基于正、逆向工程結(jié)合的打蛋器支座設(shè)計(jì)研究

黃加福

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，福建 漳州363000）

0 引言

3D打印技術(shù)改變了傳統(tǒng)的材料制造模式[1]，有力推動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。采用3D打印進(jìn)行物件掃描，制造物件的相關(guān)配件，即為逆向工程技術(shù)，它在模具、汽車、航空、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]，其具體的工作流程如圖1所示。

圖1 逆向工程的流程

本研究的打蛋器是手握式的電動打蛋器。由于在使用過程中，打蛋器本身及其配件儲藏不方便，本研究利用逆向工程技術(shù)設(shè)計(jì)和制造出一款用于放置打蛋器及配件的支座。其具體的流程為：1）獲取原打蛋器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理；3）打蛋器模型重構(gòu)；4）打蛋器支座創(chuàng)新設(shè)計(jì)；5）3D打印樣機(jī)。

1 打蛋器的3D掃描

本研究采用白光拍攝原理的單目掃描儀，單幅掃描范圍為300 mm×210 mm×200 mm，該掃描儀的幅面適用于打蛋器的大小。掃描軟件界面及效果如圖2所示。

圖2 掃描系統(tǒng)的軟件界面

在掃描打蛋器前，需完成對掃描儀的標(biāo)定，在工件上噴涂顯影劑，同時(shí)在合適位置上貼好標(biāo)志點(diǎn)，通過調(diào)整相機(jī)高度、俯視角及掃描軟件的參數(shù)可以對工件開始掃描。在產(chǎn)品的掃描過程中，計(jì)算機(jī)根據(jù)三角法等[2-3]精確計(jì)算出每個(gè)像素對應(yīng)物體表面的空間點(diǎn)坐標(biāo)（即標(biāo)志點(diǎn)）和紋理信息，經(jīng)過不同幅面的點(diǎn)云進(jìn)行自動拼接，從而達(dá)到獲得掃描物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對于單目的3D掃描儀，大部分產(chǎn)品難于通過單次掃描而獲取產(chǎn)品的所有三維數(shù)據(jù)。因此，需通過移動工件或移動3D掃描儀進(jìn)行多幅掃描，第一幅點(diǎn)云與第二幅點(diǎn)云通過公共的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行拼接，通過對打蛋器有序地進(jìn)行多幅掃描，從而獲取掃描件的全部數(shù)據(jù)。由于打蛋器需要正反面掃描，需通過在工件上粘貼過渡的標(biāo)志點(diǎn)，如圖3所示。當(dāng)翻轉(zhuǎn)成功后，再依次對左面進(jìn)行有序掃描。

圖3 3D掃描原理

打蛋器掃描質(zhì)量的好壞決定了后續(xù)的數(shù)字化建模質(zhì)量。影響打蛋器掃描后點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度的主要因素有：1）設(shè)備的精度[4]；2）周圍噪聲、震動等環(huán)境的影響；3）標(biāo)定點(diǎn)粘貼不合理導(dǎo)致圖形的錯層；4）噴涂顯影劑導(dǎo)致的誤差，操作不當(dāng)引起的誤差。

2 打蛋器的數(shù)字化建模設(shè)計(jì)

2.1 打蛋器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

由于顏色較淺的非掃描件（如周圍的地板）也會被3D掃描儀提取到計(jì)算機(jī)上，因此，通過3D掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)雜質(zhì)點(diǎn)、噪聲較多，數(shù)據(jù)量較大，如圖4（a）所示，掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)為580 235個(gè)。有些廠家開發(fā)的掃描軟件也具備了去除雜質(zhì)點(diǎn)的功能，可預(yù)先處理后再導(dǎo)出。本文經(jīng)過Geomagic Wrap等點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理，該軟件主要經(jīng)過“點(diǎn)階段”和“多邊形”兩個(gè)階段。其數(shù)據(jù)的處理過程為：1）點(diǎn)處理階段：刪除雜質(zhì)點(diǎn)——刪除體外孤點(diǎn)——減少噪聲——采樣——封裝；2）多邊形階段：填充孔——刪除標(biāo)志點(diǎn)及其他噪聲引起的特征——砂紙光順多邊形——導(dǎo)出stl。通過數(shù)據(jù)處理完的多邊形如圖 4（d）所示。

