增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)：從概念到產(chǎn)品 課件 第3章 數(shù)字化建模技術(shù)及數(shù)據(jù)處理

第3章數(shù)據(jù)化建模技術(shù)及數(shù)據(jù)處理增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)：從概念到產(chǎn)品目錄contents32143.4模型文件格式轉(zhuǎn)換3.3逆向建模3.2圖片建模3.1軟件建模案例導(dǎo)入鳥型水杯充滿創(chuàng)意和趣味性，讓人見之心喜，它是怎么設(shè)計(jì)出來的？建立模型時(shí)使用了哪些軟件？建模需要怎樣的技巧？讓我們利用三維軟件一起體驗(yàn)一下理想和現(xiàn)實(shí)的交互吧。

本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1、認(rèn)知目標(biāo)掌握3D建?；A(chǔ)，掌握軟件、圖片、逆向建?；靖拍?、原理及其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，熟悉數(shù)字化建模的基本流程。掌握常見3D打印文件格式和轉(zhuǎn)換工具使用方法、特點(diǎn)及適用范圍，了解STL、OBJ、AMF、3MF等常用文件格式，并理解它們?cè)诓煌?D打印軟件和設(shè)備中的兼容性。2、能力目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生三維建模的能力，能夠熟練使用至少一款主流3D建模軟件，包括其界面操作、工具使用、模型創(chuàng)建與編輯、材質(zhì)貼圖、光照設(shè)置等，并能夠利用軟件建模工具進(jìn)行復(fù)雜形態(tài)的設(shè)計(jì)和制作。能夠通過圖片進(jìn)行3D建模的基本原理和步驟，包括圖像分析、輪廓提取、三維重構(gòu)等技術(shù)，能夠利用圖片信息快速生成3D模型。能夠熟悉掃描建模的流程，包括三維掃描設(shè)備的使用、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、模型修復(fù)與優(yōu)化等，能夠?qū)?shí)體物品轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，并理解掃描建模在逆向工程中的應(yīng)用。3、素養(yǎng)目標(biāo)

培養(yǎng)綜合建模能力運(yùn)用，學(xué)習(xí)者應(yīng)能夠綜合運(yùn)用軟件建模、圖片建模和掃描建模等多種方法，根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇最合適的建模方式，并能夠獨(dú)立完成從概念到產(chǎn)品的完整3D建模過程。提升創(chuàng)新設(shè)計(jì)與審美能力，學(xué)習(xí)者應(yīng)能夠運(yùn)用3D建模技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新，培養(yǎng)空間想象力和審美能力，提高設(shè)計(jì)作品的實(shí)用性和美觀性。3D打印的模型建模技術(shù)有軟件建模，圖片建模，掃描建模等。圖片建模是一種快速建模技術(shù)，它使用圖像處理軟件將二維圖像轉(zhuǎn)換為三維模型。圖片建模的優(yōu)點(diǎn)是可以快速生成簡單的三維模型，但這些模型的自由度和細(xì)節(jié)度通常較低。掃描建模是一種利用掃描儀或相機(jī)獲取物體表面的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為三維模型的方法。這種方法適用于復(fù)制復(fù)雜的物體或表面，如文物、人體等。掃描建模的優(yōu)點(diǎn)是可以高度還原物體的表面細(xì)節(jié)和形狀，但這種方法的成本較高，需要專業(yè)的設(shè)備和技能，模型的設(shè)計(jì)和建立是進(jìn)行3D打印工作的關(guān)鍵基礎(chǔ)和重要前提，從建模到打印到后處理的總體工藝流程如下圖所示。3.1軟件建模

