緒論1.1逆向工程的簡介1.1.1逆向工程基本概念逆向工程實質是重新構建物理對象的一種手段，是一種計算機模型，它是以測量的數據為基礎上完成的，在對模型的重新構建完成后，使用現有的多種科學技術手段，對該物理模型在加工之前可以進行分析及對其重新改造、機床加工編程等。逆向工程已經從CAD/CAM演變為相對獨立的類別。通過從實際模型創建數字模型，使得產品設計可以充分利用計算機輔助設計技術，并在集多種特性為一體的產品設計和制造過程中，實現信息自如來回傳輸。測量設備的閃光點能夠在反向工程的實施中得到極大程度的展示，不僅啟用CAD/CAM系統所需的三維輸入設備，而且啟用由CAD/CAM系統處理的誤差檢測和評估設備，通過這樣來改善產品在先前設計中的不足，提升自動化程度，減少產品試生產的生產時間消耗和生產該產品所需要的資金投入。逆向工程技術被認為是在不具有圖紙的情況下，測量和分析實際物理模型的手段，是分析和處理測量信息以達到轉換CAD模型的過程。逆向工程是覆蓋面非常廣闊的詞，各種現代理論方法都能成為它穩健發展的墊腳石，即使是各種專業經驗、知識和思維也不例外。逆向工程已經將再創造發展成為自己獨有的靈魂。1.1.2逆向工程的原理及特點逆向工程其原理用一句話概括的話，就是一種無中生有的過程。它將已有的模型作為參照，通過各種科學手段將所選定的參照模型轉換為數字模型，讓其再回到最初設計的一個過程。逆向工程在獲取已有模型的輪廓數據需要用到3d掃描儀，運用掃描儀獲得數據具有快速、準確的特點，接著在逆向軟件一起執行曲線重構以及對重構曲面進行在線精度分析和評估，最終生成可用于高速原型制作的多種相應格式的數據。在多樣且迅速變化的產品市場中，快速生產滿足市場要求的產品的能力已成為公司成功與否的關鍵。由于各種原因，我們即使使用先進的設計方法和先進的制造技術進行后續工作，也會出現一個物理樣本或手工模型，沒有圖紙或CAD數據文件，并且無法獲得準確的尺寸，因此各種難題也隨之出現，使得模具復雜化。不過，逆向工程為這一問題提供了解決的辦法。傳統的復制方法花費的時間不但長而且效果還不好，并且逐漸被新的技術所淘汰。逆向工程系統提供了專門針對制造業的新型高效3D制造路徑。并且在從樣品中獲得數據，再由數據返回到產品中提供了集成解決方案。直接從樣品（物體，圖片等）獲取反向CAD數據，然后通過快速原型制作或CNC控制直接對產品（模具）進行處理，從而使反向設計快速高效。1.1.3逆向工程研究現狀與應用逆向工程是一系列最近開發的先進方法和技術的結合體，旨在把尖端技術研究的透徹，用來把技術水平往上抬、提高生產效率，以及加強在經濟競爭中的優勢。在經濟技術發展中，逆向工程的消化和吸收先進技術經驗方面均給世界各國人們提供了有用的啟示。根據數據顯示，沒有一個國家的技術是沒有產生在國外的，而且這個占比過半。而想要掌握該技術，逆向工程是其中的一個手段，將產品開發所需要的時間減少了40％以上，極大程度的提高生產效率。因此，對逆向工程技術的研究和深入均在各方面有著非常大的作用。逆向工程的應用領域能夠大致分為以下幾種：1、用于制作仿制品特殊情況下，需要請制作單位對產品進行復制，其原因是擬合生產的產品原來的設計方案丟失，由委托單位把需要復制的模型交付。傳統的復制方法是先用傳統的加工手段制作出一個相同大小的模具后再復制產品。由于此方法是模擬副本，無法創建工作尺寸的工程圖文件，因此即使是現有的CAD軟件也只好甘拜下風對其束手無策，因為如此，已經被新型的技術所淘汰。此類情況下，零件的示意圖或CAD模型是基于零件原始形狀的三維逆計算而形成的，在該零件的原始形狀上生成了用于CNC加工的NC代碼，并對同一零件進行處理和復制。2、用于新產品的設計伴隨工業技術和經濟的發展，消費者對產品的要求不斷變高。為了在市場激烈的競爭中取得勝利，不單單需要產品的先進功能，還需要外觀。