逆向工程在激光内雕中的应用研究

0 引言

    传统的产品开发采用正向设计的方式完成，存在生产周期长，市场响应速度慢的问题，在很大程度上限制了新产品的开发速度。随着数字化制造技术，特别是现代测量技术的发展，自20世纪90年代以来，逆向工程技术作为一种先进的设计方法逐渐被引人到新产品的设计开发工作中，以避开艰苦的原始设计阶段，这是一种产品的再设计和超越过程，大大缩短了产品的开发周期，提高了产品在行业中的竞争地位。因此，逆向工程技术成为新产品开发过程中一项重要的技术手段，在汽车、工艺品、模具等行业应用广泛。

    随着激光技术的应用和发展，利用激光内雕工艺制作的各类玻璃、水晶工艺品具有高贵典雅的艺术魅力，传统工艺无法实现。鉴于正向设计复杂模型的难度高，采用逆向的方法进行激光内雕作品设计，有助于提高激光内雕作品的生产效率。本文以玩具模型挖土机的逆向设计与激光内雕为例，对逆向工程在激光内雕中的应用开展研究。

1 激光内雕的基本机理

    激光内雕就是利用激光在水晶（玻璃）内部进行图案雕刻。激光要实现对水晶的雕刻，其焦点能量密度须大于使水晶破坏的某一临界值，或称阈值。当激光器产生激光时，焦点处的能量能够使得水晶瞬间破裂，从而产生极小的白点。在加工过程中，通过控制激光束在水晶中的焦点位置，实现在不损伤水晶表面的情况下，在水晶内部特定位置进行打点，在水晶内部雕刻出预定的形状，实现水晶的白色内雕。

2 挖土机模型的逆向设计

    逆向工程是以实物样件为基础，通过现代三维数字化设备获取样件的三维几何信息，将其重构成CAD曲面模型和实体模型，并以此为依据加工出产品的一种先进技术。考虑到激光内雕加工实际上是点的雕刻，并且只有点的密度达到一定要求，才可以雕刻出视觉效果较好的作品，因此，需要将模型进行点云化处理或者适宜点云化处理的格式要求才可以进行后续加工。尽管在逆向处理过程中，采用逆向扫描的方法获取的实物三维点云数据，可以直接用于激光内雕，但是由于数据存在杂点、数据不平滑、部分表面存在缺陷等，点云分布不均因素，不能直接用于激光内雕，必须借助于逆向软件强大的模型重构功能进行优化。因此，基于逆向工程技术的基本原理，结合激光内雕机特殊的点云格式要求，在Geomagic studio软件环境下进行产品的逆向设计流程如图1所示。

    图1 产品逆向设计流程

2.1 数据采集

    由于玩具挖土机结构复杂（图2) ，无法一次完成整个模型的扫描，为提高数据采集效果，将模型拆分为6 个部分，采用手持式激光扫描仪进行扫描。该扫描仪扫描精度可以达到0.02mm，平均米样间距0.30 ~ 0.15mm，满足激光内雕作品的对模型形状精度的要求。扫描过程中，需要加强对模型复杂型面部分的数据获取，以保证获取数据的完整性。

    图2 挖土机模型

2.2 点云处理及曲面重构

    依据激光内雕的特殊的点云格式要求，扫描后的数据处理过程如图3 所示。在点处理阶段，为了得到高质量的点云，需要对点云数据进行预处理，首先分别对扫描的挖土机模型的各个部分点云数据进行着色、去除体外孤点、去噪处理，以提高点云数据的平滑度，减小扫描误差；其次，使用手动注册功能将预处理后的各个部分数据进行合并，合并后的挖土机模型点云如图4 所示。

    在多边形阶段，使用封装功能将点云数据合并为一个多边形网格模型，通过填充孔、松弛、删除钉状物、网格医生等功能对模型进行优化处理，处理后的模型表面光滑，结构完整，在对模型形状要求不高的前提下，可以不进行后续的形状处理，但是不能直接作为激光内雕加工的源文件。这主要是由于激光内雕要求点距约0.1mm，小于扫描仪0.30mm的采样间距，需要增加点云数量。考虑到多边形阶段模型三角网格的数量与初始采样点数量成正比，增加三角网格数量可以增加点云数量。软件中的“细化”功能是通过在网格曲面中增加顶点的方式来增加网格数量，使用该功能可以实现点云密化的效果。通过密化处理后的文件可以作为内雕加工的源文件。