軟件建模是常用的建模方法，它使用CAD軟件來創(chuàng)建三維模型。這些軟件通常具有強(qiáng)大的建模工具和豐富的模型庫，可以根據(jù)需要自定義模型并調(diào)整其參數(shù)。如圖所示，軟件建?？梢詣?chuàng)建高度自由的模型，并且可以在模型完成后進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，從而更好地滿足打印需求。軟件建模是我們學(xué)習(xí)3D打印的一個(gè)基礎(chǔ)且重要的環(huán)節(jié)，可以使我們腦袋里設(shè)想的模型與現(xiàn)實(shí)模型進(jìn)行一個(gè)交互，是把想象變成現(xiàn)實(shí)的一個(gè)過程。在選擇建模方法和工具時(shí)，需要考慮軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)和需求，選擇適合的建模語言和工具。例如，對(duì)于復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，可能需要使用面向?qū)ο蠼７椒?，使用UML語言進(jìn)行描述。對(duì)于簡單的軟件系統(tǒng)，可以使用結(jié)構(gòu)化建模方法，使用流程圖等工具進(jìn)行描述。軟件建模同時(shí)也是一個(gè)復(fù)雜的過程，它需要通過對(duì)軟件系統(tǒng)的深入理解和分析，建立合適的模型來描述其結(jié)構(gòu)、行為和功能。這個(gè)過程需要經(jīng)過多個(gè)步驟，包括確定建模的目的和范圍、收集需求和分析問題、設(shè)計(jì)模型、建立模型、驗(yàn)證和修改模型以及交付和使用模型。目前使用較多的建模軟件如下表所示：軟件名稱公司名稱軟件特點(diǎn)Creo（PTC)草圖繪制，零件制作，裝配設(shè)計(jì)，鈑金設(shè)計(jì)，加工處理SolidWorks達(dá)索系統(tǒng)（DassaultSystemesS.A）功能強(qiáng)大。易學(xué)易用，技術(shù)創(chuàng)新UGSiemensPLMSoftware公司實(shí)體造型，虛擬造型，產(chǎn)生工程圖，有限元分析，機(jī)構(gòu)分析，動(dòng)力分析，方針學(xué)模擬Rhino美國RobertMcNeel&Assoc三維動(dòng)畫制作、工業(yè)制造、科學(xué)研究以及機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域C4D德國Maxon公司強(qiáng)大的3D建模、動(dòng)畫和渲染軟件，它的全稱是Cinema4D。廣泛應(yīng)用于影視、廣告、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域本節(jié)Proe/Creo建模為例按流程大致講解一下靜脈槍扳機(jī)的建模過程，扳機(jī)的具體建模操作參見7.1.4章節(jié)的內(nèi)容。1、導(dǎo)入掃描模型：先把扳機(jī)的掃描的STL文件導(dǎo)入到犀牛中，進(jìn)行前期掃描數(shù)據(jù)處理，通過犀牛把多余的雜面給刪除。將模型與犀牛的全局坐標(biāo)對(duì)齊，對(duì)齊后保存為STL文件。2、繪制外輪廓線：創(chuàng)建草繪特征，選擇TOP平面為草繪平面，將模型的外輪廓用樣條曲線草繪出來。3、拉伸草圖：直接在模型樹選中Step2創(chuàng)建的草繪，再選擇拉伸命令，拉伸高度為2.8mm。4、繪制表面特征：參照掃描模型，繪制扳機(jī)表面肋板、凸臺(tái)等特征。5、邊緣倒角：對(duì)繪制的扳機(jī)模型邊緣進(jìn)行倒圓角操作，即最終完成模型。3.1.1軟件建模實(shí)例3.2圖片建模圖片建模技術(shù)分為單張圖片建模和多張圖片建模。單張圖片建模指的是單張圖片生成的浮雕模型，多張圖片建模指的是利用照相機(jī)等設(shè)備對(duì)物體進(jìn)行多張圖片采集,隨后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形圖像處理以及三維計(jì)算,最終生成被拍攝物體的三維模型。照片建模技術(shù)可以大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，也可以提供更加精準(zhǔn)的三維模型數(shù)據(jù)。使用傻瓜照相機(jī)、手機(jī)攝像、高級(jí)數(shù)碼單反相機(jī)或無人機(jī)拍攝物體、人物或場景,可將數(shù)碼照片迅速轉(zhuǎn)換為三維模型。使用傻瓜照相機(jī)、手機(jī)、高級(jí)數(shù)碼單反相機(jī)或無人機(jī)拍攝物體、人物或場景,可將數(shù)碼照片迅速轉(zhuǎn)換為三維模型。用普通的bmp、jpg格式的照片生成浮雕，這個(gè)比較簡單了，Cura切片軟件就有這個(gè)功能，具體方法是，Cura軟件把照片轉(zhuǎn)換成黑白的，然后根據(jù)不同點(diǎn)的灰度不同，生成不同點(diǎn)的深度值，這樣就可以生成一個(gè)浮雕效果的模型，其具體流程如下圖所示。3.2.1單張圖片建模實(shí)例第一步：選取圖片（圖片可以是jpg.、png.、wmf.等格式。）第二步：打開切片軟件，切片軟件可以選擇（cura、simplify、hora）現(xiàn)以cura軟件為例，打開cura，進(jìn)入初始界面。在圖中，我們可以看到一個(gè)界面被分為左右兩格。左側(cè)區(qū)域包含菜單欄和控制面板，主要用于調(diào)整打印質(zhì)量和支撐參數(shù)。右側(cè)則是3D顯示窗口，該窗口提供了對(duì)加載模型的觀察、調(diào)整以及切片文件保存的功能。用戶可以通過多種顯示方式來細(xì)致地觀察模型。為了幫助用戶更好地理解和使用這些功能，我們將首先演示如何載入和查看3D模型。用戶只需在右側(cè)3D瀏覽窗口的左上角按下Load按鈕，即可開始載入模型。首先單擊“文件”，然后單擊“打開模型”meshfile文件類型,包括stl,obj等網(wǎng)格面片文件，imagefile文件類型，包括bimp,jpeg,png等圖像文件，還有GCode文件，包括.G,Gcode加工類文件。選擇imagefiles文件，調(diào)入準(zhǔn)備好的東京塔.jpeg圖片，就可以將圖片導(dǎo)入進(jìn)來。第三步：導(dǎo)入之后界面會(huì)出現(xiàn)下圖所示，其中最下面的選線darkerishigher控制圖片按照灰度打印，其中顏色越深打印的高度越高。反之，lighterishigher選項(xiàng)，控制灰度圖片以顏色越淺打印的高度越高。Nosmoothing選項(xiàng)，控制打印質(zhì)量，其中分為三種Nosmoothing，這里我們一般將高度設(shè)置為3mm，長度設(shè)置為90mm，寬度設(shè)置為1200mm。第四步：生成并檢查浮雕模型。第五步：單擊“文件”，然后點(diǎn)擊“打印當(dāng)前模型”，開始打印。在打印圖片時(shí)，必須確保使用100%的填充率。這樣做是為了通過控制層厚來有效遮光，從而準(zhǔn)確還原圖片的亮度值，并展現(xiàn)其豐富的層次和陰影。若不遵循這一原則，圖片打印將失去其應(yīng)有的意義。因此，圖片打印必須是實(shí)心的，以確保最佳的打印效果。如圖對(duì)比填充率為20%和100%之間的區(qū)別。用Autodesk123DCatch軟件還原這個(gè)小金人的模型，其流程如下。3.2.2多張圖片建模實(shí)例第一步：選取實(shí)物模型。第二步：首先將模型擺放在一個(gè)光線均勻的場景來進(jìn)行拍攝，在參數(shù)設(shè)置方面，要設(shè)置合適的快門速度來避免動(dòng)態(tài)模糊。第三步：接著拍著多個(gè)不同方位和角度的照片，并保證照片和照片之間，保持70%以上的重疊度，在拍攝照片時(shí)，有個(gè)小技巧，像削蘋果皮一樣一層一層的360°環(huán)繞拍照，可以保證不漏過每個(gè)細(xì)節(jié)，拍攝的照片越多，最后得到的數(shù)據(jù)模型就越精細(xì)。第四步：在獲得好所有照片之后，就可以準(zhǔn)備模型重建了，Autodesk的123DCatch，用大概20張照片可以合成出三維模型出來。上面cherrychen提到的3DCloud應(yīng)該是類似的原理。在Autodesk123DCatch軟件中單擊CreateaNewCapture(創(chuàng)建新的項(xiàng)目)，選中模型的所有照片,然后單擊打開，單擊CreateProject(創(chuàng)建項(xiàng)目),此時(shí)在彈出的對(duì)話框中輸入三維模型的名稱等信息,然后單擊Create(創(chuàng)建)，Autodesk123DCatch軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行解算，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理并貼圖之后，即獲得我們所需要的模型。第五步：將生成的模型導(dǎo)入切片軟件進(jìn)行打印。如圖所示，對(duì)于復(fù)雜的模型也可以用這種方法進(jìn)行建模，例如有人用無人機(jī)環(huán)繞洛陽老君山峰頂建筑拍照將近10000張，成功還原出這座世界文化遺產(chǎn)的古老建筑。3.3逆向建模3.3.1逆向工程概述

逆向工程定義逆向建模技術(shù)即逆向工程(reverseengineering,RE),也稱為反求工程,是從實(shí)物樣本獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型并制造得到新產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù),已經(jīng)成為增材制造中的一個(gè)研究和應(yīng)用熱點(diǎn),并發(fā)展成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)領(lǐng)域。在這一意義下,“逆向工程”可定義為:將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。1