這種成型產品的美學設計不再是經過傳統培訓的機械工程師。在一些美學設計需要特別注重的區域（例如汽車外部設計）中，不要使用減少計算機屏幕上的對象與項目視圖比例的方法，而應當使用實際比例的木材或粘土模型來評估設計的美學效果。而在這種時候就需要利用這種方法。3、用于舊產品的改進在對舊產品進行做改動的時候，往往缺少這個產品的數字模型，此時利用逆向工程可以重新建一個該產品的幾何模型，然后使用軟件對其進行改造。如果設計一個需要經過各種檢測來完成的模型時，則逆向工程方法應該是首選的。舉個例子，在航空航天領域，要達到產品的空氣動力學要求，首先必須執行各種性能測試，以基于初始設計模型來建立達到要求的產品模型。最終的實驗模型（往往是較復雜的自由曲面形狀）是設計這些零件并制造其模具的基礎。4、在快速原型制造中的應用快速原型制作（也稱為RP技術）是一種以材料堆積為基礎的先進制造技術。RPM集成了各種技術，例如機器、計算機輔助設計，數控、激光和材料科學，可以自動、直接、快速、準確地將設計思想轉換為具有特定功能的原型，或者直接將零件制造出來，目的是在較短時間內完成產品設計的評估、修改和功能測試。大幅度減少了產品開發所需要的時間。基于RP系統的快速工裝和快速鑄造技術可以實現零件的快速制造。而如果要應用此技術，您須首先能夠得到產品的3D幾何模型。盡管出現了大量成功的3DCAD軟件，但如果使用它們創建復雜的零件模型仍然需要花費大量時間。在有的時侯，由于工程界提供了真實的物體，在這一情況下就有必要制作模具，或對該實際物體改進。因此對于RPM，重新構建產品的物理模型往往是選擇逆向工程技術。另外，在先今各種各樣的科學領域里，往往需要基于真實對象在短時間內建立對象的三維幾何物理模型。除此之外，在修復供給少于需求的損壞或破損的產品中也是不容忽視的應用。在這情況下，復制整個零件原型是已經沒有必要了的，而是使用逆向工程技術來獲取產品的在一開始設計的時候的思想，以這來指導和完成不同于舊時的設計，這個是一個過程且是循序漸進的，可以從真實對象中推斷出設計思想。所以，在這些領域里，逆向工程技術就展現了其重要的應用價值。1.2課題研究的意義和內容本課題其目的在于對玩具水槍的研究，可以彌補在玩具水槍行業中，對逆向工程技術的應用或將逆向設計用于玩具的設計與開發中的不足，深化與之密切相關的塑料快速成型的研究以及相關的3D打印技術的研究。另外，通過對水槍的研究有助于個人理解逆向工程的深層含義以及實際操作過程，對今后的實踐、應用、教學也有一定的啟示。本課題其主要內容包括以下四個部分：第一部分，著重介紹了逆向工程的基本概念和發展現狀；第二部分，著重介紹了逆向工程所涉及到的相關技術；第三部分，描述了玩具水槍逆向工程實現的過程；第四部分，主要介紹了玩具水槍再設計的過程。

逆向工程的相關應用技術介紹2.1手持式激光掃描儀手持式激光掃描儀是作為逆向工程中不可或缺的儀器，是一種便攜3d掃描儀，它工作非常簡單方便，在一切準備就緒后，只需操作者拿在手上就可以對被測物體進行掃描。這種3D掃描儀被人們廣泛運用。檢測、分析現實世界中對象，環境的形和形狀數據都是它可以完成的，運用掃描儀所收集的數據在大多情況下應用在非真實世界中的3D重建計算，創建真實對象的數字模型。工作原理是，光學三維掃描系統把發出的光柵不斷地投射在被測的實際物理模型表面上，相機同步收集圖像，然后計算這些收集到的圖像，而后將相位穩定的對極線用于兩個圖像的三維空間坐標。因此，可以測量實際物理模型表面的三維輪廓。2.2Geomagicstudio2014軟件GeomagicStudio是美國Gcomagic公司提供的反向建模軟件，能夠處理通過掃描而獲得的點數據或多邊形數據，并基于處理后的多邊形數據模型生成與原始掃描對象相似的NURBS曲面模型或者CAD曲面模型，然后直接導出模型或將創建的模型導出到各種類型的正向建模軟件或正向和反向相結合的建模軟件。