《产品逆向设计》课件-项目5：鼠标外壳模型逆向设计与快速打印

鼠标外壳模型逆向设计与快速打印——项目导入主讲人：一、项目说明鼠标模型逆向设计与3D打印制作项目，逆向设计部分：主要通过三维扫描获取的点云数据，利用GeomagicStudio软件进行点云数据处理、数据转换、三角面修复等处理；转入GeomagicDesignX软件进行逆向设计，创建出3D数字模型，用于再创新设计或生产。通过该产品的逆向设计过程的教学，展示复杂曲面逆向设计方法。一、项目说明3D打印制造部分：根据鼠标模型结构特点，通过产品切片操作的演示，介绍3D打印技术特点，以及打印制作技巧。产品制作过程效果如图所示。二、学习目标素质目标知识目标技能目标培养严谨细致的工程态度提升创新思维与问题解决能力树立规范操作与安全意识了解产品逆向设计流程及逆向方案；熟悉GeomagicStudio采样、补孔等功能命令的应用；掌握GeomagicDesignX面片拟合等功能命令的运用；掌握FDM式3D打印切片参数设置。能够应用GeomagicStudio软件进行数据预处理；能够应用GeomagicDesignX软件进行逆向设计复杂曲面；能够操作3D打印设备打印出鼠标模型实物。三、项目分析鼠标是一个带有艺术属性的工业产品，模型结构相对复杂，产品外观由多个曲面区域组成；表面特征无精确参数，但整体设计尺寸及样式要符合人们使用的舒适感。对该类产品的逆向设计过程最好的方式是通过高质量的扫描，获取高质量的表面点云数据，通过GeomagicStudio软件进行点云处理、数据转换，再运用GeomagicDesignX软件进行逆向设计。鼠标模型是尺寸小于150mm的塑料件，外观整体结构符合FDM式3D打印制作工艺。1.产品分析三、项目分析先运用GeomagicStudio软件将扫描获得的点云文件进行处理，转换成三角面片后优化三角面片；再转入GeomagicDesignX软件运用曲面创建的方式进行逆向设计。

2.设计策略鼠标模型外观整体结构符合FDM式3D打印制作工艺。产品底部正面摆放时，所有仰角部分角度都超过45°以上，可以正放产品完全不添加支撑进行打印制作。3.打印策略本节课学习了鼠标外壳逆向设计与3D打印项目导入内容，明确了本课程的素质、知识与技能学习目标，了解了鼠标多曲面、无精准参数的产品特点，掌握了双软件配合的逆向设计流程，同时掌握了该模型可无支撑FDM打印的工艺特点。为什么鼠标外壳模型采用正向摆放的方式即可实现无支撑3D打印？

鼠标外壳模型逆向设计与快速打印——知识准备主讲人：一、鼠标类产品的逆向设计认知鼠标属于带有艺术属性的工业产品，其结构特征可归纳为：1.鼠标的结构特征与逆向设计难点逆向设计的核心难点在于多曲面区域的分割与拼接——既要保证各曲面独立拟合的精度，又要确保曲面之间衔接自然、无棱边或间隙。01复杂曲面特征（上表面/侧面）鼠标外壳由多个自由曲面拼接而成，曲面之间需实现顺滑过渡，以符合人手握持的舒适度要求。这类曲面无精确几何参数，逆向设计中需采用“面片拟合”方式进行外观贴合式还原。02规则装配特征（底面）鼠标底面通常包含平面基准、螺丝柱、光电孔等功能结构，具有明确的定位与装配要求，逆向时需保证尺寸精准。一、鼠标类产品的逆向设计认知鼠标模型尺寸小于150mm，属于小型塑料件。其底部为大平面结构，当正面朝上摆放时，所有仰角部分角度均超过45°，符合FDM3D打印“无支撑打印”的条件。这一结构特点决定了打印策略：无需添加支撑，底面直接贴合打印平台即可完成制作，大幅降低后处理工作量。2.工艺适配性分析二、GeomagicStudio点云处理核心理论去噪：扫描过程中工作台、垫块及环境反射会引入大量非产品杂点。需依次完成标识点文件删除、手动套索剔除大面积杂点、自动算法（“体外孤点”“非连接项”）清除残余噪声。