逆向工程前沿逆向工程技術(shù)可以解構(gòu)為三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)采集技術(shù)、逆向重構(gòu)技術(shù)(數(shù)據(jù)點(diǎn)云的預(yù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)分塊與曲面重構(gòu)、CAD模型創(chuàng)新構(gòu)造)、增材制造技術(shù)或CAM技術(shù)。逆向工程工作流程如下圖所示，一般為：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲面和三維實(shí)體重構(gòu)、修改或創(chuàng)新設(shè)計(jì)以及實(shí)物制造等5個(gè)步驟。其中，從數(shù)據(jù)采集到CAD模型建立的關(guān)鍵技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。目前，數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要以三坐標(biāo)測量和激光三維掃描技術(shù)為主，三維掃描技術(shù)經(jīng)歷了從單點(diǎn)測量到線掃描、面掃描的發(fā)展過程，隨著計(jì)算機(jī)視覺和人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，三維掃描技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善。2

逆向工程應(yīng)用領(lǐng)域(1)新產(chǎn)品開發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品正朝著美觀化、藝術(shù)化的方向發(fā)展,產(chǎn)品的工業(yè)美學(xué)設(shè)計(jì)逐漸納入創(chuàng)新設(shè)計(jì)的范疇。為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì),可將工業(yè)設(shè)計(jì)和逆向工程結(jié)合起來共同開發(fā)新產(chǎn)品，如圖所示打印的時(shí)尚馬頭創(chuàng)意涼鞋。3(2)產(chǎn)品的仿制和改型設(shè)計(jì)在只有實(shí)物而缺乏相關(guān)技術(shù)資料(圖紙或CAD模型)的情況下,利用逆向工程技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)處理,重建與實(shí)物相符的CAD模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)的操作,如模型修改、零件設(shè)計(jì)、有限元分析、誤差分析、數(shù)控加工指令生成等,最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的仿制和改進(jìn)，如圖所示，對(duì)汽車內(nèi)飾車前蓋的升級(jí)改造，需要在原有的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，通過逆向的方式進(jìn)行掃描建模，然后便可以在模型上進(jìn)行接下來的升級(jí)改造工作。(3)快速原型制造快速原型制造(rapidprototypingmanufacturing,RPM),綜合了機(jī)械、CAD、數(shù)控、激》以及材料科學(xué)等各種技術(shù),已成為新產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的有效手段,其制作過程是在CAD模型的直接驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行的。逆向工程恰好可為其提供上游的CAD模型。兩者結(jié)合組成了產(chǎn)品測量、建模、修改、再測量的閉環(huán)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的快速反復(fù)選代，如圖所示，對(duì)打結(jié)器齒輪盤進(jìn)行掃描和建立模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的更新和快速制造。(4)產(chǎn)品的數(shù)字化檢測這是逆向工程一個(gè)新的發(fā)展方向。對(duì)加工后的零部件進(jìn)行掃描測量,獲得產(chǎn)品實(shí)物的數(shù)字化模型,并將該模型與原始設(shè)計(jì)的幾何模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)比較,可以有效檢測制造誤差,提高檢測精度，如圖所示，對(duì)變速箱底座進(jìn)行掃描和偏差檢測。另外,通過CT掃描技術(shù),還可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)診斷及量化分析等,從而實(shí)現(xiàn)無損檢測。(5)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域斷層掃描如圖所示，先進(jìn)的醫(yī)學(xué)斷層掃描儀器，如CT等能夠?yàn)獒t(yī)學(xué)研究與診斷提供高質(zhì)量的斷層掃描信息，為人體骨骼的CAD建模提供了良好的條件。在反求人體骨骼CAD模型的基礎(chǔ)上，利用快速成形(RP)技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地制造骨骼替代物的三維模型，為組織工程進(jìn)入定制階段奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為疾病醫(yī)治提供輔助手段。(6)服裝、頭盔等的設(shè)計(jì)制造根據(jù)個(gè)人形體的差異,采用先進(jìn)的掃描設(shè)備和曲面重構(gòu)軟件,快速建立人體的數(shù)字化模型,從而設(shè)計(jì)制造出頭盔、鞋、服裝等產(chǎn)品,并使人們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)上就能定制自己所需的產(chǎn)品同樣,在航空字航領(lǐng)域,字航服裝的制作要求非常高,需根據(jù)不同體形特制,逆向工程中參數(shù)化特征建模為實(shí)現(xiàn)批量的定制頭盔和衣服的制作提供了新思路。(7)藝術(shù)品、考古文物等的復(fù)制如圖所示。應(yīng)用逆向工程技術(shù),還可以對(duì)工藝品、文物等進(jìn)行復(fù)制,可以方便地生成基于實(shí)物模型的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、虛擬場景等。在逆向工程中，測量設(shè)備和方法的選擇至關(guān)重要。如圖所示。由于測量原理的多樣性，需要根據(jù)具體需求和條件來選擇合適的測量方法。接觸式測量方法包括基于力-變形原理的觸發(fā)式和連續(xù)式數(shù)據(jù)收集，而激光三角測量法、激光測距法、光干涉法、結(jié)構(gòu)光法、圖像分析法等是非接觸式測量的常見方法。這些方法各有特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)被測物體的形體特征和應(yīng)用目的來決定。3.3.2光學(xué)測量技術(shù)原理及軟件設(shè)備

激光三角法（1）直射式激光三角法如圖所示。激光三角法測量原理主要是利用激光器（光源）、成像系統(tǒng)（相機(jī)加鏡頭）、被測物體之間的三角幾何關(guān)系得到被測物體表面的距離關(guān)系。直射式激光三角法是指激光器打下的激光線垂直入射到被測物表面，如圖所示。假設(shè)B為基準(zhǔn)面上一個(gè)測量點(diǎn)，是激光器發(fā)射出的激光入射光線形成的一個(gè)基準(zhǔn)面上的光入射點(diǎn)，然后光入射點(diǎn)在物體表面發(fā)生夾角為α的漫反射后在光敏器件成像為B’點(diǎn)，A點(diǎn)為被測物表面一點(diǎn)，其在光敏面上的成像點(diǎn)為A’，AB為入射光束，BB’為反射光束，AB與BB’之間的夾角即為BB’與A’B’的夾角，B點(diǎn)、B’與成像面之間的垂直距離分別為物距L、像距L’。1

