《逆向设计与3D打印》课件-项目9陶罐外形扫描与逆向设计

项目九陶罐外形扫描与逆向设计

【学习目标】知识目标：1.掌握工艺品等特殊件的扫描方式；2.熟练掌握手持式白光扫描仪的使用方法；3.熟练掌握GeomagicWrap软件中特征、剪切等命令；3.熟练掌握GeomagicDesignX软件中回转、切割等命令。技能目标：1.能够正确使用手持式白光扫描仪；

2.能够对手持式白光扫描仪进行标定；

3.熟练使用手持式白光扫描仪完成数据采集；

4.熟练应用GeomagicDesignX软件完成陶罐的逆向设计。素质目标：1.践行社会主义核心价值观，具有深厚的爱国情感和中华民族自豪感；2.传承中华优秀传统文化，助推伟大强盛中国梦。

【项目引入】近期，课程企业导师接到任务：某历史博物馆想要使用三维数据采集技术、3D打印技术对某残缺展品进行修复，要求数据采集过程中不能触碰展品、不能进行表面预处理、不能随意移动；残缺部分形状精确、三维数据完整、特征清晰；打印模型要符合原有展品特征，整体精度控制在±0.2mm。由于真实工作任务较为特殊，为再现该任务工作过程，本项目采用形状相似的复制品进行，如图1所示。图1陶罐

【项目分析】（1）表面分析本次扫描产品原型为彩色陶罐，表面有明显手绘花纹，纹路清晰，上半部分为浅灰色，下半部分呈浅棕色，部分位置略有反光。（2）外形分析该陶罐高约为40cm，口径宽而阔，口部直径约20cm；底部小而平，直径约10cm，呈上大下小；罐口敞开，有大块残缺部位，残缺部位断面清晰，形状不规则。（3）材质分析该陶罐为陶瓷制品，外表光滑美观，隔热性好，易碎，耐腐蚀，不易受外界温度影响。（4）精度分析数据采集过程中要求罐口残缺部分形状精确、三维数据完整、特征清晰；打印模型要符合原有展品特征，整体精度控制在±0.2mm。1.产品分析

【项目分析】重点：主要集中在陶罐主体的数据采集，在不进行任何扫描预处理的情况下，既要保证罐体的整体数据完整，还要保证扫描过程的顺利进行，这是和之前所有项目的不同之处。

难点：难点1是在口部残缺位置，因为口部残缺断面窄而小，且形状不规则，在数据采集时容易导致数据丢失或错层；难点2是在陶罐短颈处，由于罐口上大下小，在数据采集时容易因罐口遮挡而导致陶罐短颈部位数据丢失。2.重难点

【策略制定】1.数据采集策略任务要求陶罐整体数据完整，若采取整体扫描的方案可优先满足要求，既能避免数据丢失，也能保留产品原有细节特征，因此选用整体扫描的方式进行。由于扫描要求不能对物体进行任何表面处理，包括喷粉和粘贴标志点，也不能轻易移动，为了保证扫描进程顺利和数据完整性，本次任务在数据采集时需要随时移动扫描仪，且充分利用旋转工作台和其他辅助工具粘贴标志点。

【策略制定】1.数据采集策略基于以上，我们选用设备为手持式白光扫描仪，如图2所示。该扫描仪重量轻、体积小、扫描精度高、速度快、采集数据量大，扫描范围在0.3-3m之间，在扫描期间，零件表面无需粘贴标志点，不会对零件表面细节特征造成影响，而且扫描仪都可以随时移动，操作方便，尤其适用于工艺品及人像数据采集，可实时显示扫描物体的几何形状和表面纹理及颜色，满足扫描要求。图2手持式白光扫描仪

【策略制定】2.数据处理策略针对数据采集过程中多余的杂点和不完美数据，我们可以选用GeomagicWrap软件对其进行处理，将多余杂点删除后，进一步优化陶罐表面整体数据；并可以选用GeomagicDesignX软件对陶罐进行整体逆向设计，反向差补后获取残缺部位模型数据。

【策略制定】3.缺口修复策略数据处理后所获得的残缺部位数据模型，可以选用绿色环保的3D打印材料进行加工，加工过程中尽量控制打印模型的精度，使其能够与陶罐主体吻合，若出现尺寸偏差或表面粗糙等现象，也可预留余量，使用后处理工具对其进行处理。任务0102数据采集数据处理

【项目实施】03缺口修复1.1扫描前的准备工作1.1.1标定经专业人员擦拭清理摆件表面后，将其垫高摆放在旋转工作台上，按操作要求规范连接手持式扫描仪。在扫描前对扫描设备进行标定，使精度达到扫描要求。标定时将手持式扫描仪在距离标定板200mm的地方垂直投射，如图3所示。按标定界面提示完成操作设备标定，如图4所示。图4标定界面图3标定示意图1.2