GeomagicStudio14版軟件在保留原有功能的基礎上，新增了分析模塊和曲線模塊，對點云階段、多邊形階段、精確曲面階段、參數曲面階段、采集模塊、特征模塊等功能模塊進行了改進，且各階段之間能夠通過轉換為多邊形或點云相互連接起來。經上述改進后，不僅把GeomagicStudio反向建模的建模方向給加寬了，而且關聯了每個步驟，以提高反向建模的效率和準確性。GeomagicStudio的一些突出優點羅列為以下幾個部分：1、建模更多樣化。使用者除了在精確曲面階段創建NURBS曲面模型，在參數化曲面階段創建CAD曲面模型外，使用者還能夠通過采集模塊獲取形狀數據，然后從曲線模塊和形狀模塊創建形狀曲線模型，以生成帶有特征的數字模型。2、建模更快捷化。14版本軟件提供了多種自動建模操作，可在短時間內完成模型的創建。比如：在精確曲面的時候，能使用自動曲面化操作來直接生成以掃描數據為基礎的NURBS曲面模型。3、高度的兼容性。GeomagicStudio擁有參數轉換插件，利用該插件不僅可以和多款正向建模軟件執行數據轉換，也可以在正逆向結合的建模軟件中實現模型輸出。4、更高的參數化程度。GeomagicStudo創建的CAD曲面模型允許用戶通過修改草圖中每個線段的參數并限制線段之間的位置關系來獲得更理想的尺寸和結構模型。5、模塊與模塊之間的聯系更加緊密。對于復雜的幾何模型，如果在單步操作中不易得到的模型，可以在后續步驟中進行編輯后將模型再次轉換回多邊形，并且已編輯的部分將在轉換后會得到和最原始的物理模型更加相似的特征，然后執行其他編輯步驟以獲得理想模型。6、提高產品設計效率。使用GeomagicStudio進行設計可以幫助設計師在更短的時間內解決工程設計問題并減少設計開發所需要的時間。綜上所述，GeomagicStudio14版軟件更好地實現了與三維掃描技術的完美結合，能夠精簡產品開發窗口、提供工作效率，為逆向工程提供了更有效的建模工具。2.3三維模型處理軟件SolidWorks是作為本次課題中3D模型處理的軟件。SolidWorks專門從事開發和銷售用于機械設計軟件的Windows產品。SolidWorks軟件功能強大且包含非常多的組件。SolidWorks使自身成為主要的3DCAD解決方案，它具有強大、易學且易于使用的三個關鍵功能和創新。SolidWorks可提供很多種多樣的設計方案，把設計過程的錯誤大大減少，并提高產品質量。除了擁有這些強大的功能之外，SolidWorks還為許多人提供了簡單、方便且易于學習和使用的功能。SolidWorks獨特的拖放功能使用戶可以在相對較短的時間內完成大規模裝配設計。該軟件有兩個CAD文件管理器沒有任何區別，一個是SolidWorksExplorer，還有一個是WindowsExplorer，這可讓操作者在對管理CAD文件的過程中變得較為輕松。使用SolidWorks，可以使操作者在更少的時間內完成比以往正常工作量還多的工作，將產品推向市場沒有花費太多的時間，并且是高質量的。在當今市場上的3DCAD解決方案中，SolidWorks如果單單拿設計這個方向來討論的話，可以說是比較簡單的。完整的產品設計是100％可編輯且融徹貫通的。2.43D打印技術3D打印技術可以說是引領著當今社會潮流下一門新興的技術，是一種能夠快速完成成型的技術，向人們展示的產品模型直觀明了，這種用逆向工程技術重新構建的模型為產品的升級改造提供了合理有用的依據。3D打印技術在當今社會潮流中已被廣泛使用。比如，在航空航天、生物醫學等多種領域，3D打印技術可以替代現有的加工技術，突破傳統的局限以提高產品的生產效率。當前，市場上有各種類型的3D打印成型機，以打印材料的差異作為重要依據，3D打印機可以分為FDM（熔融層壓成型）、SLS（粉末激光燒結）、SLM（金屬粉末激光燒結）、SLA（紫外線光固化成型法）和LOM（層切割成型法）等打印機。