激光三角法（2）斜射式激光三角法如圖所示，斜射式激光三角法測量原理如圖所示。設(shè)激光入射光線與基準(zhǔn)參考面法線所成的角度為，法線與BB'所成的夾角為，B點(diǎn)、B'與成像面之間的垂直距離分別為物距L、像距L'，為BB'與A'B的夾角，AH垂直BB'，A'H'垂直BB'，根據(jù)三角形相似關(guān)系，可得到ΔOHA～ΔOH'A'。1

激光相位移法激光相位移法是調(diào)節(jié)激光脈沖的功率，其測量原理如下圖所示，掃描儀會(huì)對(duì)發(fā)送出去的光束和返回到傳感器的光束的相位進(jìn)行比較，根據(jù)相位移測量來獲得更精確的空間點(diǎn)的距離信息。2

結(jié)構(gòu)光

結(jié)構(gòu)光(StructuredLight)法和上述的激光相位移法都是基于激光三角測量法原理，由結(jié)構(gòu)光投射器向被測物體表面投射可控制的光點(diǎn)、光條或光面結(jié)構(gòu)，并由圖像傳感器(如CCD攝像機(jī))獲得圖像，利用三角測量原理計(jì)算得到物體表面的三維坐標(biāo)點(diǎn)云。結(jié)構(gòu)光測量方法具有計(jì)算簡單、體積小、價(jià)格低、量程大、便于安裝和維護(hù)的特點(diǎn)，但是測量精度受物理光學(xué)的限制，存在遮擋問題，測量精度與速度相互矛盾，難以同時(shí)得到提高。結(jié)構(gòu)光3D掃描技術(shù)以共角測量為基礎(chǔ)，通過光線的編碼構(gòu)成多種多樣的視覺傳感器，如下圖所示。它主要分為點(diǎn)結(jié)構(gòu)光法、線結(jié)構(gòu)光法和面結(jié)構(gòu)光法。3(1)點(diǎn)結(jié)構(gòu)光法激光器投射一個(gè)光點(diǎn)到待測物體表面，被測點(diǎn)的空間坐標(biāo)可由投射光束的空間位置和被測點(diǎn)成像位置所決定的視線空間位置計(jì)算得到。由于每次只有一點(diǎn)被測量，為了形成完整的三維面形，必須對(duì)物體逐點(diǎn)掃描測量。它的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)處理比較簡單，缺點(diǎn)是圖像攝取和圖像處理需要的時(shí)間隨著被測物體的增大而急劇增加，難以完成實(shí)時(shí)測量。(2)線結(jié)構(gòu)光法用線結(jié)構(gòu)光代替點(diǎn)光源，只需要進(jìn)行一維掃描就可以獲得物體的深度圖像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理的時(shí)間大大減少。線結(jié)構(gòu)光測量時(shí)需要利用輔助的機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)光條投影部分，從而完成對(duì)整個(gè)被測物體的掃描。與點(diǎn)結(jié)構(gòu)光法相比，其硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，數(shù)據(jù)處理所需的時(shí)間也更短。(3)面結(jié)構(gòu)光法該系統(tǒng)由投影儀和面陣CCD組成。如下圖所示。測量時(shí)光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光(條紋圖案)到待測物體上，呈一定夾角的兩個(gè)攝像頭同步采集相應(yīng)圖像，光柵是一種光學(xué)器件，一般常用的是在玻璃片上刻出大量平行痕形成透光和不透光的部分，當(dāng)然投射的結(jié)構(gòu)光圖案不止條紋這一種，當(dāng)投射的結(jié)構(gòu)光圖案比較復(fù)雜的時(shí)候，為了確定物體表面點(diǎn)與其圖像像素點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要對(duì)投射的結(jié)構(gòu)光圖案進(jìn)行編碼，然后對(duì)圖像進(jìn)行解碼和相位計(jì)算，并利用三角形測量原理解出兩個(gè)攝像機(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)。關(guān)于結(jié)構(gòu)光編碼這里就不展開了，它的特點(diǎn)是不需掃描，適合直接測量。現(xiàn)在主流使用的3D掃描設(shè)備為面結(jié)構(gòu)光+紅外激光結(jié)合的原理，如德國GOM高慕光學(xué)測量公司的GOMATOSQ設(shè)備，這種技術(shù)結(jié)合了結(jié)構(gòu)光掃描和激光掃描的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高精度、高速度的3D測量和建模。面結(jié)構(gòu)光技術(shù)通過投射特定的光柵或條紋圖案到物體表面，并利用相機(jī)捕捉這些圖案的變形，從而獲取物體表面的三維信息。這種技術(shù)能夠提供較高的測量精度，適用于復(fù)雜形狀的物體。同時(shí)，面結(jié)構(gòu)光掃描可以實(shí)現(xiàn)快速測量，大大提高工作效率。而紅外激光技術(shù)則通過發(fā)射激光束并測量其反射回來的時(shí)間或角度，從而獲取物體的三維坐標(biāo)。紅外激光掃描具有較遠(yuǎn)的測量距離和較高的測量速度，特別適用于大型物體或場景的掃描。將面結(jié)構(gòu)光與紅外激光結(jié)合，可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，提高3D掃描的穩(wěn)定性和魯棒性。在面對(duì)不同材質(zhì)、顏色和反光性的物體時(shí)，結(jié)構(gòu)光和紅外激光的互補(bǔ)作用可以使掃描結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

逆向工程軟件Creaform的3D掃描儀系列搭配3DSystems的Geomagic軟件可快速實(shí)現(xiàn)逆向工程建模和模型比對(duì)檢測，如圖所示為本小節(jié)重點(diǎn)介紹Geomagic系列軟件和醫(yī)學(xué)逆向軟件Mimics。4

逆向掃描設(shè)備（1）手持式三維掃描儀如下圖所示，以KSCAN系列復(fù)合式三維掃描儀為例，手持式三維掃描儀是一種便攜式的三維測量設(shè)備，它利用激光或光學(xué)投影技術(shù)，通過掃描物體表面獲取其三維形狀和幾何數(shù)據(jù)。這種設(shè)備具有許多優(yōu)點(diǎn)，如高分辨率、高精度、自動(dòng)多分辨率、雙掃描模式、自定位等特性，使其在工業(yè)設(shè)計(jì)、質(zhì)量檢測、逆向工程、機(jī)器人導(dǎo)引、文物保護(hù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。5（2）跟蹤式三維掃描儀

