基于逆向工程與快速成型技術(shù)的產(chǎn)品改良設(shè)計*

諸進才，胡艷娥，羅 武

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學院，廣東廣州 510430）

隨著當前制造業(yè)的快速發(fā)展和用戶對產(chǎn)品的要求不斷地提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，這對產(chǎn)品開發(fā)提出了更高的要求[1]。利用先進設(shè)計與制造理念和手段，對現(xiàn)有產(chǎn)品進行再設(shè)計以滿足用戶要求的產(chǎn)品開發(fā)方法是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低產(chǎn)品研制開發(fā)成本的一種可行方法[2-3]。本文作者以市場上流行的一款鞋油瓶蓋的改良設(shè)計流程為藍本，闡述基于逆向工程與快速成型技術(shù)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用過程。

1 基于逆向工程的產(chǎn)品數(shù)字化建模流程

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是將實物模型轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的相關(guān)數(shù)字化測量技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱[4]?；谀嫦蚬こ痰漠a(chǎn)品數(shù)字化建模就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品原型或?qū)嵨锬Ｐ停聪蛲瞥霎a(chǎn)品的設(shè)計數(shù)據(jù)（包括設(shè)計圖紙或數(shù)字模型）的過程，是一個“從有到無”的過程[5]。

1.1 改良設(shè)計任務(wù)

一家專門生產(chǎn)高級液體鞋油的公司所用的塑料油瓶外包給另一家塑膠模具公司。由于模具公司設(shè)計部電腦受到黑客攻擊導(dǎo)致所保存的原鞋油瓶的所有設(shè)計圖檔等數(shù)據(jù)全部丟失。前期有用戶在使用該款鞋油時反饋瓶蓋過于光滑，不易扭開。經(jīng)過前期的市場調(diào)研，公司決定在現(xiàn)有瓶身的基礎(chǔ)上，重新優(yōu)化設(shè)計鞋油瓶蓋，推出一款新的鞋油產(chǎn)品。

1.2 原模型設(shè)計數(shù)據(jù)的獲取

要對原有鞋油瓶蓋進行改良設(shè)計，首先必須獲取與之配合的原有鞋油瓶身的設(shè)計數(shù)據(jù)。本文作者采用某公司的Win3DD單目三維掃描儀掃描鞋油瓶身。

（1）掃描儀標定。在正式掃描之前必須先對掃描儀進行標定以保證掃描的精度，如圖1所示調(diào)整掃描距離，將標定板放置在視場中央，通過調(diào)整硬件系統(tǒng)的高度以及俯仰角，使兩個十字叉盡可能重合[6]。將標定板水平放置，調(diào)整掃描距離后點擊“標定”。根據(jù)界面左上角的標定指示直到完成標定工作。

（2）標志點粘貼。由于物品是空間曲面輪廓，不可能一次性掃描完畢，因此需要在待掃描物體上貼上標志點，借助標志點將當前掃描得到的點云數(shù)據(jù)與前一次掃描得到的點云數(shù)據(jù)進行拼接，最終完成整個物品的數(shù)據(jù)拼接。標志點要盡量貼在工件的平面區(qū)域或曲率較小的曲面，且距離工件邊界較遠一些。標志點不要貼在一條直線上，且一定避免對稱粘貼。公共標志點至少為4個，由于圖像質(zhì)量、拍攝角度等多方面原因，有些標志點不能正確識別，因而用盡可能多的標志點，一般5—7個為宜。粘貼的標志點要保證掃描策略的順利實施，并使標志點在長度、寬度、高度方向均應(yīng)合理分布。鞋油瓶身粘貼的標志點如圖2所示。

圖1 掃描儀定標

圖2 瓶身標志點粘貼情況

（3）掃描過程。點擊“新建工程”按鈕，選擇“拼接掃描”后確定，軟件上出現(xiàn)了待掃描物品，盡可能地將“十”字光標對準零件的幾何中心位置，然后點擊“單幀掃描”完成物品數(shù)據(jù)的第一次獲取，然后轉(zhuǎn)動物品再次掃描，直到全部數(shù)據(jù)掃描完畢，得到如圖3所示的瓶身點云數(shù)據(jù)。

圖3 掃描得到的瓶身點云數(shù)據(jù)