噪声去除率应≥95%，同时避免过度删除导致特征丢失。全局注册：多次扫描拼接的点云存在刚性变换误差，全局注册通过最小二乘法优化各片点云间的变换矩阵，降低拼接间隙，确保点云群的整体一致性。联合点对象：将多个点云文件合并为单一对象，便于统一处理。均匀采样：原始点云在平面区域与棱边区域密度差异大，通过设定绝对间距（本项目设为0.5mm）使点云均匀分布，将数据量从百万级降至十万级，提升后续处理效率。1.点云预处理的标准流程二、GeomagicStudio点云处理核心理论2.封装与三角面片质量控制封装将离散点云转换为连续的三角面片网格（STL格式），这是“点云→曲面”的关键过渡。封装后模型从“点”模块自动切换至“多边形”模块。网格医生自动检测并修复小通道、非流形边、自相交、重叠三角形等拓扑缺陷，是保证面片“水密性”（watertight）的必备步骤，修复后需确保问题数据归零。孔洞修补扫描盲区或标识点位置会形成孔洞，需根据孔洞类型（内部孔、边界孔）及周边曲率选择“曲率”“切线”或“平面”填充方式。光顺处理通过“去除特征”和“减少噪音”命令消除标识点贴附造成的局部变形，但需注意迭代次数（本设为3次）与极限偏差（本设为0.5mm）的平衡，避免过度光顺导致细节丢失。三、GeomagicDesignX逆向建模核心理论对齐是将三角面片模型从扫描时的任意空间姿态转换至标准坐标系的过程。本项目中采用参照平面+手动对齐的方式：1.模型摆正对齐的方法与原理先在模型对称中心绘制直线创建“平面1”，再以该平面为镜像面生成对称的“平面2”，确保后续建模的左右对称性。创建镜像基准平面在基准平面上绘制两条正交直线作为X轴与Y轴参照，通过“手动对齐”的X-Y-Z方式指定坐标原点、X轴方向和Z轴方向，将模型精准摆正至世界坐标系。绘制参考线与3-2-1对齐对齐后模型的对称面与坐标平面重合，大幅提升后续草图绘制和曲面创建的规范性与效率。对齐的意义三、GeomagicDesignX逆向建模核心理论2.领域分割与面片拟合的应用策略01领域（Region）DesignX中的“领域”是指三角面片模型中具有相似曲率特征的连续区域。通过“画笔”模式手动拖画创建领域，将鼠标外壳划分为上表面、侧面、侧面靠底部、前面等独立区域。02面片拟合在每个领域上直接拟合NURBS曲面。拟合时需控制“曲面大小”以平衡贴合度与光顺度——曲面过小则拼接面多，曲面过大会降低局部精度。03领域分割的策略意义针对鼠标多曲面拼接的结构特点，将复杂外壳“化整为零”，分别拟合后再拼接，既能保证每个曲面的拟合精度，又能通过后续剪切、放样等操作实现曲面间的顺滑过渡。三、GeomagicDesignX逆向建模核心理论3.曲面修剪与拼接的核心技术放样曲面当两个曲面之间存在间隙时，通过“放样”命令以边界为轮廓生成过渡曲面，起始/终止约束设置为“与面相切”，确保曲面间G1连续（切向连续），避免出现棱边。Part023D草图剪切在拟合完成的曲面上绘制样条曲线作为剪切边界，通过“剪切曲面”命令切除多余部分，使各曲面精确对齐至模型轮廓。Part01缝合与实体转化将所有修剪后的曲面片通过“缝合”命令合并为一个封闭壳体，软件自动将其转换为实体模型，完成曲面→实体的最终转换。Part03本节课学习了鼠标外壳逆向设计的前置知识，了解了鼠标曲面复杂、兼顾外观手感与装配精度的结构特点及逆向难点，掌握了GeomagicStudio点云去噪、采样、封装、网格修复的完整预处理流程，同时熟悉了DesignX模型对齐、领域分割、面片拟合、曲面修剪拼接与实体转化的核心建模原理，也明确了该产品无支撑FDM打印的工艺优势。鼠标外壳逆向设计中，对模型进行领域分割拟合曲面的作用是什么？