消防頭盔正逆向頭盔與快速成型

唐鋒易杰

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208）

0 引言

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用逆向方法把已有產(chǎn)品數(shù)字化后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和已有CAD模型拼合后進(jìn)行分析比較，由分析信息直接對(duì)已有的數(shù)字化模型參數(shù)進(jìn)行修改，快速得到新產(chǎn)品的數(shù)字化模型。頭盔主體曲面是一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程，這是一部分零部件使用正向設(shè)計(jì)的建模方法，另一部分使用逆向設(shè)計(jì)的建模方法是解決復(fù)雜設(shè)計(jì)的有效途徑。

1 消防頭盔的零部件的逆向確認(rèn)方案

1.1 模型的整體性分析

消防頭盔實(shí)物如圖1所示。

圖1 消防頭盔實(shí)物觀測(cè)圖

模型的形狀比較復(fù)雜，零部件很多，各個(gè)裝配的位置也需要很大的講究。頭盔外形面是一個(gè)光滑圓弧面，兩側(cè)的零件固定住了前擋風(fēng)面罩，擋風(fēng)面罩是一個(gè)半圓弧狀的透明塑料制作而成，表面不耐腐蝕，內(nèi)部的非接觸的裝配零部件居多。在進(jìn)行逆向前先要把模型內(nèi)的零部件進(jìn)行標(biāo)記，并具體分析采用哪種方式進(jìn)行逆向，因零部件較多，只列出部分。

1.2 零部件分析

部分零部件的細(xì)部特征很多，有很多的尺寸都是1mm的尺寸位置，考慮到所用掃描儀的精度，掃描不出來(lái)一些細(xì)微的特征地方，所以決定用游標(biāo)卡尺正向建模的方法逆向，只要保證所建模的模型互相之間能相互配合。

消防頭盔側(cè)部零件與消防頭盔主體的兩側(cè)相互配合，所以用游標(biāo)卡尺測(cè)不出配合面的弧度尺寸，必須要用掃描的點(diǎn)元逆向，且精度要控制在誤差內(nèi)。

消防頭盔擋風(fēng)面罩和其他零件是相配合的，面與面之間要沒(méi)有縫隙，而其大面是一個(gè)外觀面，需要用掃描的點(diǎn)元做到G2連續(xù)。

消防頭盔的主體的外部是幾個(gè)大面，尺寸偏大，內(nèi)部有加強(qiáng)筋、槽居多，掃描儀掃不出來(lái)，需要逆向整體后再進(jìn)行內(nèi)部的正向建模。

1.3 建模注意要點(diǎn)

Catia也可以進(jìn)行正向建模只不過(guò)考慮到塑料制品的模具設(shè)計(jì)大多數(shù)采用UG軟件的模具設(shè)計(jì)模塊，而Catia內(nèi)的模具模塊就稍稍差些，當(dāng)然UG也可以逆向只不過(guò)逆向的模型與Catia相比也要差些。軟件只是工具，為了產(chǎn)品及時(shí)效性應(yīng)該要把工具最有特色的進(jìn)行使用才能發(fā)揮它最好效果。

2 三維掃描并處理點(diǎn)云

2.1 三維掃描所需物品介紹

本文采用PowerScan?L-Pro進(jìn)行點(diǎn)云采集，三維掃描前需要進(jìn)行噴顯像劑，噴顯像劑的原因是三維掃描儀掃描的原理是通過(guò)吸收反射的光線粒子進(jìn)行成像顯示的，如果工件表面太暗，或者太鮮艷掃描儀都吸收不到光線粒子，清洗的時(shí)候可以用去除劑，之后用酒精清洗就可以了。