3D打印技術的原理是把計算機設計的3D模型劃分為多個圖層以獲得大量的2D平面圖形，然后根據獲得的這些2D圖形使用各種粉末或熔融塑料材料一層一層打印以形成3D實體。概括來說就是“分層制造，逐層疊加”。對于打印原理不同的3D打印方法，所采用的打印材料也不盡相同，可用于3D打印的材料種類非常多；即使打印原理相同，材料的選擇也會隨著所需打印的產品應用不用而改變。最常用的有光敏樹脂、PLA、ABS、尼龍、不銹鋼等材料。一般來說，我們會通過考慮打印的速度和成本、3D打印機的價格、材料以及色彩的選擇這些因素來決定我們選擇何種技術進行3D打印成型。2.5本章小結本章主要介紹了逆向工程應用中需要使用到的相關技術，包括以下幾點：手持式三維掃描儀能夠快速、準確的獲取模型表面的數據，具有使用方便、效率高等特點。GeomagicStudio可以在較短的時間內處理獲得的模型表面數據，完成模型表面的曲面重構等工作。SolidWorks則可以對已經處理好的模型進行編輯、再設計等工作。3D打印有多種成型制造方法，盡管每種制造方法的具體原理都不同，但它主要是基于計算機數據創建對象，然后在此之上逐個創建其他對象，直到將各個層堆疊在一起為止形成完整的三維模型。它們的不同之處在于可以用的材料的方式，并且都有著各自的優缺點。

玩具水槍逆向工程實現3.1玩具水槍開發創新的具體流程玩具水槍開發創新的具體流程如圖3-1所示，可分為幾個階段：①數據獲取：對實物原型進行三維測量獲得模型表面的三維數據；②模型重構：對獲得的模型表面三維數據進行重構，得到其CAD模型；③模型再設計：對得到的模型進行創新性修改，是基于原產品設計的再設計。圖3-1產品開發的具體流程3.2數據采集在逆向工程中所需要的工作中，數據收集是一個相當重要的步驟，想要提高工作效率并提高模型重建的準確性就要求點云數據收集的質量要高。3.2.1掃描模型前處理在對實際物理模型進行掃描之前，必須清潔實際測量的物理模型的表面，以使掃描儀在捕獲測量的模型表面的反射光，而不會受到雜質的干擾并減少噪聲點云。因為水槍原型表面有透明的區域，需涂上白色顯像劑，增加光線的反射，防止視覺盲區的出現。因為有的模型需要進行多次不同角度的掃描才能獲取完整點云，因此，想要以同一坐標系為基礎而從多種角度收集點云，則需要在掃描的實際物理模型中標記能夠被掃描儀所識別的點。這些點應連接到模型的平面區域或曲面，并應盡可能遠離模型邊界且曲率應盡可能小。不要為了順利實施掃描策略而把這些點貼在同一直線。除此之外，這些點必須在長度、寬度和高度方向上合理分布。因為水槍模型具有對稱性，掃描時一次放置就可以獲得對稱一側的點云，不需要進行多次掃描，所以不用貼標識點，但值得注意的是，放置時需保證對稱的一側能夠被掃描到。涂上顯像劑的水槍模型如圖3-2所示。圖3-2涂上顯像劑的水槍模型3.2.2掃描儀器處理這里數據的收集工作使用REVscan手持式3D掃描儀來進行，其目的在于得到高質量的點云數據，將三維掃描儀與計算機連接好之后，為了確保正確掃描和縫合數據，則要對掃描儀進行校準。掃描儀校準過程和校準完成的畫面如圖3-3和圖3-4所示。圖3-3掃描儀校準畫面圖3-4掃描儀完成校準即使對掃描儀校準完成，下一步還要對掃描軟件進行設定以及定位標點的掃描。掃描儀參數如圖3-5所示，掃描得到的定位標點畫面如3-6所示。圖3-5掃描儀參數圖3-6定位標點3.2.3掃描測量模型經過上述一系列準備工作完成后，下一步就可以開始對玩具水槍進行掃描測量工作。首先將水槍按合適角度放置在掃描平臺上，因為沒有固定裝置，所以在掃描過程中應保證其在測量過程中位置不發生相對移動，然后將掃描儀勻速緩慢地對著玩具水槍表面進行掃描，水槍的點云數據，激光掃描儀會對其進行自動獲取且同步顯示收集的數據點，因為可能存在沒有掃描到或者點過于稀疏分散的地方可以多次進行掃描。