如下圖所示，以Creaform的3D掃描儀為例，跟蹤式三維掃描儀是一種高精度、高效率的三維測量設(shè)備，它結(jié)合了光學(xué)、機(jī)械和電子技術(shù)，能夠在各種環(huán)境下對(duì)物體進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的三維掃描和數(shù)據(jù)采集。跟蹤式三維掃描儀的工作原理主要基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)或激光掃描技術(shù)。在掃描過程中，設(shè)備會(huì)向被掃描物體投射光線，并通過高精度相機(jī)捕捉反射回來的光線。同時(shí)，掃描儀內(nèi)部的跟蹤系統(tǒng)會(huì)對(duì)相機(jī)的位置和姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和校準(zhǔn)，以確保掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。其跟蹤式三維掃描儀的操作流程可在官網(wǎng)查看。（3）大空間掃描儀大空間掃描通常指的是在大范圍或大型空間內(nèi)進(jìn)行的掃描活動(dòng)，主要用于獲取該空間內(nèi)的詳細(xì)三維數(shù)據(jù)。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑、規(guī)劃、考古、制造業(yè)等眾多領(lǐng)域，有助于實(shí)現(xiàn)精確的測量、分析和設(shè)計(jì)。大空間掃描可以用于建筑測量和規(guī)劃，獲取建筑物的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸，為建筑設(shè)計(jì)和改造提供精確數(shù)據(jù)。在文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，大空間掃描可以用于創(chuàng)建虛擬博物館和展覽，讓觀眾在線上探索文化遺產(chǎn)。此外，該技術(shù)還可用于環(huán)境監(jiān)測、交通事故處理、軍事分析等領(lǐng)域。如下圖所示，美國FAROFOCUSS350大空間激光掃描儀掃描的街道三維模型。（4）激光跟蹤儀激光跟蹤儀主要用于百米大尺度空間三維坐標(biāo)的精密測量，集激光干涉測距技術(shù)、光電檢測技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論于一體，在大尺度空間測量工業(yè)科學(xué)儀器中具有極高的精度和重要性，是同時(shí)具有μm級(jí)別精度、百米工作空間的高性能光電儀器。激光跟蹤儀可用于尺寸測量、安裝、定位、校正和逆向工程等應(yīng)用，是功能強(qiáng)大的計(jì)量檢測工具，如下圖Leica徠卡AT960ATS600激光跟蹤儀。逆向工程需要現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)來處理數(shù)據(jù)，以Geomagic處理掃描螃蟹模型來建模的過程為例，講解數(shù)據(jù)處理流程及方法，如下圖所示，首先通過手持式creaformvxtrackc-track780掃描儀掃描出螃蟹模型獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。3.3.3逆向建模技術(shù)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)在逆向工程中,對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理是完成被測物體模型掃描后的第一步。在數(shù)據(jù)的采集中,由于隨機(jī)(環(huán)境因素等)或人為(工作人員經(jīng)驗(yàn)等)的原因,會(huì)引起數(shù)據(jù)的誤差,使點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含噪音,造成被測物體模型重構(gòu)曲面的不理想,從光順性和精度等方面影響建模質(zhì)量，因此需在三維模型重建前去除多余的點(diǎn);由于被測物體形狀過于復(fù)雜,導(dǎo)致掃描時(shí)產(chǎn)生死角而使數(shù)據(jù)缺損,這時(shí)就要對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ);為了提高掃描精度,掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可能會(huì)很大,且其中會(huì)包括大量的冗余數(shù)據(jù),應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡;如果不能一次將物體的數(shù)據(jù)信息全部掃描,就要從各個(gè)角度進(jìn)行多次掃描,再對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行拼接,以形成完整的物體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這些便是點(diǎn)階段對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理過程，由點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合成曲線，由曲線再擬合成曲面，所以第一步點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理至關(guān)重要。1

多邊形處理技術(shù)多邊形網(wǎng)格化是將預(yù)處理過的點(diǎn)云集,用多邊形相互連接,形成多邊形網(wǎng)格,其實(shí)質(zhì)是數(shù)據(jù)點(diǎn)與其臨近點(diǎn)間的拓?fù)溥B接關(guān)系以三角形網(wǎng)格的形式反映出來。點(diǎn)云數(shù)據(jù)集所蘊(yùn)涵的原始物體表面的形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以通過三角形網(wǎng)格的拓?fù)溥B接揭示出來。如下圖所示，螃蟹模型多邊形處理過程：多邊形圖像模型是許多大小不一的三角形面片組成的。使用松弛、刪除釘狀物、減少噪音、順滑、砂紙等功能對(duì)模型上凸出、尖銳部分進(jìn)行修改，提高模型表面質(zhì)量。對(duì)于未掃描到、有缺損的孔洞，可使用填充單個(gè)孔功能進(jìn)行填充。對(duì)于有變形或角度不合適的或模型缺失部分，如此處螃蟹腿部缺失一塊，略微修整邊界后利用邊界孔填充缺失部分，再通過偏移欄-雕刻-區(qū)域變形功能對(duì)選中部分進(jìn)行拉伸，以達(dá)到所需程度。螃蟹右鉗未分開，為和左鉗一致，將需開口處面片刪除，然后使用搭橋功能構(gòu)建出蟹鉗上凸起的齒狀物輪廓，然后將剩余部分進(jìn)行平滑曲率的孔填充，得到分開的蟹鉗效果，最后對(duì)齊坐標(biāo)系，進(jìn)入下一部曲面重構(gòu)階段。2

精確曲面處理技術(shù)曲面的重構(gòu)類型有參數(shù)曲面和精確曲面兩種。參數(shù)曲面適用于較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)比如各種機(jī)械零部件。精確曲面是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、擁有不規(guī)則曲面的模型的重構(gòu)。精確曲面是一組四邊曲面片的集合體。首先根據(jù)模型表面的曲率變化生成輪廓線,對(duì)輪廓線進(jìn)行編輯,通過劃分輪廓線將模型整個(gè)表面劃分為多個(gè)獨(dú)立的曲面區(qū)域，而后對(duì)多個(gè)區(qū)域鋪設(shè)曲面片,使模型成為一個(gè)由較小的四邊形曲面片組成的集合體;然后將每個(gè)邊形曲面片經(jīng)格柵處理為指定分辨率的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，最后將每個(gè)曲面片擬合成NURBS曲面并進(jìn)行曲面合并,得到最終的精確曲面。相鄰曲面片之間是滿足全局G1連續(xù)的。經(jīng)精確曲面階段處理所得NURBS曲面能以“*igs”或“*iges”等通用格式文件輸出，并輸人到CAD/CAM系統(tǒng)中進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)，或者輸出到可視化系統(tǒng)中進(jìn)行顯示。如下圖所示，下面是螃蟹模型的參數(shù)曲面處理過程：3

