面向鐘表制造業(yè)的RE/RP/CAM集成技術(shù)應(yīng)用

葉 凱

YE Kai

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，漳州 363000)

0 引言

隨著市場產(chǎn)品的日益豐富，消費(fèi)者對鐘表產(chǎn)品的要求不斷提高，要求產(chǎn)品造型美觀、功能齊全、交貨時(shí)間短，面對市場的激烈競爭，制造企業(yè)需要一個(gè)從消費(fèi)需求概念的產(chǎn)生到產(chǎn)品快速實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)技術(shù)平臺，以響應(yīng)市場的需求。

1 RE/RP/CAM技術(shù)集成的工作原理及流程

RE/RP/CAM技術(shù)集成，是指RE、RP、CAM技術(shù)的一體化應(yīng)用，是一種全新的設(shè)計(jì)和制造模式[1]。

RE為逆向工程技術(shù)的縮寫，就是利用3D數(shù)字化測量儀器對原始物理模型或樣品，準(zhǔn)確、快速測得其輪廓坐標(biāo)，進(jìn)行曲面重構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，通過CAD進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，生成數(shù)字化虛擬產(chǎn)品模型，再利用RP技術(shù)將虛擬模型通過3D打印生成產(chǎn)品物理模型，進(jìn)行功能驗(yàn)證，最后應(yīng)用CAM技術(shù)加工出產(chǎn)品模具或批量加工產(chǎn)品[2]。

RE/RP/CAM技術(shù)集成應(yīng)用的工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

1.1 模型掃描及數(shù)據(jù)采集

該階段是通過測量設(shè)備和測量方法獲取模型表面離散點(diǎn)的幾何數(shù)據(jù)，將其幾何形狀數(shù)字化，具體做法就是將模型置于測量機(jī)的測量空間內(nèi)，通過三維掃描技術(shù)獲得原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，高效、高精度獲取模型的數(shù)字化信息是實(shí)現(xiàn)逆向工程的基礎(chǔ)，逆向建模的成功與否的關(guān)鍵在于三維掃描所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[3]。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理決定了后續(xù)CAD建模過程能否方便、準(zhǔn)確進(jìn)行,所有的測量方式和測量系統(tǒng)都存在誤差，掃描階段采集的數(shù)據(jù)帶有很多雜點(diǎn)和嘈聲點(diǎn)，會影響到后續(xù)模型的重建，在三維數(shù)字建模之前，必須對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理工作方法有：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、雜點(diǎn)剔除、數(shù)據(jù)降噪、點(diǎn)云的拼接、缺失補(bǔ)全、特征提取等，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后可以建立特征網(wǎng)格模型；將網(wǎng)格化模型進(jìn)行擬合，生成多個(gè)封閉光滑的曲面，再通過拼接、過渡、裁剪、光順等編輯手段對這些曲面進(jìn)行處理，獲得完整光順的曲面模型。

1.3 三維數(shù)字建模

該階段是通過三維建模軟件對上述曲面進(jìn)一步修整、編輯，進(jìn)而得到與實(shí)物原件很接近的CAD模型數(shù)據(jù)，必要時(shí)還要對CAD進(jìn)行誤差分析和修正。

1.4 產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)

實(shí)物模型或樣件的曲面重構(gòu)完成后，進(jìn)入逆向工程再設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)即產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該環(huán)節(jié)充分運(yùn)用設(shè)計(jì)者的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識，把正向設(shè)計(jì)和逆向工程有機(jī)結(jié)合起來進(jìn)行優(yōu)化再設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者不僅要了解產(chǎn)品的幾何特征、數(shù)據(jù)特點(diǎn)、功能需求，還要了解快速成型、模具制作加工等后續(xù)應(yīng)用。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)借鑒了逆向建模模型的某些幾何特征、結(jié)構(gòu)，融入了新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新要求，是逆向工程的靈魂、核心。

1.5 物理模型的快速成生與驗(yàn)證

借助3D打印技術(shù)可將產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的三維數(shù)字模型快速、精確、而又經(jīng)濟(jì)地生成可觸摸的物理模型，且其成型的工件形狀幾乎沒有限制,它比將三維幾何造型展示于二維屏幕或圖紙上具有更高的直觀性和啟示性，可以用打印出來的物理模型進(jìn)行產(chǎn)品形狀和尺寸評判、外觀評審、功能探討、裝配實(shí)驗(yàn)、動態(tài)分析、用戶認(rèn)可,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤或不足，以進(jìn)一步修正、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1.6 模具制造

