面轮廓信息，随加热喷头的运动，选择性地涂覆在工作台的制件基座上，并快速冷却固化；③-层完成后工作台下降- 个层高，再进行下-层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。在快速成型过程中，关键是对分层参数的设置，分层参数影响着产品最终的加工质量。在经过四小时的三维打芋，小龙人成品在设备的工作室 中己完成，如图2所示。

5.结束语通过以上实验，结合逆 向工程技术与快速成型技术可以加速产品设计周期，缩短制造产品的时间，便于对产品的创新修改，大大降低了产品的成本，提高产品制造效率。