掃描后獲得的數據是水槍模型表面上的多邊形數據。如圖3-7所示。掃描完成后將文件保存為stl格式。圖3-7水槍掃描數據3.3曲面重建曲面重建是基于原始模型數據執行的逆建模，其目的在于獲得更好的表面模型。3.3.1對點云進行處理在逆向工程里，在完成對被測對象模型的掃描之后的首要步驟是點云數據的預處理。在收集數據過程中，因為存在具有不定性的（環境因素等）或人為的（例如工作經驗）因素會導致數據存在一定的偏差，致使點云數據包含噪聲，并且被測對象模型的表面重建變得不令人滿意。柔軟性和準確性會影響建模質量，因此在重建3D模型之前，工作者需要刪除多余的點。有時可能所測物體的形狀太復雜，在掃描時會造成盲點而產生數據不完整的情況。此時需要修補掃描數據。如果想要提高掃描精度，被掃描的點云數據有概率會非常大，并且需要將大量冗余數據進行精簡。如果一次掃描不到被測物理對象的所有數據信息，則必須更換操作位置，往多個角度再次掃描，然后把數據點進行縫合，目的是在對象表面上形成完整的點云數據。處理這些經掃描獲得的數據時，為了達到方便快捷的目的，先將水槍的多邊形數據轉換為點云數據來進行，轉換后，玩具水槍的點云數據如圖3-8所示。圖3-8玩具水槍點云數據在點云中執行以下處理：。1、去除體外孤點：在對點云數據進行收集時，往往會掃描到與被測物理對象無關的點。通常，可以通過選擇工具、自動體外分割點和非連接點云來選擇出這些無關點將之刪除。2、濾除噪聲點：由于掃描設備的輕微振動，較差的物體表面變化和噪聲變化，可能導致獲得的數據存在噪聲點。這些噪聲點的存在不利于表示物體的實際形狀，因此，為了更好地表示物體的實際形狀，這時減少噪聲點命令則可以實現自動過濾噪聲點。3、濾除重疊點云：在保持對象原始形狀的同時，盡可能減少點云的數量，以便可以輕松刪除重疊和稀釋的點云以進行后續處理。執行統一采樣以過濾和稀釋重疊的點云，并在不更改模型形狀的情況下加快計算機的速度。經過上述一系列處理后的點云如圖3-9所示。圖3-9處理過的點云3.3.2多邊形網格階段多邊形網格階段用于對預處理的點云進行處理，并將其用多邊形和多邊形之間的連接以形成多邊形網格。實質是數據點和相鄰之間的點的拓撲連接用三角形網格的形式反映出來。點云數據集所蘊含的原始物體表的形狀和拓撲結構可以通過三角形網格的拓撲連接揭示出來。現對多邊形網格進行以下處理：封裝：封裝是通過連接點來創建三角形面片，點階段數據處理的質量決定封裝的質量。封裝后的模型以多邊形顯示，模型的表面是由一個個極小的三角形組成的網格。將點云數據重新轉換為多邊形網格，如圖3-10所示。圖3-10水槍多邊形網格圖2、裁剪：通過對稱平面把多邊形網格進行裁剪，其目的在于縮短工作時間減少工作量，另外也確保了模型的對稱性。裁剪前后的多邊形網格如圖3-11所示。裁剪前(b)裁剪后3-11利用對稱平面裁剪多邊形網格3、填充孔：填充孔有兩種方式，第一種是“全部填充”，第二種是“填充單個孔”，其中，填充單個孔的方法有三種，第一種是按曲率填充、第二種是按切線填充，第三種是按平面填充，孔的樣式也有三種，第一種是內部孔，第二種是邊界孔，第三種是搭橋。現在用“填充孔”填充水槍中的孔。填充前后部分細節如圖3-12所示。填充前(b)填充后圖3-12填充前后對比平滑光順模型：剛創建的多邊形網格往往會因為掃描時模型表面不規則等等其他因素，顯得非常粗糙不光滑；為了使多邊形網格沒有相交面和單點尖峰以及非流形三角面等，可以利用刪除釘狀物、去除特征、快速光順等操作，經這些操作后可以得到比初始網格更為光滑的多邊形網格，質量更好。對模型進行平滑光順操作前后對比如圖3-13所示。(a)光順前(b)光順后圖3-13平滑光順前后對比伸出邊界：在這里需要對多邊形網格的邊界執行延伸。在延伸的時候，應確保有足夠大的距離，其目的在于方便后續設計的裁剪，得到完整規則的玩具水槍模型的邊界，這里給多邊形做伸出2mm處理。