逆向工程中的 3D 模型快速指南

•    发布时间：2023/03/03
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【概要描述】
逆向工程

逆向工程加速了产品开发，在不同领域应用广泛。

例如，Britannia-upon-Globe（一个象征大不列颠君王专车的纯手工雕像）这款吉祥物便是通过在 3D 扫描后转化为可进行 3D 打印的设计而修复的。在汽车行业，逆向工程可用于重制磨损的老式汽车零件，例如康明斯公司曾借助此技术修复其 28 号柴油特别版赛车。逆向工程甚至可用于设计汽车现有零部件周围缺失的部件。近年来，法医鉴证人员也在利用逆向工程从犯罪现场提取更多线索。 

如果您正在考虑将逆向工程技术应用于产品开发，那么在了解工作流程之后，便会对自己需要投入的时间和精力了然于心。3D 模型是决定工作流程复杂性的关键因素。



从 3D 扫描到 3D 模型

3D 扫描仪技术是所有逆向工程应用的基础，有助于以数字化形式捕捉对象的形状。然而，将 3D 扫描数据转化为 3D 模型的过程漫长且曲折，并且需要借助中间软件。CAD 工具对于产品设计而言不可或缺，但大多数 CAD 软件并未配备处理扫描数据时所需的工具。

我们所开发的 Design X 能够加速这一过程。这款软件以 CAD 内核搭载开发历时逾 25 载的扫描处理内核，支持将扫描数据作为原生几何体进行操作，并可提取各种类型的模型用于制造。

下面将介绍一些最常用的模型，以帮助您了解自己所需要的 3D 模型。

 







点云 是最简单的用于表示物理对象的 3D 模型。它是大量（数百万或数十亿）数据点在空间里的集合，每个点的位置由一组笛卡尔坐标 (X, Y, Z) 定义。扫描仪可结合激光产生的垂直和水平角度来计算坐标定位。作为 3D 扫描过程的输出，点云是创建 CAD 模型的基础，用于计量和质量检查。

多边形网格 是点云的关联产物。当软件将点云的测量结果结合在一起，并将接近的点云连接成三角形、四边形或其他简单的凸多边形时，就会创建出多边形网格。由此产生的顶点、边和面的集合共同定义了对象的形状。多边形网格可在屏幕上轻松地着色和渲染，所有软件都用其显示模型。

CAD 模型 类型则与多边形网格和点云数据相差甚远，几乎没有共同之处。CAD 模型由非均匀有理 B 样条 (NURB) 曲面组成，是一种用于在软件中表示 3D 形状的数学类型。此模型便于用公式和尺寸进行编辑。由于 CAD 模型可以通过调整不同类型的参数来形成完美的圆柱形或完美的平面，因此我们称其为参数驱动型模型。您还会听到它们被冠以“智能”之美称，这意味着 CAD 模型比点云或网格包含更多的信息。

在工程和设计领域，CAD 是3D模型的“圣杯”。然而，目前尚无法直接将扫描数据转换为 CAD 模型。我们可以采用一些辅助工具更轻松地实现转换，但在大多数情况下，设计师或工程师需要在软件内部从头开始创建 CAD 模型。该过程相当耗时，但 CAD 模型也是当前制造业中最常用的模型类型。

SubD （细分）曲面经常用于动画、AR 和 VR 环境中不同类型的表示。它们是 NURB 曲面的混合体，以多边形架构控制。

体素 是体积像素的简称，相当于 3D 像素。它们是微小的立方体，类似于一颗颗沙粒。体素经常用于在医疗领域为假体或支架建模。



如何在相应场景中使用合适的模型？

各种 3D 模型的创建方式并不等效。基于点云建立 CAD 模型比基于点云建立多边形网格更加费时费力。但是，关于是否要花费精力创建 CAD 模型将完全取决于您对模型的需求。您需要的是包含制造缺陷等一切内容的精确复制品，还是需要一个完美的制造模型？下面将用一些示例来说明它们的用途。

 






竣工模型 ，也即精确复制的模型，旨在获取精确的表示。例如，如果您希望围绕某人的手掌制作一个支架或设备，则需要以偏差很小的模型来呈现此人的解剖结构。我们的工具支持直接将 NURB 曲面包裹在手臂的 3D 扫描结果上，并创建一个几乎精确的模型表示，误差与原始形状不超过数微米。 

设计意图 – 工业零部件的 3D 模型不应该是一个精确的复制品，因为制造的零部件具有偏差。设计产品和实际产品之间允许存在误差，其被称为制造公差。虽然公差是可以接受的，但数字模型中不应该包含公差。

合二为一 – 在有些情况下，您希望大部分形状是竣工状态，而部分形状则对应设计意图，例如上图中的拓扑优化托架。此有机形状可以利用模拟软件计算得出，而模拟软件通常使用网状模型，随后用 CAD 曲面包裹。不过，我们希望孔的位置非常精确，因此将其保留为网格。



何时将 Design X 引入工作流程？

我们已经了解了 3D 模型的类型，现在需要对数据处理工作流程进行细化了。

如果您需要的是一个网格模型，那么过程很简单。您可以使用 Design X 扫描物体，然后通过连接点云的顶点来创建网格。用于增材制造的 3D 打印机和切片软件将读取网格文件，如 STL、PLY 和 OBJ。这种简单的工作流程能够实现精确的复制，但它有一项重要的缺点，即难以编辑特征。

此外，如果涉及到铣削，网格模型也不能切削。如果您需要在一个形状上运行数控刀轨，大多数计算机辅助制造 (CAM) 软件包在 NURB 曲面上生成的刀轨比在网格上生成的刀轨更加平滑。Design X 可以快速地用曲面包裹网格，使刀轨编程更加高效。
以最经济实惠、快速而精确的方式帮助您从点云过渡到 3D 多边形模型。

最后，您往往希望通过扫描物体来创建特征齐全且可编辑的 CAD 模型。该流程的工作量最大，但这也是 Design X 最大的功用所在。Design X 能够迅速处理具有数百万点的大型扫描数据集，其速度超过其他任何软件；它有助于您应用逆向工程，快速将物理零件从基于 3D 扫描的数据转化为数字参数化 CAD 模型