噴完顯像劑后要等到工件表面上的白劑未干時(shí)，貼上標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)的貼法作用有兩種，一種是貼到自身上標(biāo)記出工件自身的特征上下左右的方位，也就比如說(shuō)是標(biāo)明你的胳膊，你的腿在你自身的哪個(gè)角度，哪個(gè)方向；另一種是貼到托盤上將承載工件自身所處的外部環(huán)境方向進(jìn)行標(biāo)記，比如說(shuō)你的胳膊在我這個(gè)托盤的外部環(huán)境360°范圍的哪一度。

貼標(biāo)志點(diǎn)的兩種方法可以混合使用，也可以單獨(dú)使用，所使用的掃描方法也不一樣。第一種貼工件自身單獨(dú)使用的掃描方法適合不規(guī)則的物體，掃描時(shí)先掃出一部分面，并掃描進(jìn)3個(gè)以上標(biāo)志點(diǎn)，以此些標(biāo)志點(diǎn)做定位，稍微翻轉(zhuǎn)一部分讓掃描儀掃出2個(gè)以上的標(biāo)志點(diǎn)同時(shí)能掃描進(jìn)新的標(biāo)志點(diǎn)，以此重復(fù)性翻轉(zhuǎn)直到所有的標(biāo)志點(diǎn)掃描出來(lái)，這時(shí)工件也掃描完成了；第二種是貼托盤的掃描方法，比較簡(jiǎn)單。只要把工件放在工件四周的托盤上，托盤表面上貼上標(biāo)志點(diǎn)，掃描時(shí)只要旋轉(zhuǎn)托盤掃描就可以了，但是缺點(diǎn)是掃描不出底部；第三種是混合式，在工件本身上貼上標(biāo)志點(diǎn)并用上四周貼好標(biāo)志點(diǎn)的托盤，一開(kāi)始掃描時(shí)，把工件放上托盤上，旋轉(zhuǎn)托盤進(jìn)行掃描，此時(shí)托盤上的標(biāo)志點(diǎn)定位好了工件，同時(shí)工件上的標(biāo)志點(diǎn)也因?yàn)橥斜P的旋轉(zhuǎn)而被掃描出來(lái)，接著就可以翻邊，掃描工件底部，將工件翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)掃描要注意讓掃描儀能看到一些未翻邊前的標(biāo)志，同時(shí)旋轉(zhuǎn)托盤時(shí)能讓掃描儀掃描出未掃描出來(lái)的工件部分以此將整個(gè)工件掃描出來(lái)。

在翻邊前，軟件里要將掃描出來(lái)的托盤上的標(biāo)志點(diǎn)刪除再進(jìn)行翻邊。

橡皮泥的作用是讓工件擺放位置時(shí)給它做支撐用，橡皮泥是黑色的所以不會(huì)被掃描進(jìn)去。下面以消防頭盔主體為例進(jìn)行分析。

2.2 消防頭盔主體01掃描與點(diǎn)云處理

2.2.1 掃描

先噴顯像劑并在工件上貼好標(biāo)志點(diǎn)，由于消防頭盔主體01的尺寸很大，掃描時(shí)掃描儀需要上下或前后距離的適調(diào)，太近或者太遠(yuǎn)都會(huì)導(dǎo)致頭盔主體掃描不出來(lái)。調(diào)整好距離后開(kāi)始掃描，掃描時(shí)觀看掃描的模型有沒(méi)有未掃描到的，未掃描出來(lái)的角落進(jìn)行重復(fù)性掃描。

2.2.2 點(diǎn)元處理

掃描好了的文件默認(rèn)是.ac格式還不是STL格式。要進(jìn)行逆向并生成為STL格式才行，這時(shí)要用到Geomagic Wrap的軟件進(jìn)行點(diǎn)元的處理。導(dǎo)入進(jìn)Geomagic Wrap先刪除多余的外部點(diǎn)后進(jìn)行減少噪音，最后合并點(diǎn)云。

合并完成的點(diǎn)云數(shù)目為600多萬(wàn)個(gè)，需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化點(diǎn)云為40幾萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云。