參數(shù)曲面重構(gòu)技術(shù)參數(shù)曲面是一組具有尺寸大小、約束關(guān)系的曲而經(jīng)裁剪、縫合后形成的曲面。首先根報(bào)模型表面的曲率變化生成分隔符,并對(duì)分隔符進(jìn)行編輯,劃分模型的主區(qū)域和連接區(qū)域,通過將主區(qū)域進(jìn)行分類,識(shí)別出模型的不同特征(特征可分為規(guī)則特征和非規(guī)則特征,其中規(guī)則特征包括平面、圓柱等,非規(guī)則特征包括自由曲面等),然后將各特征進(jìn)行擬合,生成參數(shù)化主曲面。通過參數(shù)化主曲面表達(dá)模型特征，同時(shí)將連接區(qū)域擬合,生成連接曲面。最后將所生成的主曲面和連接曲面進(jìn)行裁剪、縫合,形成連續(xù)、封閉的參數(shù)化曲面模型。在逆向建模過程中,可以將一些特定區(qū)域識(shí)別為帶有參數(shù)的特征,常見的參數(shù)化特征包含平面、拉伸面、圓柱面、球面、圓錐面等。為了將這些容易參數(shù)化的幾何體從參照體中抽取出來,我們需要對(duì)多邊形對(duì)象進(jìn)行輪廓的探測,以及劃分。針對(duì)合適的曲面,便可以通過將區(qū)域分類為平面、拉伸、圓柱、球、圓錐、放樣、自由曲面和掃掠等特征表達(dá)出來,體現(xiàn)初始設(shè)計(jì)意圖;同時(shí)我們還可以得到定義這些特征的內(nèi)在參數(shù),如線段的長度、圓角的半徑等。而余下的曲面則可以采用自由曲面進(jìn)行擬合,當(dāng)然我們還可以給定擬合曲面的精度和光順度要求。之后,對(duì)提取出來的特征曲進(jìn)行裁剪、縫合,便能得到一個(gè)閉合的曲面,從而生成實(shí)體模型。在此基礎(chǔ)之上,還可以通過修改特征參數(shù)的方式進(jìn)行模型更改,并添加新的細(xì)節(jié)特征來進(jìn)行重新造型。4

醫(yī)學(xué)逆向工程案例-股骨髁模型提取在康復(fù)醫(yī)療逆向工程方面，常用到的不止上節(jié)內(nèi)容說到的Geomagic軟件，還有Mimics軟件，Mimics軟件以其強(qiáng)大的三維重建能力和便捷的圖像分割工具箱，在醫(yī)學(xué)圖像處理領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的性能和廣泛的應(yīng)用前景。自1992年問世以來，便以其卓越的性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域贏得了用戶的青睞。它專注于實(shí)現(xiàn)基于斷層數(shù)據(jù)的三維重建，如下圖所示醫(yī)學(xué)逆向工程模型重構(gòu)方法。3.3.4逆向工程掃描建模實(shí)例1如右圖所示為Mimics軟件界面，為了獲取真實(shí)的股骨髁模型，本節(jié)首先將DICOM格式的人體膝關(guān)節(jié)CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics進(jìn)行模型處理。如圖所示，根據(jù)不同組織的灰度閾值差異，利用三維閾值分割和三維增長分割等功能將股骨髁從膝關(guān)節(jié)中進(jìn)行篩選，并利用區(qū)域增長功能除去不需要的部分，獲得股骨髁的STL格式文件。為后續(xù)的三維重建，通過根據(jù)需要設(shè)定不同的閾值，如下圖所示，將圖像中的像素按照灰度級(jí)別或其他特征進(jìn)行劃分。例如，在骨骼分割中，通過設(shè)定合適的閾值，可以將骨骼組織與其他組織區(qū)分開來，從而實(shí)現(xiàn)精確的骨骼提取。閾值選取過程中隨著滾動(dòng)條改變，左側(cè)被覆蓋的區(qū)域也會(huì)同步變化，可以通過觀察圖像效果初步檢查結(jié)果是否合適。為盡可能避免數(shù)據(jù)丟失，閾值下限設(shè)定不可太大，以目標(biāo)區(qū)域能夠完整覆蓋明亮骨骼結(jié)構(gòu)并且沒有突出毛刺和冗余部分為宜。完成閾值設(shè)定后“apply”生成二維的蒙版數(shù)據(jù)，如下圖所示即目標(biāo)圖像。如圖所示，使用Mimics中的編輯蒙版（EditMasks）工具，將模板破碎的邊緣補(bǔ)齊。蒙版邊緣修復(fù)a)蒙版修復(fù)前b)蒙版修復(fù)后修復(fù)后的模型如下圖所示，此時(shí)股骨髁模型模型包括大量釘狀物等缺陷，同時(shí)也不適合三維軟件直接編輯，因此需要進(jìn)行模型后處理。通過GeomagicWrap逆向工程軟件，將STL文件導(dǎo)入該軟件進(jìn)行缺陷修復(fù)，利用曲面識(shí)別和封裝功能將股骨髁模型修復(fù)完善。在封裝過程中需要進(jìn)一步對(duì)三角面片重新計(jì)算，自動(dòng)造面制造柵格，獲得三維設(shè)計(jì)軟件可用的STEP格式。初步修復(fù)后的股骨髁模型模型整體光順對(duì)光順后的模型進(jìn)行重畫網(wǎng)格(Remesh)操作，這個(gè)命令的主要目的是改進(jìn)模型的網(wǎng)格質(zhì)量，通過重新生成模型的網(wǎng)格，重畫網(wǎng)格命令可以消除原始網(wǎng)格中的不良元素，如扭曲的三角形、尖銳的邊角或過大的面片。重新生成的網(wǎng)格將具有更均勻的元素大小和更好的形狀，從而進(jìn)一步提高模型的幾何精度和光順性。重畫網(wǎng)格前的三角面片為45012個(gè)，重畫后為51320個(gè)，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行3倍細(xì)分優(yōu)化，最終三角面片為153960個(gè)。在上一步中，已經(jīng)得到了光順的股骨髁模型，但該模型仍未面片形式，沒有實(shí)體特征。因此，需要對(duì)該模型進(jìn)行精確曲面(ExactSurfacing)命令，使用該工具將多邊形網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為三維零件的CAD表面。單擊精確曲面，并進(jìn)行自動(dòng)曲面(AutoSurface)命令，如右圖。其中幾何類型分為機(jī)械(mechanical)：適用于使用CAD設(shè)計(jì)的對(duì)象和有機(jī)(organic)：適合手工或自然雕刻的對(duì)象，本文使用有機(jī)幾何類型進(jìn)行自動(dòng)曲面。自動(dòng)曲面后使用擬合曲面(fitsurface)命令，生成NURBS表面，如圖為最終重建后的模型。從圖中可見所有缺陷已經(jīng)修復(fù)，模型表面光順，特征突出，模型整體平均偏差為+0.0048~-0.0023mm。將最終模型存儲(chǔ)為STEP格式，方便后續(xù)用于三維CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