當(dāng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案確定后，可利用模具設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，獲得模具CAD模型，然后利用CAM，生成數(shù)控加工NC文件，在數(shù)控機(jī)床加工出模具。模具CAD模型完成后也可以直接輸入RP系統(tǒng)，得到快速模具；或者利用RP系統(tǒng)制得零件成型件作為母模，再用傳統(tǒng)的方法通過數(shù)次翻模得到快速模具。

完成模具制造后，即可投入產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。

2 RE/RP/CAM技術(shù)集成在鐘表產(chǎn)品研發(fā)中的意義

我國鐘表業(yè)已躋進(jìn)了世界鐘表生產(chǎn)和消費(fèi)大國的行列,產(chǎn)品產(chǎn)量也位居世界前列,但卻并非鐘表強(qiáng)國。

目前外鐘表的發(fā)展趨勢已越來越脫離單純的計(jì)時(shí)功能，對外觀的審美要求與日俱進(jìn)，鐘表的設(shè)計(jì)核心不僅僅是表機(jī)芯等技術(shù)，表殼等外觀設(shè)計(jì)也十分重要，作為技術(shù)和藝術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，鐘表造型越來越傾向工業(yè)設(shè)計(jì)理念，外觀更加人性化、藝術(shù)化，禮品功能、裝飾功能日益凸現(xiàn)。設(shè)計(jì)人員要針對不同的市場需求，提煉消費(fèi)者需求中的元素，組合成為不同的概念，再進(jìn)行針對性研發(fā)，進(jìn)而快速制造。然而由于鐘表工業(yè)的工業(yè)設(shè)計(jì)水平低,我國鐘表行業(yè)在國際市場同日本、瑞士的競爭處于劣勢，在國內(nèi)市場由于獨(dú)特的設(shè)計(jì)風(fēng)格，無法刺激消費(fèi)者新的消費(fèi)欲望[5]。

針對鐘表現(xiàn)狀，為使我國鐘表工業(yè)繼續(xù)得到健康發(fā)展，中國鐘表工業(yè)協(xié)會提出的今后技術(shù)政策要點(diǎn)中指出“加強(qiáng)外觀件的技術(shù)改造,研究開發(fā)外觀件生產(chǎn)的新技術(shù)、新工藝和新材料,提高鐘表產(chǎn)品的外觀檔次和質(zhì)量水平”。2013年底，首屆“中國（藍(lán)光杯）鐘表設(shè)計(jì)大賽”在“中國鐘表之城”福建省漳州市舉辦，獲獎(jiǎng)的時(shí)鐘產(chǎn)品設(shè)計(jì)、時(shí)鐘概念作品讓人們感受到工業(yè)設(shè)計(jì)在提升鐘表外型中的魅力[6]。

漳州是中國乃至世界最大的石英鐘、石英鐘機(jī)芯生產(chǎn)基地，生產(chǎn)廠家超過一百家，大型企業(yè)有三十余家，從業(yè)人數(shù)近2萬人，產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)滞暾鸞7]。在對漳州鐘表行業(yè)的調(diào)研中，我們感到，設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)時(shí)，已逐漸融入了工業(yè)設(shè)計(jì)的理念，但概念設(shè)計(jì)時(shí)技術(shù)手段落后，缺乏實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)的技術(shù)平臺，進(jìn)而影響到設(shè)計(jì)概念轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的進(jìn)程及效果。

鐘表產(chǎn)品的外觀通常是復(fù)雜的造型，設(shè)計(jì)師的創(chuàng)作靈感可來指某些工藝品、玩具、日常用品以及用戶的感官，從三維建模的角度看，這些造型通常是由復(fù)雜的自由曲面拼接而成，因此在概念設(shè)計(jì)階段難以用嚴(yán)密、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)語言來描述。逆向工程技術(shù)(RE)可根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，利用3D打印機(jī)(RP)打印出實(shí)體模型，獲得客戶的認(rèn)可及功能驗(yàn)證后，即可用數(shù)控機(jī)床加工出產(chǎn)品模具，從設(shè)計(jì)概念到產(chǎn)品生產(chǎn)，周期1-2天即可?？梢钥闯觯琑E/RP/CAM技術(shù)集成為鐘表行業(yè)的工業(yè)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。

3 RE/RP/CAM技術(shù)集成在鐘表制造業(yè)工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

本項(xiàng)目以汽車模型為原型，通過RE/RP/CAM集成技術(shù)，快速研制出帶時(shí)鐘顯示的紀(jì)念品。

3.1 汽車模型原型掃描

在三維掃描儀的轉(zhuǎn)盤上貼上標(biāo)志點(diǎn)，注意不能貼出等邊三角形和有規(guī)則的點(diǎn)。將汽車模型原型放置在轉(zhuǎn)動盤上，旋轉(zhuǎn)若干次，觀察采集樣本的點(diǎn)云是否完整，若不完整單獨(dú)掃描欠缺的部分使之完整，點(diǎn)云文件如圖2所示。將完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存成txt格式文件。