圖4 根據(jù)掃描結(jié)果還原的瓶身三角網(wǎng)絡(luò)模型

1.3 點云數(shù)據(jù)前處理

根據(jù)鞋油瓶身的結(jié)構(gòu)特點，選擇逆向工程點云處理軟件Geomagic Wrap對點云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理。首先對點云進行優(yōu)化處理（去噪、去除體外孤點等），然后對其進行“封裝”處理，得到由小三角面片組成的瓶身模型，再對小三角面片進行優(yōu)化處理（如簡化模型、去除表面特征、砂紙打磨等），得到一個跟原始瓶身相近的、表面較為光滑的瓶身模型（圖4）。

經(jīng)“封裝”處理得到的模型是表面全部由三角面片所組成的“殼體”模型，需另存為其他三維軟件都能識讀的中性格式數(shù)據(jù)文件，即STL格式文件。

1.4 產(chǎn)品CAD三維模型重構(gòu)

將前一步驟得到的瓶身三角網(wǎng)格模型導(dǎo)入三維設(shè)計軟件進行進一步的實體化設(shè)計。首先，根據(jù)產(chǎn)品外形左右對稱的特征，提取其三維特征，以瓶底為基準建立3個相互垂直的基準面（包括中間對稱平面）。然后再結(jié)合關(guān)鍵點抽取、草繪樣條曲線、混合或邊界曲面、裁剪、鏡像、組合等命令，完成產(chǎn)品外觀曲面模型的重構(gòu)，如圖5所示。

由于該設(shè)計目的在于瓶蓋的改良設(shè)計，因此瓶身只要完成其外形曲面造型即可。

2 產(chǎn)品改良創(chuàng)新設(shè)計

根據(jù)客戶反饋的意見，此處需解決的關(guān)鍵問題是瓶蓋的過于光滑導(dǎo)致不易擰開。瓶身造型不作改動，因此新設(shè)計的瓶蓋要保持與原瓶身的設(shè)計風格一致。

圖5 根據(jù)掃描結(jié)構(gòu)還原的瓶身實體模型

圖6 瓶蓋改良設(shè)計效果

根據(jù)前述步驟已經(jīng)完成的瓶身曲面模型，應(yīng)用三維軟件設(shè)計與之配套的鞋油瓶蓋，根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計方案的可行性、合理性和零件的工藝性，使其擁有合理的產(chǎn)品料厚和裝配結(jié)構(gòu)，進一步完成瓶蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

首先考慮的是防滑設(shè)計，根據(jù)鞋油瓶嘴有一定的傾斜，一般拔開的人都會往后向上傾斜45°拔開，這樣摩擦力也會往后上傾斜45°，所以把防滑痕設(shè)計成斜向上45°微凸起彎月型，這樣既起到防滑作用，又美觀，如圖6所示；其次，考慮到大規(guī)模大批量生產(chǎn)時的模具脫模的要求，高度設(shè)計為0.15 mm；最后，考慮到瓶蓋的使用頻率較高，在設(shè)計時特意在開口面處設(shè)計了3道加強筋以增強蓋子的抗變形能力，同時有效防止由于使用過多而導(dǎo)致蓋子損壞。

3 基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品快速制造

快速成型技術(shù)又稱快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM，俗稱3D打印技術(shù)）技術(shù)，誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，被認為是近20年來制造領(lǐng)域的一個重大成果[7]。它集機械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學、激光技術(shù)于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段[8]?？焖俪尚渭夹g(shù)是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體原型。

考慮到蓋子有3個面是密封面，如果開口面朝下，蓋子里面必然會填滿了填充材料，并且在去除填充材料時有可能導(dǎo)致表面的一些小細節(jié)（如卡扣）損壞。如果是開口面朝上，填充材料將大幅減少，卻可能造成外表面粗糙度增大，其可以通過打磨來消除。通過對比分析，決定采用開口面朝上的方案，如圖7所示，打印出來的實物如圖8所示。經(jīng)測試，改良設(shè)計得到的瓶蓋能很好地完成與原有瓶身的配合，扭開時不易打滑，整體裝配效果符合客戶的要求。

圖7 3D打印機導(dǎo)入設(shè)計模型

圖8 3D打印得到的創(chuàng)新設(shè)計的瓶蓋模型

4 結(jié)論

逆向工程不是簡單地將原有物體還原，而是在還原的基礎(chǔ)上進行二次創(chuàng)新；3D打印技術(shù)也不只是快速地將模型打印出來，更多的是有思想的創(chuàng)造模型；逆向工程與3D打印技術(shù)的結(jié)合可以快速地還原物體原貌并快速制作出創(chuàng)新設(shè)計的實物模型，其二者的互補已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域并取得了重大的經(jīng)濟和社會效益。