基于逆向工程与快速成型技术的产品改良设计*

2018-10-09诸进才胡艳娥

机电工程技术 2018年9期

诸进才，胡艳娥，罗武

（广州铁路职业技术学院，广东广州 510430）

随着当前制造业的快速发展和用户对产品的要求不断地提高，产品更新换代越来越快，这对产品开发提出了更高的要求[1]。利用先进设计与制造理念和手段，对现有产品进行再设计以满足用户要求的产品开发方法是缩短产品开发周期和降低产品研制开发成本的一种可行方法[2-3]。本文作者以市场上流行的一款鞋油瓶盖的改良设计流程为蓝本，阐述基于逆向工程与快速成型技术的产品创新设计应用过程。

1 基于逆向工程的产品数字化建模流程

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是将实物模型转变为CAD模型的相关数字化测量技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称[4]。基于逆向工程的产品数字化建模就是根据已经存在的产品原型或实物模型，反向推出产品的设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程，是一个“从有到无”的过程[5]。

1.1 改良设计任务

一家专门生产高级液体鞋油的公司所用的塑料油瓶外包给另一家塑胶模具公司。由于模具公司设计部电脑受到黑客攻击导致所保存的原鞋油瓶的所有设计图档等数据全部丢失。前期有用户在使用该款鞋油时反馈瓶盖过于光滑，不易扭开。经过前期的市场调研，公司决定在现有瓶身的基础上，重新优化设计鞋油瓶盖，推出一款新的鞋油产品。

1.2 原模型设计数据的获取

要对原有鞋油瓶盖进行改良设计，首先必须获取与之配合的原有鞋油瓶身的设计数据。本文作者采用某公司的Win3DD单目三维扫描仪扫描鞋油瓶身。

（1）扫描仪标定。在正式扫描之前必须先对扫描仪进行标定以保证扫描的精度，如图1所示调整扫描距离，将标定板放置在视场中央，通过调整硬件系统的高度以及俯仰角，使两个十字叉尽可能重合[6]。将标定板水平放置，调整扫描距离后点击“标定”。根据界面左上角的标定指示直到完成标定工作。

（2）标志点粘贴。由于物品是空间曲面轮廓，不可能一次性扫描完毕，因此需要在待扫描物体上贴上标志点，借助标志点将当前扫描得到的点云数据与前一次扫描得到的点云数据进行拼接，最终完成整个物品的数据拼接。标志点要尽量贴在工件的平面区域或曲率较小的曲面，且距离工件边界较远一些。标志点不要贴在一条直线上，且一定避免对称粘贴。公共标志点至少为4个，由于图像质量、拍摄角度等多方面原因，有些标志点不能正确识别，因而用尽可能多的标志点，一般5—7个为宜。粘贴的标志点要保证扫描策略的顺利实施，并使标志点在长度、宽度、高度方向均应合理分布。鞋油瓶身粘贴的标志点如图2所示。

图1 扫描仪定标

图2 瓶身标志点粘贴情况

（3）扫描过程。点击“新建工程”按钮，选择“拼接扫描”后确定，软件上出现了待扫描物品，尽可能地将“十”字光标对准零件的几何中心位置，然后点击“单帧扫描”完成物品数据的第一次获取，然后转动物品再次扫描，直到全部数据扫描完毕，得到如图3所示的瓶身点云数据。

图3 扫描得到的瓶身点云数据

图4 根据扫描结果还原的瓶身三角网络模型

1.3 点云数据前处理

根据鞋油瓶身的结构特点，选择逆向工程点云处理软件Geomagic Wrap对点云数据优化处理。首先对点云进行优化处理（去噪、去除体外孤点等），然后对其进行“封装”处理，得到由小三角面片组成的瓶身模型，再对小三角面片进行优化处理（如简化模型、去除表面特征、砂纸打磨等），得到一个跟原始瓶身相近的、表面较为光滑的瓶身模型（图4）。

经“封装”处理得到的模型是表面全部由三角面片所组成的“壳体”模型，需另存为其他三维软件都能识读的中性格式数据文件，即STL格式文件。

1.4 产品CAD三维模型重构

将前一步骤得到的瓶身三角网格模型导入三维设计软件进行进一步的实体化设计。首先，根据产品外形左右对称的特征，提取其三维特征，以瓶底为基准建立3个相互垂直的基准面（包括中间对称平面）。然后再结合关键点抽取、草绘样条曲线、混合或边界曲面、裁剪、镜像、组合等命令，完成产品外观曲面模型的重构，如图5所示。

由于该设计目的在于瓶盖的改良设计，因此瓶身只要完成其外形曲面造型即可。

2 产品改良创新设计

根据客户反馈的意见，此处需解决的关键问题是瓶盖的过于光滑导致不易拧开。瓶身造型不作改动，因此新设计的瓶盖要保持与原瓶身的设计风格一致。

图5 根据扫描结构还原的瓶身实体模型

图6 瓶盖改良设计效果

根据前述步骤已经完成的瓶身曲面模型，应用三维软件设计与之配套的鞋油瓶盖，根据创新设计方案的可行性、合理性和零件的工艺性，使其拥有合理的产品料厚和装配结构，进一步完成瓶盖的结构设计。

首先考虑的是防滑设计，根据鞋油瓶嘴有一定的倾斜，一般拔开的人都会往后向上倾斜45°拔开，这样摩擦力也会往后上倾斜45°，所以把防滑痕设计成斜向上45°微凸起弯月型，这样既起到防滑作用，又美观，如图6所示；其次，考虑到大规模大批量生产时的模具脱模的要求，高度设计为0.15 mm；最后，考虑到瓶盖的使用频率较高，在设计时特意在开口面处设计了3道加强筋以增强盖子的抗变形能力，同时有效防止由于使用过多而导致盖子损坏。

3 基于快速成型技术的产品快速制造

快速成型技术又称快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM，俗称3D打印技术）技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果[7]。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段[8]。快速成形技术是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。

考虑到盖子有3个面是密封面，如果开口面朝下，盖子里面必然会填满了填充材料，并且在去除填充材料时有可能导致表面的一些小细节（如卡扣）损坏。如果是开口面朝上，填充材料将大幅减少，却可能造成外表面粗糙度增大，其可以通过打磨来消除。通过对比分析，决定采用开口面朝上的方案，如图7所示，打印出来的实物如图8所示。经测试，改良设计得到的瓶盖能很好地完成与原有瓶身的配合，扭开时不易打滑，整体装配效果符合客户的要求。