数据采集标定完成后，选择设备对应型号将其激活，设置扫描参数，选择【黑色微粘标志点】，选择【自动曝光】、勾选【捕捉纹理】，【分辨率】设置为2mm，如图5所示，按以下步骤进行扫描。1.2.1

设备调整图5设置设备参数1.2

数据采集将陶罐固定摆放在旋转工作台上，并在旋转工作台上粘贴标志点，标志点针贴应遵循贴点原则，详情可参考项目三；点击扫描按钮后开始扫描，扫描时手持扫描仪在距离陶罐表面大约20cm的地方、以向下倾斜45°开始扫描，如图6所示，过程中实时观察距离指示灯，颜色以绿色为宜。缓慢转动旋转工作台，按扫描所需调整扫描仪角度和位置，直到整个陶罐表面扫描完成。1.2.2整体数据采集图6陶罐扫描示意图1.2

数据采集（1）实时调整扫描仪角度，必要时可下蹲身体，注意不要用眼睛直视扫描镜头和光源，如图7所示，采集罐口及残缺部位数据。1.2.2细节扫描图7实时扫描示意图1.2

数据采集1.2.2细节扫描若出现扫描中断，可选择陶罐面积较大区域，点击恢复扫描命令，继续捕捉细节特征，如图8所示。图8恢复扫描示意图1.2

数据采集

数据扫描完成后，将陶罐整体数据导出，文件另存为STL格式，如图9所示。1.2.2细节扫描数据采集完成后，需应用Wrap软件将其表面杂点去除，扫描的多余桌面需用辅助平面将其修剪，遗失数据形成的孔洞需应用填充孔命令将其修补，形成完整封闭的多边形数据。图9完整数据导出示意图

2.1多边形阶段数据处理1.文件导入

选择菜单【任务/导入】命令，弹出如图所示对话框，选择模型数据，单击打开按钮，导入数据；或用鼠标将“陶罐.STL”的文件直接拖入软件界面，选择比率（100%）和单位（mm），进入软件界面，如图10所示。图10导入STL数据

2.1多边形阶段数据处理2.浮点删除（1）点击套索选择工具

，鼠标左键套选浮点，注意不要选中罐体数据，若不小心多选，可按“Ctrl+C”取消当前选中，重新选择后按Delete键将其删除，如图11所示。（2）重复以上步骤，将模型其他浮点选中删除,剩余陶罐数据如图12所示。图11套选杂点蓝色凸显图12杂点去除后的陶罐数据

2.1多边形阶段数据处理3.填充孔洞选择多边型【填充单个孔】命令，如图13所示，选择【曲率/内部孔】将数据中的部分空洞填充，如图14所示。注意：孔洞填充时，不应改变模型本身特征，应尽量维持原貌。图13填充孔图14对比图

2.1多边形阶段数据处理4.平面裁切

（1）裁剪调整陶罐摆放位置，使其呈主视状态，选择多边形工具栏中【裁剪/用平面裁剪】

，【对齐平面】选择【直线】，用鼠标左键在陶罐底部绘制直线，应用【位置度】调整直线位置，使其尽量贴近陶罐底部，不可包含罐底特征，点击【平面界面】，点击【删除所选择的】，将平面下方的所有数据进行删除，如图15所示，点击【确定】完成裁剪。

（2）填充平面选择多边形【填充单个孔】命令，【选择平面/内部孔】将数据中的底部空洞填充，如图16所示。图15平面裁剪图16填充底平面

2.1多边形阶段数据处理5.

保存文件：将处理好的数据另存为“STL”格式文件，如图17所示。图17保存STL文件

2.2模型逆向设计过程该件是工艺展品，结构对称，特征明显，由罐体、罐口、残缺部位等特征构成，整体属于规则几何体，关于中心轴线对称；在逆向设计过程中，可以应用DesignX软件中的回转精灵命令完成陶罐的主体设计，再通过放样、剪切等命令获得残缺部位的实体轮廓。1.打开文件（1）打开DesignX软件，点击选择【菜单】/【插入】/【导入】命令，在弹出的对话框中选择要导入的文件数据“陶罐.STL”,也可用鼠标直接将STL文件拖入窗口如图18所示。图18打开文件

2.2模型逆向设计过程2.对齐坐标系（1）创建领域组点击【领域】，选择【自动分割】，【敏感度】设为【30】，点击下一步，完成领域组划分，如图19所示。罐体上不同颜色表示不同领域图19自动分割领域组

2.2模型逆向设计过程（2）领域手动分割点击【领域】，选择【分割】，选择罐口的领域进行分割，保证罐口边缘领域与缺口领域分离，完成领域手动分隔，如图20所示。分割出罐口边缘领域图20领域分割

