唐锋易杰

（湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 410208）

0 引言

在产品的设计过程中，运用逆向方法把已有产品数字化后的点云数据和已有CAD模型拼合后进行分析比较，由分析信息直接对已有的数字化模型参数进行修改，快速得到新产品的数字化模型。头盔主体曲面是一个复杂的设计过程，这是一部分零部件使用正向设计的建模方法，另一部分使用逆向设计的建模方法是解决复杂设计的有效途径。

1 消防头盔的零部件的逆向确认方案

1.1 模型的整体性分析

消防头盔实物如图1所示。

图1 消防头盔实物观测图

模型的形状比较复杂，零部件很多，各个装配的位置也需要很大的讲究。头盔外形面是一个光滑圆弧面，两侧的零件固定住了前挡风面罩，挡风面罩是一个半圆弧状的透明塑料制作而成，表面不耐腐蚀，内部的非接触的装配零部件居多。在进行逆向前先要把模型内的零部件进行标记，并具体分析采用哪种方式进行逆向，因零部件较多，只列出部分。

1.2 零部件分析

部分零部件的细部特征很多，有很多的尺寸都是1mm的尺寸位置，考虑到所用扫描仪的精度，扫描不出来一些细微的特征地方，所以决定用游标卡尺正向建模的方法逆向，只要保证所建模的模型互相之间能相互配合。

消防头盔侧部零件与消防头盔主体的两侧相互配合，所以用游标卡尺测不出配合面的弧度尺寸，必须要用扫描的点元逆向，且精度要控制在误差内。

消防头盔挡风面罩和其他零件是相配合的，面与面之间要没有缝隙，而其大面是一个外观面，需要用扫描的点元做到G2连续。

消防头盔的主体的外部是几个大面，尺寸偏大，内部有加强筋、槽居多，扫描仪扫不出来，需要逆向整体后再进行内部的正向建模。

1.3 建模注意要点

Catia也可以进行正向建模只不过考虑到塑料制品的模具设计大多数采用UG软件的模具设计模块，而Catia内的模具模块就稍稍差些，当然UG也可以逆向只不过逆向的模型与Catia相比也要差些。软件只是工具，为了产品及时效性应该要把工具最有特色的进行使用才能发挥它最好效果。

2 三维扫描并处理点云

2.1 三维扫描所需物品介绍

本文采用PowerScan®L-Pro进行点云采集，三维扫描前需要进行喷显像剂，喷显像剂的原因是三维扫描仪扫描的原理是通过吸收反射的光线粒子进行成像显示的，如果工件表面太暗，或者太鲜艳扫描仪都吸收不到光线粒子，清洗的时候可以用去除剂，之后用酒精清洗就可以了。

喷完显像剂后要等到工件表面上的白剂未干时，贴上标志点，标志点的贴法作用有两种，一种是贴到自身上标记出工件自身的特征上下左右的方位，也就比如说是标明你的胳膊，你的腿在你自身的哪个角度，哪个方向；另一种是贴到托盘上将承载工件自身所处的外部环境方向进行标记，比如说你的胳膊在我这个托盘的外部环境360°范围的哪一度。

贴标志点的两种方法可以混合使用，也可以单独使用，所使用的扫描方法也不一样。第一种贴工件自身单独使用的扫描方法适合不规则的物体，扫描时先扫出一部分面，并扫描进3个以上标志点，以此些标志点做定位，稍微翻转一部分让扫描仪扫出2个以上的标志点同时能扫描进新的标志点，以此重复性翻转直到所有的标志点扫描出来，这时工件也扫描完成了；第二种是贴托盘的扫描方法，比较简单。只要把工件放在工件四周的托盘上，托盘表面上贴上标志点，扫描时只要旋转托盘扫描就可以了，但是缺点是扫描不出底部；第三种是混合式，在工件本身上贴上标志点并用上四周贴好标志点的托盘，一开始扫描时，把工件放上托盘上，旋转托盘进行扫描，此时托盘上的标志点定位好了工件，同时工件上的标志点也因为托盘的旋转而被扫描出来，接着就可以翻边，扫描工件底部，将工件翻转过来扫描要注意让扫描仪能看到一些未翻边前的标志，同时旋转托盘时能让扫描仪扫描出未扫描出来的工件部分以此将整个工件扫描出来。