3.2 點(diǎn)云文件處理

通過Geomagic Studio軟件對導(dǎo)入的TXT點(diǎn)云文件進(jìn)行處理。首先手動除去大面積無關(guān)點(diǎn)云，例如轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的噪音點(diǎn)；用過斷開組件，去除體外孤點(diǎn)（若采集的點(diǎn)云較為準(zhǔn)確可降低體外孤點(diǎn)的敏感數(shù)值）；減少噪音；統(tǒng)一采樣，本模型體積較小曲面拐角較多所以采樣時(shí)點(diǎn)間距應(yīng)小于0.2mm左右；對達(dá)到理想的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理；對封裝完的三角形面片進(jìn)行去除特征，光順表面等等處理，對貼點(diǎn)的地方進(jìn)行去除特征處理；保存成STL格式，處理后的點(diǎn)云如圖3所示。

圖2 原型掃描

圖3 點(diǎn)云文件處理

3.3 逆向建模

通過軟件Geomagic Design X 2014進(jìn)行逆向建模。首選對導(dǎo)入的STL格式文件進(jìn)行領(lǐng)域組分析，對其領(lǐng)域進(jìn)行人性化的判斷修正；對齊坐標(biāo)系；通過3D面片草圖找出主要輪廓線并將其繪制出來，在3D面片草圖的基礎(chǔ)上繪制3D草圖得到曲率平緩光順的曲面，再通過放樣，面填充，掃描等曲面命令建出整體模型，最后對其曲率不理想的地方進(jìn)行修剪并填充，用igs保存其片體和草圖（如圖4所示）。

3.4 正向建模及創(chuàng)新設(shè)計(jì)

將得到的曲面片體記性縫合處理利用三維建模軟件中的檢查幾何體找出不能縫合的原因?qū)ζ溆浶孕扪a(bǔ)刪減；得到的實(shí)體進(jìn)行抽殼，對不能抽殼的面進(jìn)行備選厚度處理得到接近理想的殼體。

將正向建模的三維模型按比例放大到所需的尺寸，在小車模型前設(shè)計(jì)出安裝時(shí)鐘的位置，確定功能鍵的位置，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新規(guī)劃，以便安放時(shí)鐘有關(guān)的元器件；對新產(chǎn)品模型進(jìn)行渲染添加環(huán)境等（如圖5所示）。

圖4 逆向建模

圖5 正向建模及創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.5 模型的3D打印與實(shí)物驗(yàn)證

利用3D打印機(jī)打印出創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的模型（如圖6所示），與相關(guān)元器件進(jìn)行裝配，進(jìn)行功能驗(yàn)證，并獲得客戶認(rèn)可。

3.6 模具的設(shè)計(jì)與加工

根據(jù)驗(yàn)證后的實(shí)物模型，利用CAD/CAM軟件對數(shù)字模型進(jìn)行分模，設(shè)計(jì)出注塑模具型芯和型腔（如圖7所示），生成數(shù)控加工程序，在加工中心加工出生產(chǎn)模具。

圖6 3D打印的實(shí)物模型

圖7 模具

至此，產(chǎn)品批量生產(chǎn)的條件就具備了。

4 結(jié)束語

RE/RP/CAM是先進(jìn)制造技術(shù)中重要組成部分，作為消化吸收先進(jìn)技術(shù)、設(shè)計(jì)理念和縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造周期的重要手段[8]，其技術(shù)集成的應(yīng)用將引領(lǐng)鐘表制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

[1]蔡克中,鐘硯濤.現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中逆向工程技術(shù)的應(yīng)用[J].包裝工程,2006(3):156-158.

[2]翟秀云.逆向工程技術(shù)在模具設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2013(12):109-110.

[3]劉曉宇.Pro/ENGINEER逆向工程設(shè)計(jì)完全解析[M].北京:鐵道出版社,2010.

[4]晁永生,樊軍.逆向工程與快速成型一體化應(yīng)用研究[J].機(jī)床與液壓,2008(4):279-281.

[5]劉建成.對鐘表創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思考[J].鐘表,2008(4):126-128.

[6]劉惠蘭,張軍紅.中國鐘表以自主創(chuàng)新促產(chǎn)業(yè)升級[J].經(jīng)濟(jì),2014(2):98-99.

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