点云阶段数据处理主讲人：对该类产品的逆向设计过程最好的方式是通过高质量的扫描，获取高质量的表面点云数据，通过GeomagicStudio软件进行点云处理、数据转换，再运用GeomagicDesignX软件进行逆向设计。鼠标模型是尺寸小于150mm的塑料件，外观整体结构符合FDM式3D打印制作工艺。鼠标是一个带有艺术属性的工业产品，模型结构相对复杂，产品外观由多个曲面区域组成；表面特征无精确参数，但整体设计尺寸及样式要符合人们使用的舒适感。产品分析一、点云导入打开驱动GeomagicStudio软件，选择【开始】-任务-导入命令，或选择“打开”图标，出现【打开】部件对话框，在本书附的文件夹中选择“鼠标模型点云文件”，单击“OK”按钮，打开文件名为“鼠标模型点云文件.wrp”的文件。二、预设置鼠标滚轮调整点云到最佳适合窗口界面，然后鼠标右键出现对话框，左键单击“设置旋转中心”，然后鼠标左键单击需要的旋转中心点。1.旋转中心重置进入“工件模块”，单击“单位转换”命令。将单位转换为“毫米”。2.单位转换进入“点”模块，单击“着色”功能命令下“着色点”；再单击“显示”下“几何图形显示”中的“顶点颜色”，将顶点颜色关闭。3.着色点再后续的操作中，每当点云文件的属性发生变化，软件将会自动将“顶点颜色”勾选上，文件颜色将再次变成黑色。我们需要采用同样的方法再次单击“显示”下“几何图形显示”中的“顶点颜色”，将顶点颜色关闭。二、预设置1.标识点文件删除在“模型管理器”里，可以清楚的观察到该点云由8个点云文件群，以及8个标识点文件群组成，其中8个标识点文件，是在拼接扫描时所应用的标识点，在逆向过程中是无用的，我们需要将其删除。三、去除杂点先到“模型管理器”中，鼠标左键选中标识点文件的第一个“fwp-1”，再按着键盘上的“shift”键不放，同时鼠标左键单击最后一个标识点文件“fwp-8”，将8个标识点文件全部选中，单击鼠标右键将其删除。三、去除杂点由于扫描过程中工作台以及垫块等物品的干扰，有可能会产生大量非产品表面点。先到“模型管理器”中，鼠标左键选中点云文件的第一个“1”，再按着键盘上的“shift”键不放，同时鼠标左键单击最后一个点云文件“8”，将所有点云选中激活。2.手动删除大量杂点再运用“套索”的方式将点云窗选；鼠标右键单击，选择“反转选区”；再单击“删除”功能命令或者按下键盘上的“delete”键，将选中杂点手动删除。三、去除杂点3.选择“体外孤点”、“非连接项”功能命令去除杂点在“点”功能模块区域里，鼠标左键单击“选择”功能命令下的“非连接项”，设置“分隔”为“底”，“尺寸”设置为“5”。再单击“删除”功能命令，将选中的非连接项删除。同样的方式鼠标单击“选择”功能命令下的“体外孤点”，设置“敏感度”为“85”，单击“应用”；确定退出。再单击“删除”功能命令，将选中的体外孤点删除。处理过程中可以反复运用“体外孤点”功能命令，需要的话可在局部再次采用手动窗选杂点将其删除，直至杂点去除完成为止。四、全局注册由于扫描产品的过程中，该产品通过8次的扫描才将产品各个区域特征扫描完整，而该点云群是由8个点云文件，通过标识点进行拼接堆砌而成的。点云群存在较大的拼接误差。需要运用全局注册功能命令将其自动拟合点云，降低拼接间隙。0201保证选中8个点云文件群，将所有点云激活。“对齐”功能模块区域，单击“全局注册”功能命令，单击“应用”后“确定”退出。五、联合点对象由于该产品点云群是由8个点云文件拼接而成的，需要将8个点云文件合并为一个点云文件。单击“点”功能模块区域下的“联合点对象”功能命令，然后单击“应用”，软件联合完成后单击“确定”完成点云文件的联合。由于点云文件从8个点云文件合并为1个点云文件，点云文件属性发生了变化，顶点颜色将会打开，需要再单击“显示”下“几何图形显示”中的“顶点颜色”，将顶点颜色关闭。