CN108214819A - 一种基于逆向工程的日用陶瓷模具设计与制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于逆向工程的日用陶瓷模具设计与制造方法，包括以下步骤：获得陶瓷品的三维点云数据；通过对逆向工程的后处理的分析，利用Imageware软件大规模海量的三维点云数据进行处理和提取，得到日用陶瓷品数字化模型的网格模型，并以此模型为载体模型，对其进行重新设计与改制，加入创新新颖的元素；运用单幅图像的三维重建技术生成三维浮雕模型，将载体模型进行局部参数化，进而通过纹理映射的原理在载体网格模型上快速生成曲面浅浮雕造型；根据得到的具有曲面浅浮雕造型的网格模型，采用3D打印的方式输出浅浮雕陶瓷工艺品实体件，得到新的日用陶瓷模具。本发明能够缩短传统日用陶瓷模具的制作周期。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷模具设计制造技术领域，特别是涉及一种基于逆向工程的日用陶瓷模具设计与制造方法。
背景技术
日用陶瓷产品的成型均需借助于复杂的模具来实现，所以陶瓷模具在陶瓷工业生产中有着举足轻重的地位。能否生产出高品质的日用陶瓷产品在很大程度上由陶瓷模具的好坏来决定。目前我国陶瓷行业对复杂陶瓷制品的研发能力比较低，新产品的开发没有采用先进的设计与制造技术，产品制造大多通过手工完成，前期模具制造工作量大且产品质量过于依赖设计与制造人员的经验和技术。
随着“中国制造2025”的提出，制造业向智能化和网络化方向快速发展，先进设计与制造技术在汽车、机械、电器等行业也得到了广泛的应用。逆向工程这项先进设计与制造技术在日用陶瓷模具制造领域也有一定的价值。逆向工程是—个实物模型获得数字化数据，然后通过相应的逆向工程软件将数据精确化调整，将其转化成CAD格式数据，CAD格式数据可在工程软件中进行再设计或者直接导入加工设备中，满足批量化生产需求。这一新引进的先进制造技术优化了传统日用陶瓷模具制做的工业流程，同时也解决了日用陶瓷模具成型周期长，过程复杂，模具制作过于依赖经验的问题。
然而这一制造技术也存在着一定的缺陷，对新生成的CAD格式数据模型进行再设计过程太过于依赖于计算机辅助软件。而在浅浮雕建模方面，CAD软件的功能却十分有限，因为在较薄的背景空间内进行用户操作，建模过程会异常繁杂，建模结果受操作者经验影响较大。加之本身利用计算机辅助软件再设计陶瓷产品的方法，要求设计陶瓷产品的设计人员具有较高的三维建模水平，而且设计者和加工者必须是同一人，这就无形之中增加了设计的难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于逆向工程的日用陶瓷模具设计与制造方法，能够更加简单方便地设计制造出有创意的日用陶瓷产品。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于逆向工程的日用陶瓷模具设计与制造方法，包括以下步骤：
(1)利用非接触式三维扫描仪对待逆向的日用陶瓷品进行扫描，获得陶瓷品的三维点云数据；
(2)通过对逆向工程的后处理的分析，利用Imageware软件对扫描仪获得的大规模海量的三维点云数据进行处理和提取，得到日用陶瓷品数字化模型的网格模型，并以此模型为载体模型，对其进行重新设计与改制，加入创新新颖的元素；
(3)运用单幅图像的三维重建技术生成三维浮雕模型，将载体模型进行局部参数化，进而通过纹理映射的原理在载体网格模型上快速生成曲面浅浮雕造型；
(4)根据得到的具有曲面浅浮雕造型的网格模型，采用3D打印的方式输出浅浮雕陶瓷工艺品实体件，得到新的日用陶瓷模具。
所述步骤(2)中采用Imageware软件对扫描仪获得的大规模海量的三维点云数据进行处理具体包括以下子步骤：
(21)点云处理：输入原始点云图，去除错误数据将点云添加到统一特征中，然后删除部分点将噪音降到最低，对点进行取样以整理数据并减少计算时间，最后由点云创建包络；
(22)包络处理：首先通过在选定区域内扩展曲面来删除小三角形平面，同时删除由点云创建包络时在模型的间隙生成的连接面，然后以直线方式贯穿模型来删除小三角形平面，向几何的选定区域添加小三角形平面的一个单独的层，最后填充选定几何的所有凹陷部分以及需要附加体积的区域；