去除特征：將水槍模型表面一些特征使用“去除特征”命令進行去除，以便后續對水槍模型進行再設計。去除特征后模型如圖3-14所示。圖3-14去除特征加厚：通過加厚多邊形網格以形成玩具水槍殼體，加厚厚度設置為2mm。如圖3-15所示。圖3-15加厚的水槍殼體7、修復多邊形網格：一般情況下，多邊形網格內存在細微缺陷，缺陷包括有釘狀物、小孔、非流型等。這時可以使用“網格醫生”自動檢測這些錯誤，然后自動或者手動修復這些錯誤網格。3.3.3精確曲面階段精確曲面是四邊曲面片的集合。第一步，把模型表面的曲率當做依據創建輪廓線、編輯輪廓線等操作將模型的整個表面劃分為多個互不關聯的表面區域，然后在每個區域上放置曲面片，目的是為了讓模型變成更小的四邊曲面片集合，接著將每個四邊形曲面用指定分辨率的網格結構進行處理，最后，把每個曲面片都擬合NURBS曲面，并且合并這些表面，就獲得了最終經精確后的曲面。如果想要創建一個質量高的NURBD曲面對象，那么創建一個質量高的曲面片結構便是其中至關重要的一個步驟。精確曲面階段其實質是為了在于通過相切、連續的曲面片有效地表達模型形狀、進而獲得規則的、合適形狀的曲面。現將模型進行以下階段的處理：輪廓線處理階段：輪廓線是由多邊形對象上的曲率變化較大區域決定的，然后將對象分成曲率變化較低的區域，各區域能夠用一組光滑的四邊曲面片呈現出來。生成輪廓線后，會出現橘黃色輪廓線和黑色輪廓線，進行輪廓線編輯時，務必使各橘黃色輪廓線相互連接，并盡可能使橘黃色輪廓線所圍成區域為矩形。輪廓線是構建NURBS曲面的框架，生點準確，合理的輪廓線是創建精確NURBS曲面的基礎。首先使用“探測輪廓線”指令生成分隔符后，可使用“刪除島”、“刪除小區域”和“合并區域”等操作繪制比較合理的分隔符，如圖3-16所示。繪制完成后進行抽取輪廓線，如圖3-17所示。圖3-16繪制分隔符圖3-17抽取輪廓線完成對輪廓線抽取工作后，必須修改、編輯輪廓線，編輯輪廓線時軟件提供的操作有“繪制”、“松弛”等和“檢查問題”，利用這些操作可以對輪廓線進行編輯、繪制和修復存在的問題。曲面片處理階段：通過輪廓線將區域劃分完成后，可以將該區域分解為四邊曲面片集，每個曲面片都由四條曲面片邊界線包圍。在創建NURBS曲面過程中，把區域分解成四邊曲面片是關鍵步驟。模型的所有特征都可以表示四邊曲面片，如果一個重要的特征沒有被曲面片很好地定義，可通過增加曲面片數量的方法進行解決。使用“構造曲面片”指令可通過輪廓線創建曲面片結構，如圖3-18所示。在創建曲面片完成后，要對曲面片執行相關操作，使用“修理曲面片”操作指令，在“分析”對話框中，存在的問題的曲面片數量和問題出現的原因都會顯示出來，曲面出現問題的是因為有“相交路徑”、“較小的曲面片角度”和“高角度點”等，模型中如果顯示有紅色直棒，那么這些直棒的位置就是問題存在的位置，如圖3-19所示。修改這些存在問題的曲面片有“移動面板”和“移動曲面片”兩種方法。本文中使用的修復方法是“移動曲面片”，其中包括有“切換曲面片”、“旋轉頂點”、“收縮曲面片”和“刪除二維點”等方式。利用這些方法將存在問題的曲面片逐一排查和修復后即可對曲面片進行格柵處理。圖3-18曲面片結構圖3-19存在問題的曲面片格柵處理階段：為了擬合NURBS曲面，要求一個有序的點集來呈現模型對象，因此需要將各曲面片進行格柵處理，創建格柵是將指定的分辨率網格結構放置在每個被定義的曲面片里(分辨率：將參數值設為n時，可在每一個曲面片上構造n×n個網格。較高的參數值，可以獲得更高的分辨率，使曲面片擬合階段擬合出更好的細節特征，有利于創建更加精確的曲面)。創建格柵時形成的相交的點恰好在多邊形對象的表面上，并用作樣條線來計算NURBS曲面。格柵越密，從多邊形表面捕獲的細節越多，并顯示在最終的NURBS表面上。