2.2模型逆向设计过程（3）添加回转轴线

点击【模型】/【参考几何图形】/【线】，【要素】选择陶罐数据内外两侧罐身领域，【方法】选择【回转轴】，点击对勾，完成回转轴线添加，如图21所示。选择的内侧领域选择的外侧领域图21添加回转轴线

2.2模型逆向设计过程（4）添加参考平面

点击【模型】/【参考几何图形】/【平面】，【要素】选择陶罐罐底数据，【方法】选择【提取】，【约束条件选项】勾选【固定轴】点击【方向】选择上一步的回转轴线，点击对勾，完成陶罐底部平面添加，如图22所示。选择罐底区域图22添加参考平面

2.2模型逆向设计过程（5）对齐坐标系

点击【对齐】/【扫描到整体】/【手动对齐】，进入下一阶段，移动方式选择【X-Y-Z】，【位置】选择底部参考平面和回转轴线，【Z轴】选择回转轴线，如图23（a）所示，单击对勾完成坐标对齐，点击主视图，如图23（b）所示。选择轴线选择平面图23对齐坐标系（a）（b）（6）删除辅助面

待陶罐对齐坐标后，从左侧【树】/【特征】中选中创建的参考平面和回转轴线，点击鼠标右键选择【删除】。

2.2模型逆向设计过程3.陶罐主体设计（1）松弛创建陶罐主体

点击【模型】/【向导】/【回转精灵】，【对象】选择陶罐主体表面所有领域（缺口位置的领域不要选），【自定义旋转轴】选择垂直的2个坐标系平面定义旋转轴，【用选择面放置草图】选择上步中的1个平面做草图平面，如图24(a)所示，点击进入下一步，选择【全回转】，完成效果如图24(b)所示。选择两个平面缺口位置领域不选择自动回转的实体图24回转陶罐主体（a）图24回转陶罐主体（b）

2.2模型逆向设计过程（2）修改罐体截面草图

双击左侧【树】中回转精灵自动创建的草图，进入草图命令，调整修改草图，调整曲线位置，使其尽量贴合点云表面，再利用【约束条件】命令对轮廓线进行相切约束，如图25（a）所示，退出草图完成罐体逆向，如图25（b）所示。图25修改截面草图（a）（b）

2.2模型逆向设计过程4.罐口残缺部位设计（1）绘制样条曲线

点击【3D草图】/【3D面片草图】进入3D草图命令，点击【绘制】/【样条曲线】，在罐口残缺断面上绘制两条样条轮廓，如图26（a）所示，点击【编辑】/【平滑】调整样条曲线平滑度，使其尽量平整光顺，点击对勾完成绘制，如图26（b）所示。绘制样条线（a）平滑样条线（b）图26修改截面草图

2.2模型逆向设计过程（2）放样点击【模型】/【创建曲面】/【放样】，【轮廓】选择创建的两条样条曲线，如图27所示，点击对勾完成操作。图27曲面放样放样的曲面

2.2模型逆向设计过程（3）延长曲面

点击【模型】/【编辑】/【延长曲面】，【边线/面】选放样曲面的边界，【终止条件】中【距离】设置【6.5mm】，【延长方法】选择【同曲面】，如图28所示，点击对勾完成操作。图28延长曲面延长曲面

2.2模型逆向设计过程（4）切割罐体

点击【模型】/【编辑】/【切割】，【工具要素】选择放样曲面，【对象体】选择陶罐回转体，如图29（a）所示，点击下一阶段，【结果】/【残留体】依次选择陶罐主体和残缺部位两部分，使其陶罐主体和残缺部分分离，点击【确定】，结果如图29（b）所示。回转体放样曲线陶罐主体残缺部分（a）（b）图29切割罐体

2.2模型逆向设计过程切割完成后，将缺口部位隐藏，罐体显示如图30（a）所示，将罐体主体隐藏后，缺口显示如图30（b）所示（a）（b）图30切割后罐体

2.2模型逆向设计过程5.文件输出

将建模完成后的罐体和残缺部分分别输出STP格式，选择【文件-输出】，选择罐体和残缺部位分别设为输出要素，单击“确定”按钮，选择要保存的文件路径，选择保存类型，文件命名为【罐体】、【缺口设计】,点击保存，如图31所示。图31文件输出

3.数据应用

逆向设计完成后的模型可应用3D打印机完成模型打印，用于陶罐修复。为适应打印机的文件格式，需要先将文件转换输出STL格式，再将其输入3D打印机操作软件中，调整摆放位置、合理设置参数后就可以打印模型了。

下面简要讲述数据应用步骤，供大家参考。

3.数据应用

将模型转换成STL格式文件后，导入3D打印机操作软件，如图32所示。3.1导入文件图32打入3D打印文件

3.数据应用

将模型合理摆放后，依次设置打印参数，这时可对打印模型过程进行预测分析，包括打印时间，模型重量等，如图33所示。3.2参数设置图33打印参数设置

3.数据应用