(23)网格模型处理：删除不需要的小三角形平面以减少小三角形平面的数量但不损坏曲面的连续性或细节，填充可能在扫描过程中引入的间隙，通过减少小三角形平面的尺寸大小来改善多面几何的形状，通过以迭代方式改变定点坐标来平滑多边形曲面，反转由公共边的两个小三角形平面的方向，通过分割现有小三角形平面或选取三个开放定点来创建新的小三角形平面。
所述步骤(3)中在载体网格模型上快速生成曲面浅浮雕造型具体包括以下子步骤：
(31)采用阈值分割和去噪的方法对原始图像进行预处理；
(32)选取SFS方法估计所复原的浮雕模型的深度，并通过调节Jacobi迭代的迭代次数来适应不同的浮雕模型复原；
(33)利用傅里叶滤波对估计出的模型深度的频率进行调节，并叠加从效果化图像中估计出的模型，修复平面深度矩阵；
(34)利用指数映射对载体网格模型的局部区域进行参数化；
(35)对浮雕平面深度矩阵进行归一化，利用纹理映射的原理找到载体模型参数化后的局部区域与平面深度矩阵之间的对应关系。
所述步骤(4)包括以下子步骤：
(41)根据三维打印机的打印尺寸和日用陶瓷产品的结构，将处理得到的具有曲面浅浮雕造型的网格模型进行分割，得到多个分立的结构单元；
(42)在计算机指令的控制下，将粘合剂选择性地喷射到陶瓷粉末表面上，粉体粘合之后最终成型出预期的实体模型；
(43)对实体模型打磨和光顺，然后进行批量翻制即得到新的日用陶瓷模具。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明缩短了传统日用陶瓷产品模具的开发周期，降低了新产品开发的成本，能够在原始模型的基础上进行浅浮雕建模，更加简单方便地设计制造出有创意的日用陶瓷产品。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明中点云数据处理流程图；
图3是本发明中曲面浮雕算法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种基于逆向工程的日用陶瓷模具设计与制造方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)利用非接触式三维扫描仪对待逆向的日用陶瓷品进行扫描，获得陶瓷品的三维点云数据；
(2)通过对逆向工程的后处理的分析，利用Imageware软件对扫描仪获得的大规模海量的三维点云数据进行处理和提取，得到日用陶瓷品数字化模型的网格模型，并以此模型为载体模型，对其进行重新设计与改制，加入创新新颖的元素；
(3)运用单幅图像的三维重建技术生成三维浮雕模型，将载体模型进行局部参数化，进而通过纹理映射的原理在载体网格模型上快速生成曲面浅浮雕造型；
(4)根据三维打印机的打印尺寸，日用陶瓷产品的结构将步骤(3)处理得到的新的3D网格模型进行分割，得到多个分立的结构单元；
(5)在计算机指令的控制下，将粘合剂选择性地喷射到陶瓷粉末表面上，粉体粘合之后最终成型出预期的实体模型；
(6)对步骤(5)得到的实体模型打磨和光顺，然后进行批量翻制即得到新的日用陶瓷模具。
进一步地，步骤(2)中采用Imageware软件对扫描仪获得的大规模海量的三维点云数据进行处理，如图2所示，其具体包括以下步骤：
(21)点云处理：输入原始点云图，去除错误数据将点云添加到统一特征中，然后删除部分点将噪音降到最低，对点进行取样以整理数据并减少计算时间，最后由点云创建包络；
(22)包络处理：首先通过在选定区域内扩展曲面来删除小三角形平面，同时删除由点云创建包络时在模型的间隙生成的连接面，然后以直线方式贯穿模型来删除小三角形平面，向几何的选定区域添加小三角形平面的一个单独的层，最后填充选定几何的所有凹陷部分以及需要附加体积的区域；
(23)网格模型处理：删除不需要的小三角形平面以减少小三角形平面的数量但不损坏曲面的连续性或细节，填充可能在扫描过程中引入的间隙，通过减少小三角形平面的尺寸大小来改善多面几何的形状，通过以迭代方式改变定点坐标来平滑多边形曲面，反转由公共边的两个小三角形平面的方向，通过分割现有小三角形平面或选取三个开放定点来创建新的小三角形平面。
进一步地，步骤(3)中在载体模型上生成曲面浮雕的过程，如图3所示，其具体包括以下步骤：
