传统的正向设计是工程师根据零件的使用要求，提出功能、外观等方面的设汁构想，得出多种方案，计算、分析和比较，然后绘制图纸，确定工艺规划，选择机床加工；与正向设计不同，逆向工程又称为反求工程，它针对不删的实物原型，选取合适的测量仪器，应用逆向软件由测量数据重构出实物的CAD模型，最后制造出模型所定义的产品。逆向工程在汽车、家电产品外形设计、艺术品复制等领域应用广泛。本文以艺术茶杯为例，基于非接触式扫描仪和Geomagic Studio，介绍逆向工程的过程和应用。
一、艺术茶杯数据测量
艺术茶杯是曲面类零件，结构复杂，若采用三坐标接触式测量，测得的点数据相对有限，不能完全反映产品的形状；选用非接触式三维扫描仪，测量速度快，点数据较大，通常有几百万个点，能较真实地反映产品的形状，且避免了因扫描头磨损而影响精度，不会划伤工件，无接触变形，在测量过程中无接触力，工件容易装夹，尤其在测垃工件内部特征时具有明显优势。采用EinScan-S的3D扫描仪，测量精度≤0．1mm，点距0．17mm～0．2mm，采用转台全自动扫描模式，三维扫描仪由转台和扫描头组成，测量前，调整光束投射位置，调节扫描头倾斜角度，另外先用标定板对设备标定三次，确定转台与扫描头的相埘位置，艺术茶杯反光较强，扫描前，将显像剂喷涂在茶杯表面，为减少误差，显像剂必须颗粒细小，喷涂均匀，可以大幅改善茶杯扫描特性。选择物体亮度和物体的纹理，艺术茶杯采用多角度扫描，一次扫描数据不完整，无法正确表达艺术茶杯曲面轮廓，对扫描方案进行规划，杯口朝上扫描一次，得到外轮廓数据，拆卸后杯身朝上再次扫描，得到茶杯内部轮廓及杯底内凹处信息，系统自动将不同位置和角度的测量数据对齐，获得完整、精确的三维点云数据。
二、艺术茶杯数据处理
将扫描的数据导入到“Geomagic Studio”软件中，如图1所示。
(一)点阶段处理。点云着色处理，通过体外弧点、非连接项删除多余点，对点云数据进行曲率采样、等距采样或随机采样等。目的是去除无用杂点，减少数据量，利于多边形阶段处理。
(二)多边形阶段处理。删除钉状物、补全孔洞(艺术茶杯于柄部分扫描后留下孔洞)、扫描后杯内有多余部分采厢抽壳去除，修复相交区域，锐化曲面连接，编辑边界，拟合孔，对多边形网格光顺和优化处理，为后续曲面处理打下基础。
(三)形状阶段处理。拟合成NURBS曲面，修改曲面属性，对曲面进行松弛、合并等处理，得到理想的曲面模型，如图2所示。
三、快速成形
快速成形以 维模型文件为基础，应用FDM、SLS、SLA等不同的技术，使用特定材料如ABS、PLA、尼龙、聚苯乙烯、金属、陶瓷等材料，采用激光或喷头自下而上逐层叠加制造物体的方法。本实例采用熔融沉积成形FDM，具体过程如下。
(一)CAD模型。非接触扫描仪扫描后得到点云数据，数据处理后产生三维模型。
(二)分层。用二维薄片逼近三维实体，可生产任意复杂件。三维模型的摆放方向不同，对加工精度、成形效率和支撑设置等影响大，本实例采用杯口朝上放置，X—Y方向尺寸精度高于z方向。艺术茶杯手柄处近似外伸结构，为方便取出工件，应在茶杯底部和手柄处设置支撑。艺术茶杯杯口处曲面曲率变化大，虽然采用等高度分层方法简单，但加工精度难以保证，采用适用性分层，根据工件形状特点，在曲率变化小时采用较厚切片，在曲率变化大区域采用精细切片，可同时兼顾加工效率和加工精度。
(三)层面加工与粘结。加工设备不需要昂贵的激光器，由喷头及送丝机构，加热及温控系统、XYZ扫描运动系统等多机构联动，对每层轮廓信息识别，进行工艺规划，自动生成数控代码，对整个截面进行涂覆，制造一系列层片并自动将它们联接起来，如图3所示，加工实心工件速度较慢，生产艺术茶杯等薄壳件优势明显。采用双喷头同时喷涂，工件和支撑采用不同材料，效率高且易于去除支撑。
(四)后处理。剥离支撑结构，用热熔塑料修补表面缺陷，剥离表面、层与层交界处打磨处理，喷刷涂料，提高工件的强度和刚度，得到满足需求的零件。
四、结语
逆向设计与快速成形是计算机、数控、新材料等技术的高度集成，能解决复杂曲面零件模型获取和快速制造的难题，通过实例验证了该方法的可行性，但逆向工程中存在测量和制造误差、STL格式转换数据量大精度降低、对操作者水平依赖大等诸多问题，随着工艺、材料、软件的进步，逆向工程的应用范围不断扩大是必然趋势。