文物逆向工程案例：遼代舞馬銜杯壺復(fù)雜曲面逆向重構(gòu)（1）數(shù)據(jù)采集如圖所示，采用紅外激光掃描儀對(duì)文物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，銅壺馬身最小紋理尺寸為0.5mm，使用0.2mm解析度進(jìn)行掃描，滿足掃描精度要求。2文物原始圖

文物模型圖

如圖所示，由于文物受到長時(shí)間的侵蝕和磨損，一些可見的細(xì)微紋理凹凸痕跡被填充，導(dǎo)致掃描儀無法獲取此紋理信息。采用人為清理紋理溝壑會(huì)對(duì)文物造成很大破壞，因此需要在后續(xù)三維軟件中重構(gòu)細(xì)微紋理特征或者用Zbrush軟件進(jìn)行雕刻，還原紋理三維信息，而對(duì)于虛擬展示要求的數(shù)字化模型可以通過高清照片貼圖處理。馬身紋理對(duì)比圖（2）數(shù)據(jù)處理采用主流逆向工程軟件GeomagicStudio進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與曲面模型重構(gòu)。裝飾有馬形狀的壺身和裝飾回文的壺蓋處表面起伏變化大應(yīng)視為復(fù)雜高階解析曲面，保證該處曲面的精度，光順性處理會(huì)消除曲率比較大的輪廓，喪失馬身細(xì)節(jié)特征，故不進(jìn)行光順性處理。壺身主體部分結(jié)構(gòu)簡單且平滑過渡，視為低階解析曲面，應(yīng)保證重構(gòu)曲面的光順性，進(jìn)行數(shù)據(jù)的精簡和光順性處理，以利于擬合A級(jí)光順性曲面。（3）模型重構(gòu)裝飾有馬形狀壺身處圖為例，探測其曲率圖為輪廓線的繪制位置。探測輪廓線時(shí)曲率敏感度調(diào)至最高以盡可能探測曲率變化大的輪廓。由于局部紋理間距離1毫米左右，故分隔符敏感度應(yīng)調(diào)至較低水平，最小面積值采用默認(rèn)尺寸，不探測延伸輪廓線以避免輪廓線相交。探測輪廓區(qū)域如圖下所示。對(duì)于無細(xì)節(jié)特征的表面處將小區(qū)域合并，避免提取出不必要的輪廓線以降低對(duì)曲面片合理布局的影響。調(diào)整后的輪廓區(qū)域劃分如下圖所示。探測輪廓區(qū)域調(diào)整后輪廓區(qū)域提取劃分輪廓區(qū)域后的輪廓線如圖所示。馬身鬃毛A處輪廓線未能完全覆蓋輪廓變化較大的凹凸區(qū)域，且圍成的區(qū)域形狀不規(guī)則，未能將各區(qū)域規(guī)則劃分。B處輪廓線雜亂相交，輪廓線數(shù)目不足。需重新編輯輪廓線，提高輪廓線的光順性和增加輪廓線數(shù)目，并保持相鄰邊界控制點(diǎn)數(shù)目相同，以利于構(gòu)造規(guī)則四邊形曲面片布局，編輯后的輪廓線如圖所示。抽取輪廓線和編輯后輪廓線構(gòu)造曲面片后通過調(diào)整局部不規(guī)則的曲面片的曲線，創(chuàng)建新的規(guī)則柵格或者條形四邊形面片。對(duì)于相交路徑和較小的曲面片角度，應(yīng)調(diào)整相鄰曲面片邊界控制點(diǎn)數(shù)量，避免相接曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)而降低曲面光順性，然后對(duì)曲面片進(jìn)行松弛。重新布局及擬合后的曲面片如圖所示。調(diào)整后曲面片布局及擬合后的整體曲面圖（4）模型質(zhì)量評(píng)估合理控制重構(gòu)模型的精度才能精確的反映文物細(xì)微的特征。將重構(gòu)曲面模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析，3D偏差色譜圖如下圖所示。

文物逆向工程案例：OffRoad變速箱外殼逆向及精度檢測如下圖所示，使用設(shè)備有關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測量儀，光學(xué)拍照式白光柵掃描儀，加拿大CreaformMetraSCAN紅外激光掃描儀，激光測震儀，聲發(fā)射儀，萬能工具顯微鏡，圓度儀，粗糙度儀等本項(xiàng)目研究需要的科研設(shè)備，檢測軟件和數(shù)據(jù)處理軟件及工作場所也已完備。3掃描設(shè)備部分展示