單擊“構造格柵”指令，彈出“構造格柵”對話框，現將分辨設置為20。格柵如圖3-20所示，構造格柵完成后需要對格柵幾何圖形進行檢查，正常情況下為藍色顯示，如果出現紅色格柵，應修復紅色格柵。存在問題的格柵，可通過“編輯格柵”指令對格柵進行編輯，“編輯格柵”有“格柵變形”、“移動格柵點”和“移動/標記流線”三種方式，本文利用“移動格柵點”對角度較小的格柵頂點進行移動以修復格柵，修復前后對比如圖3-21所示。將存在問題的格柵進行逐一排查修復后即可擬合曲面。圖3-20分辨率網格結構修復前(b)修復后圖3-21修復格柵前后對比擬合NURBS曲面階段：擬合曲面的方法有兩種，分別是適應性和常數兩種擬合方法，如果在選擇常數方法的情況下來進行曲面擬合，那么得到的曲面片數量就會比較多，還需進行“合并曲面”操作，以減少曲面片教量。如選擇適應性方法擬合曲面，系統將自動進行“合并曲面”操作，該方法可以減少操作步驟，但是曲面片數量比通過常數方法合并曲面操作后所得曲面片數量多。這里選擇“常數”擬合方法，選用其默認參數值，獲取曲面，然后通過“曲面”→“合并曲面”→“自動的”命令，軟件自動將小曲面片合并為若干大曲面片，曲面片由原來的503個減少到了163個，得到精簡后的NURBS曲面，如圖3-22所示。圖3-22NURBS曲面3.3.4輸出NURBS曲面NURBS曲面生成后，其曲面數據便可以輸出到CAD軟件中編輯、再設計。選中“模型管理器”中的曲面對象，單擊右鍵，點擊“保存”命令，將曲面保存為“*.iges”格式文件。3.4本章小結本章主要介紹了玩具水槍逆向工程實現的具體過程，包括玩具水槍模型表面數據的獲取、點云處理階段、多邊形處理階段、精確曲面階段和轉換文件格式輸出。在點處理階段，需要完成對點數據的簡化、拼合等操作。將點云轉換為多邊形網格后，多邊形模型的合法性和準確性常常會出現較大的問題。因為點云數據的丟失、噪聲、拓撲關系發生混亂、頂點數據存在偏差和網格算法缺陷，所以在轉換后的網格上可能會發生網格退化、自交叉、孤立、重疊和孔洞等錯誤。多邊形階段的工作主要是修復這些錯誤網格，并且通過松弛、去噪、擬合等方式將多邊形模型表面進一步優化。精確曲面階段的目的在于通過相切、連續的曲面片有效地表達模型形狀，進而獲得規則的、合適形狀的NURBS曲面，以輸出CAD模型進行正向再設計。

基于逆向模型的創新設計與產品制作4.1以逆向模型為基礎的創新設計本文使用的是SolidWorks2014軟件進行模型的再設計和模擬裝配。4.1.1規則實體重構方法1、比較經常使用的是拉伸和切除材料，拉伸是指在選定的一平面上繪制一個封閉圖形，而后運用拉伸命令從而得到特定尺寸的拉伸實體；切除材料則反之，是通過所繪制的封閉圖形來切除模型實體。2.除此之外，采用旋轉命令來重建規則的球形實體或球形組合體和可變實體。使用旋轉方法創建實體就是在選定平面上繪制草圖之后，繪制中心軸，然后使用“旋轉”命令將草圖繞中心軸旋轉到特定角度以獲取旋轉實體。4.1.2模型設計的一般步驟將經過處理的玩具水槍模型文件用SolidWorks軟件打開，如圖4-1所示。圖4-1玩具水槍CAD模型在上視基準面繪制草圖，將多邊形階段預留的部分進行拉伸切除，如圖4-2所示。(a)切除前(b)切除后圖4-2切除預留部分因為導出的模型是由若干個曲面片組成，如圖4-3所示。為方便后續拉伸凸臺、切除等操作的進行，需要對模型內外表面進行曲面縫合。選擇菜單欄“插入”→“曲面”→“縫合曲面”，選擇一面的所有曲面進行縫合，執行兩次。圖4-3曲面片模型圖4-4拉伸臺體和切除在右視基準面創建草圖，利用該草圖進行拉伸臺體和拉伸切除操作，構造的模型如圖4-4所示。以右視基準面為參考，向超出模型外表面為準，建立一個基準面以進行草圖繪制，在新建的基準面上，用樣條曲線把圖案一個一個繪制出來，如圖4-5所示。