圖4 點(diǎn)云處理

對于一些特別復(fù)雜的造型，由于通過三維建模的方法難度較大，可通過Geomagic Wrap的形狀階段處理，該階段可實(shí)現(xiàn)曲面重構(gòu)，通過構(gòu)造整齊的格柵，從而擬合出光順的曲面。采用NURBS曲面生成原理，對點(diǎn)和多邊形階段處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合。流程包括探測曲率、構(gòu)造曲面片、移動面板、構(gòu)造格柵、NURBS擬合曲面等操作，將曲面重構(gòu)后的模型保存為step等格式文件。但這種方法生成的曲面質(zhì)量較差，為后續(xù)的模具設(shè)計(jì)帶來麻煩。本研究將數(shù)據(jù)處理到多邊形階段后，保存成stl格式后轉(zhuǎn)到后續(xù)的Geomagic design X[5]進(jìn)行CAD模型重構(gòu)。

2.2 打蛋器的C A D模型重構(gòu)

本研究用的CAD模型重構(gòu)軟件為Geomagic design X，打蛋器的CAD模型重構(gòu)基本操作流程如圖5所示。

圖5 G eomagic design X的基本流程

（1）劃分領(lǐng)域組

劃分領(lǐng)域組用于擬合平面特征、圓柱特征、圓錐特征、曲面特征等，為后續(xù)創(chuàng)建基準(zhǔn)特征、曲面特征、實(shí)體特征等提供參考。領(lǐng)域組可通過計(jì)算機(jī)的自動分割，也可通過人工判斷并手動提取需要創(chuàng)建的領(lǐng)域，如圖 6（a）所示。

（2）坐標(biāo)系對齊

在逆向工程技術(shù)中，由于導(dǎo)入的點(diǎn)云或多邊形未與本軟件的坐標(biāo)系對齊，在操作時(shí)不能將點(diǎn)云切換到合適的視圖。因此，坐標(biāo)系對齊是很重要的環(huán)節(jié)，本研究中的打蛋器模型坐標(biāo)系可以在Geomagic Wrap軟件中對齊坐標(biāo)系，也可以在Geomagic design X對齊坐標(biāo)系。根據(jù)各自的功能對比，采用在Geomagic design X對齊坐標(biāo)系，在對齊前，根據(jù)領(lǐng)域組創(chuàng)建基準(zhǔn)面，本研究可通過打蛋器的底面領(lǐng)域創(chuàng)建一“底面基準(zhǔn)平面”，由于該模型是對稱體，在Geomagic design X中，對稱面的作法為：先大致在對稱平面位置處作一基準(zhǔn)平面，然后通過“鏡像”方式拾取所有的打蛋器的三角面片和基準(zhǔn)平面，通過計(jì)算機(jī)自動計(jì)算其“對稱基準(zhǔn)平面”。此種方法作出的對稱平面精度很高。通過“底面基準(zhǔn)平面”和“對稱基準(zhǔn)平面”，根據(jù)右手定則即可創(chuàng)建第三個(gè)基準(zhǔn)平面，最終就可通過手動對齊的方式對齊坐標(biāo)系。

圖6 打蛋器的不同狀態(tài)

（3）創(chuàng)建曲面

在Geomagic design X軟件中，特征線的提取可通過“面片草圖”和“草圖”進(jìn)行平面草圖的繪制；也可以通過“3D草圖”和“3D面片草圖”進(jìn)行空間樣條曲線的繪制，如圖6（b）所示。特征線的提取要結(jié)合曲面創(chuàng)建的命令來完成，否則提取的特征線是多余的。草圖的質(zhì)量決定了后續(xù)曲面的質(zhì)量。

