简述扫描仪的工作原理步骤(扫描仪按扫描原理划分)

简述扫描仪的工作原理步骤(扫描仪按扫描原理划分)

首页办公设备扫描仪更新时间:2021-12-16 06:43:49

  摘 要: 利用逆向工程技术可借助现有产品造型实现功能改进,帮助设计师提高设计效率,实现设计创新。文章以一款电话造型的蓝牙音箱为例,重点介绍了逆向工程技术在产品创新设计中的实现方法,探讨了采用逆向设计方法进行创新设计时的技术要点。

  关键词: 逆向工程技术; 创新; Geomagic软件;

  引言

  逆向工程(Reverse Engineering,RE),又称反求工程,即利用三维扫描仪获取样件表面信息,经逆向软件处理后,再进行数字化模型重构,进而加工出产品的一种先进制造技术。逆向工程技术优势在于可借助现有产品外观,实现功能改良,或者造型改进,可节省设计周期,因此在产品创新设计中具有比较大的实用空间。

  随着逆向设计及3D打印技术的发展,个性化定制产品的需求呈现增加的趋势。本文采用逆向设计手段,对某仿真复古电话储钱罐进行改进,设计出一款电话造型的蓝牙音箱,丰富了一般蓝牙音箱的简单造型,实现了快速设计、个性化设计,进而总结出采用逆向设计手段进行产品创新时需要注意的地方。

 1、 创新过程分析

  爱因斯坦曾指出:“提出(发现)一个问题往往比解决一个问题更为重要……提出新的问题、新的可能性,从新的角度看旧问题,就需要创造性的想象力……”。颜惠庚在《技术创新方法实战》一书指出,所谓问题,就是系统应该或希望具有的理想状态与其目前状态之间的差距。因此,无论采用正向或逆向设计方法,首先务必明确要解决的问题。例如本设计,设计目标围绕如何改变蓝牙音箱的外观造型。采用逆向设计手段,通过现有产品设计一个新产品,首先应在分析功能和造型结构基础上,分析两个产品之间的相似相通之处及改进的可行性。新产品的功能必须稳定、完善,外观造型应美观、协调,改进设计不应牵强生硬,且符合一定的人机工程学设计原理。其次,分析功能硬件结构,确定硬件构成、尺寸规格及安装固定方式。第三,采集样件外观数据,处理后重新构建CAD数字模型,再根据装配需求进行结构设计。大部分新产品除外观有所变更外,由于添加了硬件,结构上都需要有改进,而此时设计者必须从材料、生产工艺、经济成本等多个方面进行考虑,科学设计。最后,利用3D打印技术快速制造样机,检验功能硬件与壳体的装配关系,找出问题,完善数字模型。反复修改,最终完成新产品的创新设计。

 2、 硬件结构分析

  蓝牙音箱一般由外壳、芯片、扬声器、电池及USB接口组成。硬件结构是外壳尺寸和固定结构设计的依据,设计前须反复试验,以期硬件达到十分稳定的功能,确定硬件结构。本设计采用某类型蓝牙芯片,尺寸不足30×15mm,体积小,且自带USB接口,可直接通过数据线供电,也可选择电池供电,功能比较稳定。

3、 逆向设计过程

  3.1、 外壳数据采集

  三维扫描仪包括光栅三维扫描仪(也称拍照式三维扫描仪)和激光扫描仪。光栅三维扫描包括白光扫描或蓝光扫描等,激光扫描仪可分为点激光、线激光、面激光。光栅三维(白光扫描)扫描仪工作原理是首先将白光投射到被测物体上,使用两个有夹角的摄像头对物体进行同步取像,之后对所取图像进行解码、相位操作等计算,最终对物体各像素点的三维坐标进行计算。而激光扫描仪采用的是激光测距的方式,即通过对被测物体表面大量点的三维坐标、纹理、反射率等信息的采集,来对其线面体和三维模型等数据进行重建。

  工业产品逆向设计中光栅三维扫描仪和激光扫描仪都适用,具体采用哪种类型扫描仪需要根据扫描范围、扫描精度要求、设备成本而定。为了保证逆向设计的精度,保证重构模型对原型的还原度,外观数据扫描时应保证:(1)数据完整;(2)杂点、噪音点尽量少;(3)点云尽量规整平滑;(4)保留其原始特征。扫描前需要粘贴标记点,粘贴要求如图1所示。

 3.2、 点云数据处理

  由于受外界光线和被测工件表面质量的影响,采集数据时经常会出现一些异常点,影响曲面重构的精确性。为保证后续曲面重构数据的精确性,需要去除这些异常点,故在进行模型的逆向重构前需要先对扫描所得点云数据进行预处理。目前比较流行的点云处理工具是Geomagic Wrap和Geomagic Studio软件,利用该软件可以将三维扫描获得的.TXT格式的三维点数据转化为.STL格式的三角面片,最终处理结果如图2所示。

3.3、 逆向建模

  逆向设计核心是数字化模型重构,一般来说,要求新模型的精度高,与原型之间偏差小,模型重构时首先要根据产品造型结构特点进行建模分析。以电话机机座逆向设计为例,该机座主要由底座造型、侧面曲面构成的基础主体和上面的电话支架、拨号盘等造型构成。基础主体为曲面形状,可以采用领域组拟合方法创建曲面,底座造型和支架部分的造型采用面片草图的方式,由平面直接截切面片,得到这一特征的断面轮廓,再根据轮廓曲线绘制图形,采用拉伸等命令创建实体或者曲面。最后采用曲面切割实体的方式,以及实体合并的方式得到完整的电话机座造型。

  需要注意一点,采用逆向工程进行创新设计时,并非所有结构都必须使用逆向软件来实现,需要保留的外观造型应进行重构,而其他结构部分采取正向手段也可实现,本例中,拨号盘将被设计成音箱的喇叭,安装扬声器,因此拨号盘不需要进行逆向建模,而是在其他建模软件,如Pro/Engineering软件中采用正向建模方式进行造型设计,如图3所示。是否采取逆向或正向建模,需要根据产品中结构的设计要求而定。

  同样道理,开关和USB接口也采用Pro/Engineering软件进行正向设计,电话机座主要建模过程如图4所示。

4、 创新设计

  采用逆向手段对产品外壳进行重构之后,即获得了基于现有产品的外观CAD三维数据,在此基础上设计者需根据装配要求进行结构完善。本例中,需要将机座底部做成可拆卸结构,以便安装蓝牙电路。因此需要再为其设计个底板。底板建模可在Pro/Engineering软件中完成。Pro Engineering软件是比较常用的工业产品设计软件,它的装配模块可以实现关联零件之间的尺寸配合设计。通过装配模型参照电话机座尺寸进行底板的正向建模,这样设计的优势是使后者与前者完美吻合,形成一个完整的音箱腔体。同时,在Pro/Engineering软件中完成电池、芯片和线路的固定结构设计。

  此外,利用逆向获得的CAD三维数据丰富产品功能也十分方便,本例中在音箱壳体内中间偏下方的位置设计一块隔离储钱空间,这样可以在现有产品功能基础上提升其使用价值。

 5 、结束语

  逆向工程作为产品创新设计方法之一,其优势在于可借助现有产品外观造型实现快速设计,并有助设计人员发挥创造力,从功能上进行创新。基于逆向技术进行创新设计时,并非只可以采用逆向建模手段,而是根据结构特点和设计需要,灵活使用正向建模和逆向建模手段。

 参考文献

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  [6] 颜惠庚,杜存臣.技术创新方法实战-TRIZ训练与应用[M].化学工业出版社,2006,3.

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