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逆向工程

逆向工程加速了產(chǎn)品開發(fā)，在不同領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

例如，Britannia-upon-Globe（一個象征大不列顛君王專車的純手工雕像）這款吉祥物便是通過在 3D 掃描后轉(zhuǎn)化為可進行 3D 打印的設(shè)計而修復的。在汽車行業(yè)，逆向工程可用于重制磨損的老式汽車零件，例如康明斯公司曾借助此技術(shù)修復其 28 號柴油特別版賽車。逆向工程甚至可用于設(shè)計汽車現(xiàn)有零部件周圍缺失的部件。近年來，法醫(yī)鑒證人員也在利用逆向工程從犯罪現(xiàn)場提取更多線索。

如果您正在考慮將逆向工程技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)，那么在了解工作流程之后，便會對自己需要投入的時間和精力了然于心。3D 模型是決定工作流程復雜性的關(guān)鍵因素。

從 3D 掃描到 3D 模型

3D 掃描儀技術(shù)是所有逆向工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，有助于以數(shù)字化形式捕捉對象的形狀。然而，將 3D 掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 3D 模型的過程漫長且曲折，并且需要借助中間軟件。CAD 工具對于產(chǎn)品設(shè)計而言不可或缺，但大多數(shù) CAD 軟件并未配備處理掃描數(shù)據(jù)時所需的工具。

我們所開發(fā)的 Design X?能夠加速這一過程。這款軟件以 CAD 內(nèi)核搭載開發(fā)歷時逾 25 載的掃描處理內(nèi)核，支持將掃描數(shù)據(jù)作為原生幾何體進行操作，并可提取各種類型的模型用于制造。

下面將介紹一些最常用的模型，以幫助您了解自己所需要的 3D 模型。

點云 是最簡單的用于表示物理對象的 3D 模型。它是大量（數(shù)百萬或數(shù)十億）數(shù)據(jù)點在空間里的集合，每個點的位置由一組笛卡爾坐標 (X, Y, Z) 定義。掃描儀可結(jié)合激光產(chǎn)生的垂直和水平角度來計算坐標定位。作為 3D 掃描過程的輸出，點云是創(chuàng)建 CAD 模型的基礎(chǔ)，用于計量和質(zhì)量檢查。

多邊形網(wǎng)格 是點云的關(guān)聯(lián)產(chǎn)物。當軟件將點云的測量結(jié)果結(jié)合在一起，并將接近的點云連接成三角形、四邊形或其他簡單的凸多邊形時，就會創(chuàng)建出多邊形網(wǎng)格。由此產(chǎn)生的頂點、邊和面的集合共同定義了對象的形狀。多邊形網(wǎng)格可在屏幕上輕松地著色和渲染，所有軟件都用其顯示模型。

CAD 模型 類型則與多邊形網(wǎng)格和點云數(shù)據(jù)相差甚遠，幾乎沒有共同之處。CAD 模型由非均勻有理 B 樣條 (NURB) 曲面組成，是一種用于在軟件中表示 3D 形狀的數(shù)學類型。此模型便于用公式和尺寸進行編輯。由于 CAD 模型可以通過調(diào)整不同類型的參數(shù)來形成完美的圓柱形或完美的平面，因此我們稱其為參數(shù)驅(qū)動型模型。您還會聽到它們被冠以“智能”之美稱，這意味著 CAD 模型比點云或網(wǎng)格包含更多的信息。

在工程和設(shè)計領(lǐng)域，CAD 是 3D 模型的“圣杯”。然而，目前尚無法直接將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 CAD 模型。我們可以采用一些輔助工具更輕松地實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，但在大多數(shù)情況下，設(shè)計師或工程師需要在軟件內(nèi)部從頭開始創(chuàng)建 CAD 模型。該過程相當耗時，但 CAD 模型也是當前制造業(yè)中最常用的模型類型。

SubD （細分）曲面經(jīng)常用于動畫、AR 和 VR 環(huán)境中不同類型的表示。它們是 NURB 曲面的混合體，以多邊形架構(gòu)控制。

體素 是體積像素的簡稱，相當于 3D 像素。它們是微小的立方體，類似于一顆顆沙粒。體素經(jīng)常用于在醫(yī)療領(lǐng)域為假體或支架建模。

如何在相應(yīng)場景中使用合適的模型？

各種 3D 模型的創(chuàng)建方式并不等效?；邳c云建立 CAD 模型比基于點云建立多邊形網(wǎng)格更加費時費力。但是，關(guān)于是否要花費精力創(chuàng)建 CAD 模型將完全取決于您對模型的需求。您需要的是包含制造缺陷等一切內(nèi)容的精確復制品，還是需要一個完美的制造模型？下面將用一些示例來說明它們的用途。

竣工模型 ，也即精確復制的模型，旨在獲取精確的表示。例如，如果您希望圍繞某人的手掌制作一個支架或設(shè)備，則需要以偏差很小的模型來呈現(xiàn)此人的解剖結(jié)構(gòu)。我們的工具支持直接將 NURB 曲面包裹在手臂的 3D 掃描結(jié)果上，并創(chuàng)建一個幾乎精確的模型表示，誤差與原始形狀不超過數(shù)微米。

設(shè)計意圖 – 工業(yè)零部件的 3D 模型不應(yīng)該是一個精確的復制品，因為制造的零部件具有偏差。設(shè)計產(chǎn)品和實際產(chǎn)品之間允許存在誤差，其被稱為制造公差。雖然公差是可以接受的，但數(shù)字模型中不應(yīng)該包含公差。

合二為一 – 在有些情況下，您希望大部分形狀是竣工狀態(tài)，而部分形狀則對應(yīng)設(shè)計意圖，例如上圖中的拓撲優(yōu)化托架。此有機形狀可以利用模擬軟件計算得出，而模擬軟件通常使用網(wǎng)狀模型，隨后用 CAD 曲面包裹。不過，我們希望孔的位置非常精確，因此將其保留為網(wǎng)格。

何時將 Design X 引入工作流程？

我們已經(jīng)了解了 3D 模型的類型，現(xiàn)在需要對數(shù)據(jù)處理工作流程進行細化了。

如果您需要的是一個網(wǎng)格模型，那么過程很簡單。您可以使用 Design X 掃描物體，然后通過連接點云的頂點來創(chuàng)建網(wǎng)格。用于增材制造的 3D 打印機和切片軟件將讀取網(wǎng)格文件，如 STL、PLY 和 OBJ。這種簡單的工作流程能夠?qū)崿F(xiàn)精確的復制，但它有一項重要的缺點，即難以編輯特征。

此外，如果涉及到銑削，網(wǎng)格模型也不能切削。如果您需要在一個形狀上運行數(shù)控刀軌，大多數(shù)計算機輔助制造 (CAM) 軟件包在 NURB 曲面上生成的刀軌比在網(wǎng)格上生成的刀軌更加平滑。Design X 可以快速地用曲面包裹網(wǎng)格，使刀軌編程更加高效。
以最經(jīng)濟實惠、快速而精確的方式幫助您從點云過渡到 3D 多邊形模型。

最后，您往往希望通過掃描物體來創(chuàng)建特征齊全且可編輯的 CAD 模型。該流程的工作量最大，但這也是 Design X 最大的功用所在。Design X 能夠迅速處理具有數(shù)百萬點的大型掃描數(shù)據(jù)集，其速度超過其他任何軟件；它有助于您應(yīng)用逆向工程，快速將物理零件從基于 3D 掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字參數(shù)化 CAD 模型。