模型的標(biāo)志點(diǎn)所處的地方為空洞要進(jìn)行填孔，填完孔的地方表面會(huì)凹凸不平要進(jìn)行去除特征操作，將所有的模型中可以補(bǔ)全的空都補(bǔ)全，有一些部分不能補(bǔ)的便不用補(bǔ)。處理完點(diǎn)云后導(dǎo)出為STL格式，便可在Catia中逆向了。

3 c a t ia逆向建模

從點(diǎn)云處理導(dǎo)出來(lái)的點(diǎn)云坐標(biāo)與軟件的坐標(biāo)并沒(méi)有對(duì)正，在進(jìn)行逆向前必須進(jìn)行對(duì)正。對(duì)完正后將以前的點(diǎn)元?jiǎng)h除掉，用對(duì)正后的點(diǎn)云。修剪掉通過(guò)點(diǎn)云擬合出來(lái)的多余的面。觀察面片與點(diǎn)云的誤差，適當(dāng)進(jìn)行修改。將面片合并后在零件設(shè)計(jì)里面縫合生成實(shí)體。內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和兩側(cè)的螺紋孔并沒(méi)有逆向出來(lái)而是要放在UG進(jìn)行正向建模。

4 UG正向建模

將catia逆向成的實(shí)體導(dǎo)出為STP格式，導(dǎo)入進(jìn)UG軟件，進(jìn)行實(shí)體的編輯，通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量出各個(gè)加強(qiáng)筋的位置和裝配面的位置。實(shí)物與模型對(duì)比如圖2所示。

圖2 實(shí)物與模型對(duì)比

5 消防頭盔的零部件快速成型

得到的三維數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為S tl格式文件，然后導(dǎo)入切片軟件進(jìn)行切片，完成切片后即可進(jìn)行3D打印。本文采用UPBOX打印機(jī)，使用UP S tudio切片軟件進(jìn)行切片，采用ABS材料來(lái)打印的產(chǎn)品，選擇ABS材料是因?yàn)樗哂泻軓?qiáng)的抗沖擊性、耐劃、尺寸穩(wěn)定等特性，是目前板材行業(yè)中十分理想的材料，并且物美價(jià)廉，很適合學(xué)校使用。用ABS材料打印出來(lái)的支架，正好發(fā)揮了它的抗沖擊性以及熱溶性的特性。而消防頭盔應(yīng)用的場(chǎng)景重點(diǎn)也在這兩處地方。此次利用3D打印消防頭盔各部件，與原先生產(chǎn)模型的方法是兩種截然不同的方法，原先的消防頭盔采用模具制造形式，而用3D打印打印出來(lái)的消防頭盔是由ABS材料一層一層累積起來(lái)的。在前期的設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證模型的實(shí)際用途使用3D打印能為人們帶來(lái)更多的選擇方式。

由于材料有限，并不能全部打印出來(lái)，只展示部分打印模型。如圖3所示。

圖3 頭盔零部件快速成型

6 結(jié)語(yǔ)

三維掃描階段由于頭盔主體零件表面需要很光滑，噴涂顯像劑便會(huì)弄臟表面清洗不方便，故采用貼透明膠的方法解決，噴涂完顯像劑后可以直接撕掉透明膠，在UG正向建模時(shí)，有些尺寸誤差測(cè)量不出來(lái)，但是裝配時(shí)又必須要保證裝配誤差在一定范圍內(nèi)，這時(shí)可以采用邊給預(yù)定的數(shù)值邊用3D打印打印出來(lái)，再根據(jù)與實(shí)物的裝配，做一定的調(diào)整數(shù)值；在打印機(jī)打印的過(guò)程中如果出現(xiàn)翹邊，可以在溫床上貼塊膠布或涂膠的方法來(lái)解決。通過(guò)正、逆向建模相結(jié)合的方法來(lái)完成對(duì)頭盔所有零部件的三維數(shù)據(jù)獲取和3D打印制造，驗(yàn)證了次方法的正確性和高效性。