然后使用“等距實體”命令將曲線偏移1mm，將曲線裁剪成封閉輪廓線，最后利用拉伸切除將實體切除，切除時應將“轉換曲面”選項勾選上，曲面選擇外表面的縫合曲面，切除深度為1mm，如圖4-6所示。(a)草圖1(b)草圖2(c)草圖3(d)草圖4圖4-5樣條曲線草圖圖4-6拉伸切除選擇右視基準面，在這個面上繪草圖，如圖4-7所示。點擊“旋轉凸臺”命令后執行用來形成旋轉實體，下一個步驟是在上視基準面繪制草圖將其他多余部分切除，如圖4-8所示。圖4-7旋轉臺體草圖(a)旋轉凸臺背面(b)旋轉凸臺正面圖4-8旋轉凸臺為保證玩具水槍的功能，現在以水槍原有的噴射裝置的尺寸為基礎，對玩具水槍模型進行一些細節處理，包括對槍嘴、注水口、噴水擠壓口、噴射裝置固定部分和玩具水槍裝配定位部分的處理，分別如圖4-9、圖4-10、圖4-11、圖4-12和圖4-13所示。噴射裝置固定部位為保證其支撐強度，需要設置加強筋；裝配定位部分內徑設置為2mm，外徑設置為4mm，裝配定位部分局部放大如圖4-14所示。圖4-9槍嘴圖4-10注水口圖4-11噴水擠壓口圖4-12噴射裝置固定部分圖4-13定位部分圖4-14局部放大利用“鏡像”功能，可以將水槍模型的另一個對稱部分，鏡像選擇右視基準面，鏡像完成后需要對裝配定位部分進行改動，外徑仍然是4mm不變，為了保證模型經3D打印成型后能夠裝配成功，定位部分需留有至少0.2mm的間隙，所以內徑由原來給定的2mm改為1.8mm，鏡像后模型的定位部分局部放大如圖4-15所示。圖4-15鏡像定位部分的局部放大對玩具水槍模型進行虛擬裝配，達到了預期組裝模型的效果，如圖4-16所示。最后，將玩具水槍兩個部分的模型，分別以二進制的方式轉換為3D打印機能夠識別的STL格式輸出保存。圖4-16玩具水槍模型虛擬裝配最終模型效果如圖4-16所示，與原有模型對比相對變動較大，這體現了逆向工程對模型再設計的特點，同時也體現了3D打印較傳統制造加工工藝的優越性。4.2產品逆向快速成型以玩具水槍的形狀和尺寸等特征以及應達到的強度和精度的要求為依據，選擇SLA光敏樹脂打印機。其技術原理如圖4-17所示：1、激光器發射出激光束，激光束照射在裝滿液槽的光敏樹脂中，光敏樹脂在經過激光束照射后會在極短的時間內固化。2、當成型機開始對材料進行成型時，機器的工作臺將自行調整位置，使其處于液面下一個截面層厚的高度。激光束經透鏡聚焦之后，會收到機器指令，機器指所要執行的動作就是激光束將截面輪廓沿液面進行掃描。被掃描到的樹脂在極短時間內固化，獲得一層塑料薄片，則該層截面的加工過程已完成。3、接著，機器工作臺又會自行調整位置，調整為下一層截面層厚的高度，調整完成后，機器會重復上一步驟的動作，即固化另一層截面。一層一層堆疊在一起然后相加最終構成了我們所設計的三維實體。SLA成型工藝的的突出之處有下面幾個部分：1、歷史最為悠久，成型工藝最成熟，使用覆蓋面最廣。在3D打印行業中，SLA技術的應用所占比重過半。2、已成型的模型表面質量好且光滑，可以用來加工精度要求較高且尺寸較小的零件，可以達到微米級。效率較高，機器工作時系統比較穩定。圖4-17SLA成型工藝技術原理這次快速成型選用的材料是未來8000樹脂，這種材料具有細節精細、韌性好、表面光滑度高、精打磨后易噴涂上色、強度較高等特點；使用未來8000樹脂成型其最小壁厚為1mm，精度達到±0.1mm。成型后，機器工作臺將會自行上升，直到升出液體樹脂表面，此時樣件也隨之升出液面，拿出模型，用酒精進行清洗等后續處理得到單個的模型零件，全部模型零件結果如圖4-18所示。全部模型零件組裝結果如圖4-19所示。圖4-18玩具水槍模型打印結果圖4-19玩具水槍裝配效果該產品不但運用了逆向工程技術，而且還運用了3D打印技術，其快速建模方法和生產特性在結構建模和零件加工方面明顯不同于原始產品。這些差異以及由它們形成的創新設計方法的轉變