(31)采用阈值分割、去噪等方法对原始图像进行预处理，便于对它进行进一步处理；
(32)选取ShapeFromShading方法估计所复原的浮雕模型的深度，并通过调节Jacobi迭代的迭代次数来适应不同的浮雕模型复原；
(33)利用傅里叶滤波对估计出的模型深度的频率进行调节，并叠加从效果化图像中估计出的模型，修复平面深度矩阵。
(34)利用指数映射对载体网格模型的局部区域进行参数化；
(35)对浮雕平面深度矩阵进行归一化，利用纹理映射的原理找到载体模型参数化后的局部区域与平面深度矩阵之间的对应关系。
不难发现，本发明将逆向工程技术应用到陶瓷工业领域，优化了传统日用陶瓷模具制作流程，同时对逆向工程中新生成的CAD格式数据模型进行再设计过程进行了改进，使得其能够在原始模型上进行浅浮雕建模，更加简单方便地就能设计制造出有创意日用陶瓷产品。
Claims (4)
1.一种基于逆向工程的日用陶瓷模具设计与制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用非接触式三维扫描仪对待逆向的日用陶瓷品进行扫描，获得陶瓷品的三维点云数据；
(2)通过对逆向工程的后处理的分析，利用Imageware软件对扫描仪获得的大规模海量的三维点云数据进行处理和提取，得到日用陶瓷品数字化模型的网格模型，并以此模型为载体模型，对其进行重新设计与改制，加入创新新颖的元素；
(3)运用单幅图像的三维重建技术生成三维浮雕模型，将载体模型进行局部参数化，进而通过纹理映射的原理在载体网格模型上快速生成曲面浅浮雕造型；
(4)根据得到的具有曲面浅浮雕造型的网格模型，采用3D打印的方式输出浅浮雕陶瓷工艺品实体件，得到新的日用陶瓷模具。
2.根据权利要求1所述的基于逆向工程的日用陶瓷模具设计与制造方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用Imageware软件对扫描仪获得的大规模海量的三维点云数据进行处理具体包括以下子步骤：
(21)点云处理：输入原始点云图，去除错误数据将点云添加到统一特征中，然后删除部分点将噪音降到最低，对点进行取样以整理数据并减少计算时间，最后由点云创建包络；
(22)包络处理：首先通过在选定区域内扩展曲面来删除小三角形平面，同时删除由点云创建包络时在模型的间隙生成的连接面，然后以直线方式贯穿模型来删除小三角形平面，向几何的选定区域添加小三角形平面的一个单独的层，最后填充选定几何的所有凹陷部分以及需要附加体积的区域；
(23)网格模型处理：删除不需要的小三角形平面以减少小三角形平面的数量但不损坏曲面的连续性或细节，填充可能在扫描过程中引入的间隙，通过减少小三角形平面的尺寸大小来改善多面几何的形状，通过以迭代方式改变定点坐标来平滑多边形曲面，反转由公共边的两个小三角形平面的方向，通过分割现有小三角形平面或选取三个开放定点来创建新的小三角形平面。
3.根据权利要求1所述的基于逆向工程的日用陶瓷模具设计与制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中在载体网格模型上快速生成曲面浅浮雕造型具体包括以下子步骤：
(31)采用阈值分割和去噪的方法对原始图像进行预处理；
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(33)利用傅里叶滤波对估计出的模型深度的频率进行调节，并叠加从效果化图像中估计出的模型，修复平面深度矩阵；
(34)利用指数映射对载体网格模型的局部区域进行参数化；
(35)对浮雕平面深度矩阵进行归一化，利用纹理映射的原理找到载体模型参数化后的局部区域与平面深度矩阵之间的对应关系。
4.根据权利要求1所述的基于逆向工程的日用陶瓷模具设计与制造方法，其特征在于，所述步骤(4)包括以下子步骤：
(41)根据三维打印机的打印尺寸和日用陶瓷产品的结构，将处理得到的具有曲面浅浮雕造型的网格模型进行分割，得到多个分立的结构单元；
(42)在计算机指令的控制下，将粘合剂选择性地喷射到陶瓷粉末表面上，粉体粘合之后最终成型出预期的实体模型；
(43)对实体模型打磨和光顺，然后进行批量翻制即得到新的日用陶瓷模具。
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