陶瓷产品的数字化逆向设计分析

陈丽娟

摘要：近年来，随着我国科学技术水平与工艺制造水平的不断提升，对工艺品设计提出了更高的标准和要求。在陶瓷工艺品设计与生产领域，传统的手工制作模式已经很难满足市场的需求，目前，数字化逆向设计技术被越来越多地应用于陶瓷工艺产品的设计中。本文結合实例分析了陶瓷产品中数字化逆向设计的流程及要点。

关键词：陶瓷产品；数字化；逆向设计；应用

中图分类号：TP391.7

相较于传统的手工制作，数字化逆向设计在陶瓷产品设计中的应用，不仅使陶瓷产品的设计精度被大幅提高，并使模具设计的周期得到最大限度的缩短。深入分析研究数字化逆向设计技术在陶瓷产品中的有效运用，能够有效节省陶瓷生产加工过程中人力及物力投入，提高生产效率与生产质量，进而提高陶瓷产品的市场竞争力，对于我国陶瓷生产行业的发展具有重要意义。

一、陶瓷产品的数字化逆向设计流程

陶瓷产品的数字化逆向设计是利用计算机辅助设计技术将陶瓷产品转化成为工程概念模型和设计模式，并以此为基础对其进行分析处理、优化设计和再创造的过程。陶瓷产品的数字化逆向设计流程为：实物模型→分析模型→数据测量→数据处理→CAD曲面模型重构→仿形改制产品→制作系统CAM→模具→新产品。

二、陶瓷产品的数字化逆向设计要点

（一）数据测量

数据测量是陶瓷产品数字化逆向设计的基础。一些复杂形状的陶瓷产品，包含的细节特征多且杂，普通的三坐标测量仪很难获得准确的模型数据。目前，陶瓷产品数字化逆向设计中常用的测量设备为Model Shop Color 3D Scanner Bundle的3030RGB激光扫描仪。该设备的最小采样间隔可以达到100微米，工作台高度为300 毫米，长度是1000毫米，可以用于分割大型或复杂的零件模型

跟踪、数据扫描及拼接。首先模型必须竖直平放于工作台上，并利用胶泥对模型进行固定，扫描仪沿工作台作往复运动，同时工作台配合扫描仪作旋转运动，完成模型的侧面数据测量，然后再将模型侧面平放于工作台上，扫描仪对准其底部扫面出底部点云。最后将重叠部分的点云进行合并，可得出点云图，如图1所示。

（二）数据预处理

由于数据测量中不可避免地会出现许多的杂点和噪声点，不加以处理，会对后续的曲线和曲面重建造成影响。同时用激光扫描点云会有一些难以收集的模型特征，如内腔、里槽、边缘等部位，造成点云不连续，因而需要对点云进行填补。数据预处理中，可利用曲率的连续性特征，创建新的点云，使点云的模型更加完整，更接近接近真实的模型。完成数据预处理后，将文件格式转化为.STL，以方便后续的曲面重构。经过预处理后的点云模型如图2所示。

（三）三维模型重构

在三维模型重构过程中过多的点云数据会对运算速度造成影响。点云的过滤可利用弦高差在变化较小的曲面部位过滤掉尽量多的点，在变化较大的部分过滤掉尽量少点，这样可使模型特征更为明显。

基于点云来进行三角网格曲面创建，设置参数时，参数圆的直径需根据点云疏密度确定，使完成的三角网格曲面更直观。网格曲面根据曲面形状和曲率划分，使每个表面曲率变化相对较小，形状与规则图形越相近越好，比如椭圆形、圆形、矩形等，这有利于后续构建栅格。壶口根据点云分布特征，将其划分成四个与矩形近似的区域。

轮廓曲线根据前面划分的曲面进行创建，边界曲线根据点云节点进行分割，并将生成的节点连接成一条曲线。可以以创建的轮廓线作为后续拟合曲面的边界。轮廓线创建完成后，调整控制点在曲面的相对位置，使轮廓线符合曲率的变化和曲面的形状，防止出现不规则小块曲面。扩展轮廓线，使其生成一个轮廓曲面片，以此作为后续划分空白面板内曲面片的基准。根据曲面形状确定轮廓曲面片的宽度，可以将1作为曲面轮廓线宽度，进而生成轮廓曲面片。

空白面板内的曲面片以生成的轮廓曲面片为基础，使剩余的空白面板被曲面片填满。由于生成的曲面形状和尺寸不规则，其变化规律也与曲面变化规律不相符，因而需要调整曲面片，以方便后续的加工栅格。首先，曲面的顶点根据曲面形状进行重新划分，同时由于壶口部分点云被轮廓线分为了四块与矩形近似的区域，只需根据点云形状调整曲面片使点云网格化。同时调整矩形区域具有相同数量控制点的曲面边界，保证网格生成的路径数目一致，使生成的网格大致均匀规则。网格生成后，分别调整曲面各控制点的位置，这样可使最终得出的曲面片相对规则。

利用生成后曲面片对栅格进行构造，在曲面片的空白处生成N * N小块曲面片。生成的小块曲面片分辨率根据曲面形状确定。本文所用实例，其分辨率为15时最佳，可用于操作拟合曲面的细节最多。在保证点云精确的情况基础上可以将分辨率适当的提高，以反映产品更多的细节特征。但分辨率过高会导致运算困难冗长，且容易被噪声点影响。在实际模型的过程中分辨率应依据点云的具体情况而定。确定分辨率后，对相交区域进行检查并修复，以此完成栅格使用栅格曲面对NURBS曲面进行拟合，本文实例定义拟合公差是0.001毫米，通常情况下，控制点数量越多，其公差越小，模型细节特征与实物细节特征的差异也就越小，公差要求和控制点数量可根据曲面的特征进行调整。

最后利用图层管理，使用上述相同方法对模型其他部分完成NURBS曲面拟合。所有的曲面拟合完成后，缝合所有曲面，使其合成一个新的整体曲面。最终得出完整的实体模型图，如图3所示。

结束语：

陶瓷产品中数字化逆向设计技术的运用，需根据模型的特征和测量数据以及曲面的复杂程度，选择模型重构的类型。我国陶瓷产品中数字化逆向设计的运用需要与时俱进，顺应社会和科技的发展潮流，不断改进和创新。这样才能够真正地提升我国陶瓷产业的整体设计水平、生产效率以及生产质量，进一步促进我国陶瓷产业的发展。

参考文献：

[1]李刚.基于逆向工程的自由曲面重构技术研究[D].山东大学，2014.

[2]舒雨锋，赖朝安，孙延明.产品的数字化逆向设计制造研究[J].现代制造工程，2015，04：50-52.