如圖所示，實(shí)驗(yàn)室完成變速箱11個(gè)關(guān)鍵部件掃描逆向項(xiàng)目，為期1個(gè)月。端蓋掃描精度檢測顯示逆向設(shè)計(jì)精度達(dá)到0.05mm。油底箱逆向設(shè)計(jì)達(dá)到PROE軟件極限，解決1000個(gè)以上二階連續(xù)曲線連接問題。最大下偏差區(qū)域圖為內(nèi)蒙古方圓鑄造廠給瑞典車廠生產(chǎn)的變速箱鑄件，要求對(duì)變速箱定位軸孔的位置精度和同軸度進(jìn)行檢測，誤差在±0.05mm為合格。變速箱外殼三維掃描及位置度檢測3.4模型文件格式轉(zhuǎn)換隨著科技的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)逐漸走進(jìn)了人們的生活。而要實(shí)現(xiàn)3D打印，首先需要將設(shè)計(jì)好的模型轉(zhuǎn)化為打印機(jī)能夠識(shí)別的文件格式。本節(jié)將對(duì)一些常見的3D打印機(jī)文件格式及其轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行解析，幫助讀者更好地理解和應(yīng)用3D打印技術(shù)。首先介紹STL(Stereolithography)文件格式，STL文件格式是美國3DSystems公司提出的一種CAD與3D打印系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換格式。STL文件格式有著通用性、簡單性、兼容性、易于修改、支持復(fù)雜形狀等優(yōu)勢被增材制造行業(yè)廣泛應(yīng)用。STL格式簡單,對(duì)三維模型建模方法無特定要求,幾乎所有的CAD系統(tǒng)也都能把CAD模型由自己專有的文件格式導(dǎo)出為STL文件。各大CAD系統(tǒng)輸出STL文件方法如表所示。AlibreFile（文件）->Export（輸出）->SaveAs（另存為，選擇.STL）->輸入文件名->Save（保存）AutoCAD輸出模型必須為三維實(shí)體，且XYZ坐標(biāo)都為正值。在命令行輸入命令“Faceters”->設(shè)定FACETRES為1到10之間的一個(gè)值(1為低精度，10為高精度)->然后在命令行輸入命令“STLOUT”->選擇實(shí)體->選擇“Y”，輸出二進(jìn)制文件->選擇文件名CADKey從Export（輸出）中選擇Stereolithography（立體光刻）I-DEASFile（文件）->Export（輸出）->RapidPrototypeFile（快速成形文件）->選擇輸出的模型->SelectPrototypeDevice（選擇原型設(shè)備）>SLA500.dat->設(shè)定absolutefacetdeviation（面片精度）為0.000395->選擇Binary（二進(jìn)制）InventorSaveCopyAs（另存復(fù)件為）->選擇STL類型->選擇Options（選項(xiàng)），設(shè)定為High（高）IronCAD右鍵單擊要輸出的模型->PartProperties（零件屬性）>Rendering（渲染）->設(shè)定FacetSurfaceSmoothing（三角面片平滑）為150->File（文件）>Export（輸出）->選擇.STLMechanicalDesktop使用AMSTLOUT命令輸出STL文件。下面的命令行選項(xiàng)影響STL文件的質(zhì)量，應(yīng)設(shè)定為適當(dāng)?shù)闹?，以輸出需要的文件?.AngularTolerance（角度差）――設(shè)定相鄰面片間的最大角度差值，默認(rèn)15度，減小可以提高STL文件的精度。2.AspectRatio（形狀比例）――該參數(shù)控制三角面片的高/寬比。1標(biāo)志三角面片的高度不超過寬度。默認(rèn)值為0，忽略。3.SurfaceTolerance（表面精度）――控制三角面片的邊與實(shí)際模型的最大誤差。設(shè)定為0.0000，將忽略該參數(shù)。4.VertexSpacing（頂點(diǎn)間距）――控制三角面片邊的長度。默認(rèn)值為0.0000,忽略。ProE1.File（文件）->Export（輸出）->Model（模型）2.或者選擇File（文件）->SaveaCopy（另存一個(gè)復(fù)件）->選擇.STL3.設(shè)定弦高為0。然后該值會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定為可接受的最小值。4.設(shè)定AngleControl（角度控制）為1ProEWildfire1.File（文件）->SaveaCopy（另存一個(gè)復(fù)件）->Model（模型）->選擇文件類型為STL(*.stl)2.設(shè)定弦高為0。然后該值會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定為可接受的最小值。3.設(shè)定AngleControl（角度控制）為1RhinoFile（文件）->SaveAs（另存為.STL）SolidWorks1.File（文件）->SaveAs（另存為）->選擇文件類型為STL2.Options（選項(xiàng)）->Resolution（品質(zhì)）->Fine（良好）->OK（確定）Unigraphics1.File（文件）>Export（輸出）>RapidPrototyping（快速原型）->設(shè)定類型為Binary（二進(jìn)制）2.設(shè)定TriangleTolerance（三角誤差）為0.0025設(shè)定AdjacencyTolerance（鄰接誤差）為0.12設(shè)定AutoNormalGen（自動(dòng)法向生成）為On（開啟）設(shè)定NormalDisplay（法向顯示）為Off（關(guān)閉）設(shè)定TriangleDisplay（三角顯示）為On（開啟）STL文件格式的特征如下：●STL存儲(chǔ)的是一個(gè)個(gè)離散的三角形面片的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，和指向?qū)嶓w外方向的單位法向矢量,這些三角形面片由CAD模型表面三角化所得,并且其存儲(chǔ)是無序的?！馭TL文件僅描述三維物體的表面幾何形狀,沒有顏色、材質(zhì)貼圖和其他常見三維模型的屬性。●STL文件有兩種類型:一種是ASCII文本格式，具有良好的可讀性并且可以直接讀??；另一種是二進(jìn)制格式，它只占用很少的磁盤空間，大約是ASCII文本格式的1/6，可讀性差。無論是ASCII文本格式還是二進(jìn)制格式，輸出精度也可以輕松控制?！馭TL文檔描述原始非結(jié)構(gòu)化三角分區(qū)時(shí)用三維三角形笛卡兒坐標(biāo)系。STL坐標(biāo)沒有尺度信息，即計(jì)量單位為任意的，現(xiàn)實(shí)中通常為毫米(mm)或英寸(in)。在實(shí)際應(yīng)用中避免STL模型數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，主要針對(duì)兩方面的內(nèi)容行進(jìn)檢驗(yàn):一是STL模型數(shù)據(jù)的有效性檢查，主要檢查模型是否存在無效法矢、重疊、裂隙、孤立邊、孔洞等幾何缺陷;二是STL模型的封閉性檢查，要求所有STL三角形圍成一個(gè)內(nèi)外封閉的幾何體。一旦將錯(cuò)誤STL模型用于3D打印，錯(cuò)誤的二維輪廓層切信息和加工路徑會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。有效避免STL文件數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的方法，按照3DSystems公司的STL文件格式規(guī)范,正確的數(shù)據(jù)模型必須滿足如下一致性規(guī)則:●相鄰兩個(gè)三角形面片之間只有一條公共邊，即相鄰三角形必須共享兩個(gè)頂點(diǎn);●每一條組成三角形的邊有且只有兩個(gè)三角形面片與之相連;●三角形面片的法向矢量要求指向?qū)嶓w的外部,其三頂點(diǎn)排列順序與外法矢之間的關(guān)系要符合右手法則。除了上述使用最多的STL文件格式外，還有以下幾種格式被廣泛應(yīng)用：1、OBJ文件格式OBJ（WavefrontOBJ）是另一種常見的3D打印格式，也是一種通用的3D模型格式，廣泛應(yīng)用于3D建模和動(dòng)畫領(lǐng)域的文件格式。。它支持包含紋理、顏色等細(xì)節(jié)信息的多邊形網(wǎng)格模型，并且可以保存物體的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相比于STL格式，OBJ格式適用于更復(fù)雜的3D模型，可以用于打印包含空洞、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)信息的模型。但是，OBJ格式的文件大小較大，不適合在網(wǎng)絡(luò)上傳輸或存儲(chǔ)。2、AMF文件格式AMF（AdditiveManufacturingFileFormat）是美國材料與實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)發(fā)布的一種新興的3D打印格式，它在STL格式的基礎(chǔ)上增加了顏色、紋理、材料屬性等信息，并支持