特征線的提取完成后，可通過放樣、延伸曲面、修剪、面填補(bǔ)、縫合等命令對打蛋器的模型進(jìn)行重構(gòu)。重構(gòu)后的效果如圖6（c）所示。由于模型的特征較多，通過特征線的提取和創(chuàng)建曲面是往復(fù)進(jìn)行。通過“精度分析”和“環(huán)境寫真”分別判斷曲面的精度和曲面質(zhì)量，如圖6（d）所示。若精度和質(zhì)量較差，可通過重新調(diào)整特征線或修剪曲面再進(jìn)行填補(bǔ)來完成。

（4）補(bǔ)全其他特征并導(dǎo)出成step文件格式

打蛋器中的螺紋孔和排氣槽特征較簡單，可通過拉伸和布爾運(yùn)算命令來實(shí)現(xiàn)。完成后的產(chǎn)品導(dǎo)出保存成step格式，為后續(xù)的Siemens NX或Creo等軟件創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供原始模型。

3 打蛋器支座的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

在建立了原打蛋器的數(shù)字化模型以后，結(jié)合美學(xué)、市場等因素，可對原產(chǎn)品進(jìn)行改良設(shè)計(jì)。本研究以原有打蛋器的數(shù)字模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一款用于放置打蛋器的支座。由于Geomagic design X主要用于模型的重構(gòu)，對于裝配設(shè)計(jì)功能較薄弱。本研究采用Creo2.0進(jìn)行正向創(chuàng)新設(shè)計(jì)。經(jīng)考慮ABS塑料的強(qiáng)度、注塑模具是否能實(shí)現(xiàn)等因素，結(jié)合打蛋器底部和配件的形狀及尺寸，在設(shè)計(jì)打蛋器支座時(shí)將個(gè)別特征刪除，同時(shí)增加某些特征。最終，設(shè)計(jì)得到如圖7所示的三維模型。

圖7 打蛋器支座創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型

目前，研發(fā)新產(chǎn)品需要多人共同合作完成。而多人組合的研發(fā)團(tuán)隊(duì)可能對不同的CAD軟件存在不同的熟練程度。同時(shí)市場的CAD/CAE軟件各有自己的優(yōu)勢。本研究采用三個(gè)軟件相結(jié)合的方法，很好地利用了軟件在點(diǎn)處理階段、三角面處理階段、模型重構(gòu)階段、創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段的優(yōu)勢，從而創(chuàng)新設(shè)計(jì)出新產(chǎn)品，極大的縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本。

4 打蛋器支座的3D打印與驗(yàn)證

3D打印近幾年發(fā)展很快，現(xiàn)在已有多種不同的3D打印技術(shù)，比較成熟的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。近年來，SLA技術(shù)迅速發(fā)展，但打印出來的強(qiáng)度較差，本次研究用的打印機(jī)為工業(yè)級3D打印機(jī)。打印后的產(chǎn)品通過粘接劑、螺釘?shù)群筇幚聿牧险辰悠饋?，并進(jìn)行打磨處理。通過打印后并將原打蛋器及配件放置在該打印模型如圖8所示。研究表明：設(shè)計(jì)開發(fā)的的支座可與打蛋器很好匹配，說明這種方法可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)精確度和效率的提升。

圖8 3D打印最終效果

5 結(jié)束語

逆向工程技術(shù)，CAM/CAM技術(shù)，3D打印技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相結(jié)合，將對產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。通過逆向工程技術(shù)建立產(chǎn)品數(shù)字模型，在數(shù)字模型基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品改良設(shè)計(jì)及其配件的設(shè)計(jì)，可減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期。本文采用對打蛋器的原模型，通過逆向工程設(shè)計(jì)方法，通過不同軟件的優(yōu)勢選用不同的模塊，最終設(shè)計(jì)出一種較為合理的支座，通過打印出的模型與原打蛋器進(jìn)行裝配比較，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)的模具設(shè)計(jì)提供可靠的保證。

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