在翻边前，软件里要将扫描出来的托盘上的标志点删除再进行翻边。

橡皮泥的作用是让工件摆放位置时给它做支撑用，橡皮泥是黑色的所以不会被扫描进去。下面以消防头盔主体为例进行分析。

2.2 消防头盔主体01扫描与点云处理

2.2.1 扫描

先喷显像剂并在工件上贴好标志点，由于消防头盔主体01的尺寸很大，扫描时扫描仪需要上下或前后距离的适调，太近或者太远都会导致头盔主体扫描不出来。调整好距离后开始扫描，扫描时观看扫描的模型有没有未扫描到的，未扫描出来的角落进行重复性扫描。

2.2.2 点元处理

扫描好了的文件默认是.ac格式还不是STL格式。要进行逆向并生成为STL格式才行，这时要用到Geomagic Wrap的软件进行点元的处理。导入进Geomagic Wrap先删除多余的外部点后进行减少噪音，最后合并点云。

合并完成的点云数目为600多万个，需要进行简化，简化点云为40几万个点云。

模型的标志点所处的地方为空洞要进行填孔，填完孔的地方表面会凹凸不平要进行去除特征操作，将所有的模型中可以补全的空都补全，有一些部分不能补的便不用补。处理完点云后导出为STL格式，便可在Catia中逆向了。

3 c a t ia逆向建模

从点云处理导出来的点云坐标与软件的坐标并没有对正，在进行逆向前必须进行对正。对完正后将以前的点元删除掉，用对正后的点云。修剪掉通过点云拟合出来的多余的面。观察面片与点云的误差，适当进行修改。将面片合并后在零件设计里面缝合生成实体。内部的结构和两侧的螺纹孔并没有逆向出来而是要放在UG进行正向建模。

4 UG正向建模

将catia逆向成的实体导出为STP格式，导入进UG软件，进行实体的编辑，通过游标卡尺测量出各个加强筋的位置和装配面的位置。实物与模型对比如图2所示。

图2 实物与模型对比

5 消防头盔的零部件快速成型

得到的三维数据，转化为S tl格式文件，然后导入切片软件进行切片，完成切片后即可进行3D打印。本文采用UPBOX打印机，使用UP S tudio切片软件进行切片，采用ABS材料来打印的产品，选择ABS材料是因为它具有很强的抗冲击性、耐划、尺寸稳定等特性，是目前板材行业中十分理想的材料，并且物美价廉，很适合学校使用。用ABS材料打印出来的支架，正好发挥了它的抗冲击性以及热溶性的特性。而消防头盔应用的场景重点也在这两处地方。此次利用3D打印消防头盔各部件，与原先生产模型的方法是两种截然不同的方法，原先的消防头盔采用模具制造形式，而用3D打印打印出来的消防头盔是由ABS材料一层一层累积起来的。在前期的设计阶段验证模型的实际用途使用3D打印能为人们带来更多的选择方式。

由于材料有限，并不能全部打印出来，只展示部分打印模型。如图3所示。

图3 头盔零部件快速成型

6 结语

三维扫描阶段由于头盔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UG正向建模时，有些尺寸误差测量不出来，但是装配时又必须要保证装配误差在一定范围内，这时可以采用边给预定的数值边用3D打印打印出来，再根据与实物的装配，做一定的调整数值；在打印机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。通过正、逆向建模相结合的方法来完成对头盔所有零部件的三维数据获取和3D打印制造，验证了次方法的正确性和高效性。