六、采样由于该点云群是由8个点云群拼接堆砌而成的，产品表面各个区域的点云疏密程度完全不一样。并且当前有一百多万点云，数量较大，需要对点云进行采样处理。单击“点”功能模块区域下的“统一采样”功能命令，输入绝对间距值为“0.5”，单击“应用”后，再单击“确定”结束功能命令的操作。采样完成后，点云数量降到10万左右。且每两个相邻点云间的距离接近一致，各个区域的点云疏密程度一样。七、封装单击“点”功能模块区域的“封装”功能命令，直接单击“确定”完成点云的封装。将每相邻的三个点云封成一个三角面片，从此点云文件将转换为三角面片阶段。由于文件属性的变化，三角面片文件顶点颜色即会打开，需要再单击“显示”下“几何图形显示”中的“顶点颜色”，将顶点颜色关闭。八、网格医生进入三角面片阶段，先运用网格医生对面片进行分析及初步的修复处理。单击“多边形”功能模块区域的“网格医生”功能命令。操作区域选择“自动修复”，然后单击“应用”，处理完成后单击“确定”完成网格医生自动修复。九、填充孔扫描过程中，标识点标贴处以及扫描盲区都会造成面片局部出现破口的现象，需要对面片破口处进行修补。单击“多边形”功能模块区域下的“填充单个孔”功能命令，选择根据“曲率”、“内部孔”的方式逐一将破口处进行修补。重复上述操作，处理所有标识点变形区域。十、面片光顺处理然后再单击“多边形”功能模块区域下的“减少噪音”功能命令，将参数设置为“自由曲面形状”，迭代“3”，极限偏差“0.5”，单击“应用”，计算完成后单击“确定”退出。最后再次运用“网格医生”功能命令检查，并修复面片。至此，三角面片阶段处理完成。因标识点贴标处面片变形，需做光顺处理；且补孔易致破口边缘出现高折射边、自相交问题，故光顺前先用网格医生自动修复面片。套索窗选变形严重区域，通过「多边形-去除特征」做局部光顺；01若无法去除特征，删除该区域，再用网格医生修复内部自相交部分，通过「填充孔」修补破口；0203十一、“stl”格式三角面片输出三角面片处理完成后，即可将文件另存为”stl”格式文件，以便用于后续的3D打印等处理。在模型管理器里，鼠标右键单击“三角面片”文件，左键单击“保存”，弹出另存文件对话框，保存类型选择为“STL”格式，即可将三角面片文件另存。本节聚焦点云数据处理全流程，核心涵盖预处理、特征提取与几何计算，为三维建模等实际应用筑牢数据基础。结合点云非结构化特性与处理流程逻辑，你认为预处理环节的噪声过滤对最终应用效果的影响占比多少？请说明判断依据。项目一走进逆向工程技术任务名称指标分值评分标准任务1：鼠标模型GeomagicStudio阶段数据处理（25分）完整性10优化后三角面片无大面积缺失，关键特征（如孔、棱边）完整，无明显数据缺口，每处缺口扣2分，扣完为止。去噪效果10无明显孤立点、毛刺，噪声点去除率≥95%，保留原始特征，过度平滑导致特征丢失每处扣3分。密度均匀性5点云密度符合要求，无局部过密/过疏，密度偏差≤10%，不符合要求酌情扣1-5分任务2：鼠标模型GeomagicDesignX阶段逆向设计（50分）数据定位合理性5其中一个基准面与鼠标中心对称面重合得3分，其中一个基准面与鼠标底面重合得2分。模型特征的完成度10模型特征完整得满分，缺失一个特征扣2分。特征拆分合理性10面片拆分合理，与模型结构重合得分，错误一处扣2分。特征完成精确度15将选手创建的模型与扫描数据进行比对，平均误差小于0.08、面建模质量好、合理拆分特征、拟合度高的得分；平均误差大于0.20不得分，中间状态酌情给分。关键特征精度10

任务3：鼠标模型3D打印（20分）完成度10达到期待的优秀水平得满分；达到标准且某些方面超过标准得2/3分；达到标准得1/3分；各方面均低于标准（包括“未做尝试”）得0分。表面粗糙度5

尺寸精度5

职业素养（5分）安全、规范、质量、团队